降低发电厂水消耗的研究与实践

董小录，裴居峰

（山西漳泽电力股份有限公司河津发电分公司，山西 河津 043300）

0 引言

2015年4月16日，国务院发布《水污染行动计划》 （《水十条》），要求实施最严格的水资源管理，提高用水效率，严格用水定额管理。自此，火电厂在水资源利用方面的压力陡然提升，加快落实深度节水任务迫在眉睫。

山西漳泽电力股份有限公司河津发电分公司（以下简称“河津电厂”） 一期2台机组为2×350 MW亚临界参数湿冷式汽轮发电机组，日本三菱公司制造，分别于2000年8月和2000年11月投产。湿冷机组的发电水耗普遍偏高。2015年之前，河津电厂一期机组发电水耗为2.55 kg/（kW·h）左右，亟待寻求一个有效降低发电水耗的办法。一期机组最大的用水系统是循环水系统，最有效的节水措施就是提高循环水浓缩倍率。

1 循环水系统概况

一期机组循环水系统保有水量为15000 m3，循环水量为38000 m3/h。凝汽器换热管均为HSn70-1A黄铜管，空抽区为BFe30-1-1白铜管。循环水系统补充水水源为黄河东岸地下水。投产以来，水源水质持续恶化，生水含盐质量浓度及氯离子质量浓度不断升高。投产时氯离子质量浓度为70 mg/L左右，2010年为100 mg/L左右，2015年为130 mg/L左右，2018年达200 mg/L左右。

生水经过双流弱酸床处理后作为循环水系统的补充水。设计弱酸床运行终点碱体积浓度为1.7 mmol/L，出水平均pH值为4.5左右，水的腐蚀性比较强，因此作为循环水的补充水时配比了约30%的生水。配比生水可以降低补充水的腐蚀性，但补充水的碱度也随之增大，使得循环水系统容易结垢，从而限制了浓缩倍率。

2010年一期机组循环水的缓蚀阻垢试验结果表明，在添加缓蚀阻垢剂的条件下，循环水系统钙体积浓度与碱体积浓度之和应小于等于12.65 mmol/L，氯离子质量浓度应小于380 m g/L。试验时生水氯离子质量浓度约为100 mg/L左右，浓缩倍率可达3.8倍。2015年氯离子质量浓度达130 mg/L左右，循环水中氯离子质量浓度为380 mg/L左右时，对应的浓缩倍率不到3倍。

也就是说，在当时的条件下循环水浓缩倍率无法提高，主要受到以下两个因素的制约。

a）若循环水中钙体积浓度与碱体积浓度之和大于12.65 mmol/L，会导致循环水系统结垢。

b） 若循环水中Cl-质量浓度增大，会导致凝汽器铜管发生腐蚀。

2 提高循环水浓缩倍率的措施

a）根据《发电厂凝汽器及辅机冷却器管选材导则》 （DL/T 712—2010），HSn70-1A黄铜管循环水中氯离子质量浓度应小于400 mg/L；316L不锈钢管循环水中氯离子质量浓度应小于1000 mg/L。为此，可将凝汽器HSn70-1A黄铜管更换为316L不锈钢管。在2015年的水质条件下，循环水浓缩倍率可提高至5～6倍。由于铜材的市场价格高于不锈钢，凝汽器换热管可以免费由铜管更换为不锈钢管。

b）改变弱酸床的运行方式，对弱酸床进行优化调整试验，通过试验达到以下目的：提高弱酸床出水的平均pH值，循环水补充水只补充弱酸床出水，使得循环水系统既不容易结垢也不容易腐蚀，从而可有效提高循环水的浓缩倍率。

3 节水量估算

将凝汽器HSn70-1A黄铜管更换为316L不锈钢管，提高循环水的浓缩倍率后的节水情况进行了以下计算。

3.1 循环水系统的3部分损失

a）蒸发损失。冷却塔进出口水温每相差5℃，蒸发损失率夏季0.8%，冬季0.4%。河津电厂冷却塔进出口温差一般为8℃左右。

b）吹散及泄漏损失。自然通风冷却塔的吹散及泄漏损失为0.3%～0.5%。

c）排污。循环水系统的补充水就是为了补充以上几方面的损失。对于一定的循环冷却水系统，蒸发损失和风吹泄漏损失是一定的，因此补充水量的多少取决于排污水量的大小。

3.2 根据循环水系统中的水量平衡和盐量平衡计算损失率

根据循环水系统中的水量平衡和盐量平衡，循环水的排污损失率和蒸发损失率、风吹泄漏损失率、浓缩倍率的关系为

式中：Pp——循环水排污损失率，%；

Pz——循环水蒸发损失率，%；

Pp——循环水风吹泄漏损失率，%；

φ——循环水浓缩倍率。

3.2 循环水补充水等损失量

循环水补充水率和排污率、蒸发损失率、风吹泄漏损失率的关系为

式中：Pb——循环水补充水率，%。

3.4 节水量计算

以单台机组计：循环水系统储水量15000 t，循环水流量以38000 t/h（夏季）计，蒸发损失率取2个数值1.0%（一般情况） 和1.5%（极端情况），风吹泄漏损失率取2个数值0.1%（小风）和0.3%（大风），计算4种不同条件下的排污水量和补充水量，计算结果如下。

3.4.1 第一种工况

Pz＝1.5%，Pf＝0.3%

蒸发损失量加风吹泄漏损失量：38000×（1.5%＋0.3%） ＝684 t/h。

此时，在不同浓缩倍率和排污率的工况下，对应的循环水排污水量和补充水量如表1所示。

表1 第一种工况下的循环水的排污水量和补充水量

3.4.2 第二种工况

Pz＝1.5%，Pf＝0.1%

蒸发损失量加风吹泄漏损失量：38000×（1.5%＋0.1%） ＝608 t/h。

此时，在不同浓缩倍率和排污率的工况下，对应的循环水排污水量和补充水量如表2所示。

表2 第二种工况下的循环水的排污水量和补充水量

3.4.3 第三种工况

Pz＝1.0%，Pf＝0.3%

蒸发损失量加风吹泄漏损失量：38000×（1.0%＋0.3%） ＝494 t/h

此时，在不同浓缩倍率和排污率的工况下，对应的循环水排污水量和补充水量如表3所示。

表3 第二种工况下的循环水的排污水量和补充水量

3.4.4 第四种工况

Pz＝1.0%，Pf＝0.1%

蒸发损失量加风吹泄漏损失量：38000×（1.0%＋0.1%） ＝418 t/h

此时，在不同浓缩倍率和排污率的工况下，对应的循环水排污水量和补充水量如表4所示。

表4 第二种工况下的循环水的排污水量和补充水量

根据上述计算可知，在蒸发损失率为1.5%的条件下，浓缩倍率从3倍提高到5倍，单台机组补水量从855 t/h降到712.5 t/h，每小时可节水142.5 t，2台机组每天可节水6840 t。

在蒸发损失率为1.0%的条件下，浓缩倍率从3倍提高到5倍，单台机组补水量从570 t/h降到475 t/h，每小时可节水95 t，2台机组每天可节水4560 t。

计算可知，若将循环水浓缩倍率从目前的3倍提高到5倍，2台机组每天节水量以5700 t计，每年以300 d计，年发电量以36亿kW·h计，水耗可降低约0.475 kg/（kW·h）。节水效果十分可观。

4 弱酸床的出力

将凝汽器HSn70-1A黄铜管更换为316L不锈钢管，可以提高循环水的浓缩倍率。需要考虑的问题是，以往循环水补水配比了30%左右的生水，若只补充弱酸床出水，弱酸床的出力是否满足要求，是否需要增加弱酸床。

弱酸床共设置有7台。浓缩倍率提高至5倍时，2台机组日补水量为21000～22000 t，弱酸床的出力为230 t/h左右，4台弱酸床运行即可满足补充水量需求。考虑到夏季补水量大，最大日补水量以32000 t计，6台弱酸床可满足循环水补水要求。

一般情况下日补水量大于30000 t的时候很少，因此提高浓缩倍率到5倍时，即使在夏季蒸发量很大时，一般5台弱酸床即可满足补水量需求。

5 降低水消耗的改造措施

经过上述论证，认为将凝汽器铜管更换为不锈钢管，可以提高循环水浓缩倍率至5倍，而且不需要增加弱酸床，随后进行了以下几项工作。

a） 一期2台机组于2016年12月—2017年3月，将凝汽器铜管更换为316L不锈钢管。

b）对双流弱酸床进行了优化调整试验，确定了双流弱酸床合理的运行方式及终点控制指标。弱酸床的运行时间由原来的34 h延长至58 h左右，终点碱体积浓度由原1.0 mol/L左右提高至2.0 mmol/L左右。

c） 采取调整后的弱酸床出水水样进行了循环水的缓蚀阻垢试验，确定了循环水的各项控制指标。

2017年3月份，一期2台机组改造后重新投产。2017年3月，补充水中氯离子质量浓度为180 mg/L左右，循环水的浓缩倍率控制在5倍左右；2018年，补充水中氯离子质量浓度达200mg/L，循环水的浓缩倍率控制在4.5倍左右。

6 改造前后的发电水耗

改造前，2014年—2016年，一期2台机组循环水系统补水量为24700 t/d左右，发电水耗约为2.55 kg/（kW·h）。

2017年—2018年，一期2台机组循环水系统补水量为20200 t/d左右，与改造前相比，每天减少用水量约4500 t；发电水耗约为2.15 kg/（kW·h）。若不进行改造的话，目前循环水浓缩倍率只能维持在小于1.9倍。改造后，节水效果明显，达到了预期目的。