循环水系统节水方案的研究与应用

王军昌 张易峰 张丽格 屈朝霞

（漳泽电力河津发电分公司）

山西漳泽电力股份有限公司河津发电分公司一期机组是2×350 MW湿冷机组，凝汽器换热器设计为铜管，管材为：主凝结区和顶部圆周区HSn70-1黄铜管，空抽区为B30白铜管，换热管共19 000多根，换热面积共22 280 m2。循环水系统设计为直接开式循环水系统，循环水量38 190 m3∕h，循环水系统每年补水量约为600 Wt，约占全年总用水量的70%左右，所以在全厂节水工作中，节约循环水用量放在首要位置。

1 循环水系统运行情况分析

1.1 循环水浓缩倍率计算

根据《工业循环冷却水处理设计规范》计算，当循环水浓缩倍率从1.5～10.0变化时，循环水补水量与排污水量关系如下（循环水量按10 000 m3∕h计算）：

图1 循环水补水量与排污水量关系

随着循环水浓缩倍率提高，循环水补水量和排污量逐渐减少，见图1，当倍率从3提高到5时，节水效能可提高0.4个百分点，即：补水率从2.4%下降到2%、排污率从0.8%下降到0.4%，节水效率较高，节约用水量也是比较可观。

1.2 循环水系统存在的问题

①.凝汽器换热管采用铜材质，对循环水水质要求严格，尤其是对氯根含量要求不能超过400 mg∕L（《火力发电厂凝汽器管选材导则》DL∕T 712-2000），限制着循环水浓缩倍率提高；

②.循环水补水氯根含量不断增大，随着循环水浓缩倍率的提高，循环水存在着结垢的风险。

图2 循环水补水氯离子变化趋势

从图2中可以看出：自2007年以来的补充水氯离子，呈现逐年上升的趋势，最大值、最小值和平均值不断创出新高，至2017年，氯离子平均值提高了96.8%。

2 技术优化方案研究

针对循环水系统运行过程中出现的问题，制定了以下改造方案：

2.1 凝汽器换热器管材优化

根据《火力发电厂凝汽器管选材导则》（DL∕T 712-2000）规定，不锈钢管的凝汽器要求氯离子含量不大于1 000 mg∕L，为循环水浓缩倍率提高奠定了基础。因此在2016年12月和2017年5月，分别对1#和2#凝汽器铜管更换为TP316L不锈钢管；为了保持换热效果，每台凝汽器管束增加了3 878根。1#机于2016年12月份启机运行，运行后循环水氯离子逐渐提升，循环水浓缩倍率从改造前的3倍提高到5倍。1#机2017年循环水氯根提升变化趋势见图3。

图3 循环水氯离子变化趋势

2.2 弱酸床优化

凝汽器铜管改造为不锈钢管后，循环水的补水由60%生水+40%软化水，改为100%的软化水，但是的运行存在以下问题：①再生浓度高，容易出现床体碳酸钙析出、结垢现象；②再生剂的比耗值较大，不经济；③床体失效终点判定不科学，不利于循环水浓缩倍率提高。

因此，在2017年进行了弱酸床优化试验研究：

①.通过对弱酸床的再生调整试验，确定了合理的再生剂浓度、流量以及再生时间，使弱酸床再生效果达到最佳状态。调整顺序为：调整弱酸床树脂装载量，使树脂层高度在布酸装置下约150 mm处；调整再生用酸量，硫酸用量由原来的1 960 kg提高到2 200 kg～2300kg；调整再生液浓度，再生的硫酸再生液浓度也降低为0.8%；根据进酸量，再生时间延长约100 min；调整大反洗流量，调整反洗水流量已达到200 t∕h；调整弱酸床的运行终点，试验确定，出水碱度达2.3 mmol∕L时弱酸床为失效。通过调整后弱酸床运行周期从40 h提高到60 h，周期制水量提高了50%，再生酸耗从0.26 kg∕t，下降到0.18 kg∕t，降低了0.08 kg∕t。

②.根据弱酸床的工作交换容量，由此计算弱酸床再生合理的用酸量。出水有酸度和出水有碱度的工作交换容量计算方法不同，因此分为两部分进行计算：

式中：

E—一个运行周期总工作交换容量，mmol；

Ea—运行前期出水有酸度时工作交换容量，mmol；

Eb—运行后期出水有碱度时工作交换容量mmol；

Qi—弱酸床运行中i时刻的流量，L∕h；

JDi—弱酸床进水i时刻的碱度，mmol∕L；

SDi—弱酸床出水有酸度阶段i时刻酸度，mmol∕L；

JDc—弱酸床出水有碱度阶段i时刻碱度，mmol∕L。

③.根据循环水对补充水水质的要求，合理延长弱酸床运行周期，循环水只补充弱酸水，而不添加生水，从而提高了循环水的浓缩倍率。

循环水补水加生水时，补水平均钙硬约3.0 mmol∕L，平均碱度 3.3 mmol∕L，钙+碱合计约为 6.3 mmol∕L。循环水100%的弱酸水时，补水平均碱度约1.0 mmol∕L，平均钙硬约1.5 mmol∕L，钙+碱合计约为2.5 mmol∕L，循环水控制指标是钙+碱不大于18 mmol∕L，由此计算补水加生水时，循环水浓缩倍率最大能到3.0，循环水仅补弱酸水时，浓缩倍率最大可达6.0倍以上，所以仅弱酸水能提高循环水浓缩倍率。

④.加装二氧化碳脱除装置：使弱酸水中的二氧化碳在补水需要脱除一部分，降低循环水的碱度，提高其浓缩倍率，节约用水，使得因浓缩倍率提高而带来的结垢风险大幅降低。弱酸床出水pH值最低约3.0，最高约6.0，平均约4.0。水中的碳酸、二氧化碳有下式的平衡关系：

由上式可知，水中H+浓度越大，平衡越易向右移动。经H+交换后的水呈强酸性，因此水中碳酸化合物几乎全部以游离CO2形式存在。

CO2气体在水中的溶解度服从于亨利定律，即在一定温度下气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的分压成正比。所以，加装二氧化碳脱除装置降低与水相接触的气体中CO2的分压，溶解于水中的游离CO2便会从水中解吸出来，从而将水中游离CO2除去。

2.3 循环水水质指标优化

循环水指标优化试验按以下步骤进行：取水样、混合水样、浓缩试验、旋转挂片试验、动态模拟试验。浓缩试验是对水样初步判断，确定取样是否合理，旋转挂片试验是对缓蚀剂的效果进行筛选和判断，动态模拟试验综合考虑确定合理的水质控制指标，图4为循环水指标优化动态试验的示意图。

图4 动态模拟试验装置换热管及挂片位置示意

试验表明：在100%补软化水和合理的加药量条件下，可使循环水浓缩倍率最高可达5.4，确保了循环水系统不发生结垢和腐蚀，旋转挂片试验后不锈钢挂片形貌见图5。

图5 动态试验后316L试片形貌

2.4 循环水处理技术优化

在循环水处理技术优化上，采用先进的电化学技术，确保在较高浓缩倍率安全稳定条件下，逐渐减少加药量和排污量，节能降耗。电化学技术是通过直流电流的作用，在反应室内壁（阴极）附近形成一个碱性环境（pH值达到8～9），这种强碱性环境下水垢更容易结晶析出。在阳极附近，高达30%的氯离子转变成游离氯或次氯酸，有杀菌灭藻作用。设备对钙离子去除率在40～60%，对镁离子去除率在20～30%，对氯离子去除率10%，对离子去除排序钙离子＞镁离子＞氯离子。现场从2016年11月24日开始投入运行，电化学法和加药剂法运行循环水主要指标对比趋势图如下：

图6 循环水中总碱度对比趋势图

图7 循环水中总钙硬对比趋势图

采用电化学处理循环水后，循环水中铁离子、铜离子含量明显降低，这说明采用电化学处理循环水，水中结垢成份已经大量析出，腐蚀性明显降低，浓缩倍率明显提高。

3 应用效果

循环水系统技术优化方案在现场应用之后，循环水浓缩倍率明显提高，节水效果明显，还取得了一定的经济效益。

3.1 提高了循环水浓缩倍率

循环水浓缩倍率从3倍提高到5倍，2016年优化前和2017年指标优化后循环水浓缩倍率对比，见图7。

图7 循环水指标优化前后浓缩倍率对比图

3.2 节约了循环水补水量

2016年2017年机组发电量基本持平，2016年循环水补水量约640 Wt，2017年指标优化后循环水补水量约550 Wt，全年节约循环水量约90 Wt。

3.3 经济效益显著

循环水节水方案实施后，取得了一定的经济效益。2017年节水约90 Wt，循环水处理节约硫酸约500吨，废水处理节约液碱约400 t，每年节约的费用合计约为500多万元。

4 结论

提高循环水浓缩倍率是节水的主要途径，提高循环水浓缩倍率的方案有：凝汽器换热管改造为不锈钢管、优化补水方式、优化循环水控制指标、采用新的防垢技术等，循环水浓缩倍率提高后，经现场运行数据表明节水效果显著，并取得一定的经济效益，此方法可以推广应用到设计有循环水系统的电厂。