发电厂循环冷却水节水措施及优化处理方案的研究

2021-06-26赖世伟

冶金动力 2021年3期

赖世伟

（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司,湖南长沙 410007）

引言

工业用水约占城市总用水量的60%以上，工业冷却水用量约占整个工业用水量的70%～80%[1]。电厂是用水大户，电厂循环冷却水耗水量大，因此充分考虑节水技术，提高循环冷却水的循环利用率，可以使有限的水资源得到最大程度的重复利用。

发电厂敞开式循环冷却水在系统中不断循环使用，由于水的温度升高，水流速的变化，水的蒸发，各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，会产生严重的沉积物附着，设备腐蚀和微生物大量滋生，以及由此形成的黏泥污垢堵塞管道等问题[2]，它们会威胁和破坏企业长周期安全生产，甚至造成经济损失。

为了阻止水质无限制地恶化下去，需要排放一部分浓水，同时补充一部分新鲜水。而为了尽量减少循环水的排水量，需要在合理的范围内尽可能地提高循环水的浓缩倍数同时选择合理且经济实用的循环水冷却水处理方案。

1 某电厂水源水质情况

某电厂1 000 MW 机组工程为新建工程，其水源为湘江水，经过过澄清过滤后作为循环冷却水的补充水，水源水质分析见表1。

从表1 中水质资料可以看出，该水质含盐量低，碳酸盐硬度低，水质好。

表1 水源水质分析表

2 循环冷却水循环倍数的确定

在不同的浓缩倍数条件下运行，循环冷却水补充水量和循环冷却水排污水量通过以下公式计算得出[3][4]：

式中：Qm——循环水补水量，m3/h ；

Qb——循环水排污水量，m3/h；

Qe——蒸发量，m3/h；

Qr——循环水量，取值1.98×105m3/h；

N——浓缩倍数；k 为蒸发损失系统，取值0.0015；

Δt——循环冷却水进、出冷却塔温差，10 ℃；

Qw——风吹损失水量，取值20 m3/h。

通过计算得出不同浓缩倍数条件下循环补充水量和循环水排污水量见表2。

表2 不同浓缩倍数条件下循环补充水量和循环水排污水量

从表2 可以看出，当循环水浓缩倍数为5 比较浓缩倍数为4 运行时，循环水补充水量与循环水排污水量都减少248 m3/h；当循环水浓缩倍数为6 比较浓缩倍数为5 运行时，循环水补充水量与循环水排污水量都减少148 m3/h；当循环水浓缩倍数为7比较浓缩倍数为6 运行时，循环水补充水量与循环水排污水量都减少99 m3/h；当循环水浓缩倍数为8比较浓缩倍数为7 运行时，循环水补充水量与循环水排污水量都减少71 m3/h。由此可以看出，在浓缩倍数小于6时，提高循环水的浓缩倍数，具有非常明显的节水效果；但是当浓缩倍数大于6时，节水效果不是特别明显，而且浓缩倍数越大，循环水系统设备结垢的风险越大。因此循环冷却水的浓缩倍数取值6。

3 提高浓缩倍数后的节水效益

以浓缩倍数从4 提高到6 为例，循环水补充水量从3 960 m3/h 减少至3 564 m3/h，相当于每小时节约用水396 m3。电厂年利用小时数以5 000 h计，水费以0.8 元/t 计，则每年节省水费158.4 万元。同时循环水排污水量减少396 m3/h，减少了循环水排污水处理设备的投资约1 380 万元，具有非常可观的经济效益和社会效益。

4 高浓缩倍数下的循环冷却水优化处理方案

循环冷却水处理的目的就是防止或减缓冷却系统设备的腐蚀、微生物生长和结垢等问题。在电厂的循环冷却水系统中，凝汽器管材采用耐腐蚀性很强的不锈钢，而且原水中的Cl-、SO42-含量低，当浓缩倍数为6 时，Cl-含量48 mg/L，基本对设备不会产生腐蚀。因此，循环冷却水处理的主要目的是防止水垢产生，其次是控制微生物生长。

4.1 防结垢处理

每一种水在实际运行条件下，都有一个不结垢的碳酸盐硬度最大值，即极限碳酸盐硬度。极限碳酸盐硬度应通过实验或运行调试来确定，而根据运行经验，极限碳酸盐硬度通常为8～10 mmol/L（以CaCO3计）。

电厂循环冷却水在浓缩倍数为6 的条件下运行，其碳酸盐硬度已接近极限碳酸盐硬度，循环冷却水处理采用单一的投加阻垢剂的方法无法保证系统不结垢，因此考虑采用加酸与加阻垢剂联合处理工艺。这种联合处理工艺，首先是对补充水进行加酸处理，使补充水的碳酸盐硬度降至阻垢剂所能稳定的极限碳酸盐硬度与浓缩倍率的比值，然后再对循环冷却水系统进行阻垢剂稳定处理，阻垢剂可采用单一药剂，也可采用复合配方。这是一种非常经济的处理工艺。

4.1.1 加酸处理

1）加酸处理的原理

加酸处理的目的主要是降低循环冷却水的碳酸盐硬度，其反应原理为：

反应的结果是水中的碳酸盐硬度转变成非碳酸盐硬度，反应中生成的游离CO2，有利于抑制析出碳酸盐水垢，因此加酸后碳酸盐硬度明显降低，低于极限碳酸盐硬度。

加酸处理可以防止碳酸钙水垢并提高浓缩倍数，但是如果加硫酸的量过大，可能引起CaSO4、Mg-SiO3水垢出现,一般推荐：[7]

式中：[Ca2+]——循环水中Ca2+浓度，mg/L；

[SO42-]——循环水中SO42-浓度，mg/L；

[Mg2+]——循环水中Mg2+浓度，mg/L；

[SiO2] ——循环水中SiO2浓度，mg/L。

由于原水中的Ca2+、Mg2+含量均较低，不会出现CaSO4、MgSiO3水垢的风险。

2）加浓硫酸设备

循环水的加酸处理通常采用硫酸，很少采用盐酸，因为硫酸比盐酸便宜，而且盐酸中的Cl-对系统有腐蚀性。

循环冷却水加硫酸的量可通过监测循环水的pH值来控制，一般控制循环水的pH值在7.4～7.8。

加酸的流程为：用卸浓硫酸泵将浓硫酸从槽车送入浓硫酸贮罐，浓硫酸贮罐一般高位布置，利用浓硫酸计量泵将浓硫酸送入循环水泵吸水井或冷却塔水池，工艺简单，运行操作方便。加浓硫酸设备及管道阀门接触介质部分均需耐浓硫酸腐蚀，可采用碳钢或碳钢衬聚四氟材质。

4.1.2 加阻垢剂处理

某些化学药剂只需少量添加到冷却水中，就可以阻止水垢的生成，所用的药剂称为阻垢剂。阻垢剂的加药量一般为2～5 mg/L，一般所能稳定的极限碳酸盐硬度为8～10 mmol/L[8]。

1）阻垢剂的种类

阻垢剂的种类很多，常用的阻垢剂包括聚磷酸盐、有机膦酸、聚羧酸类（如聚丙烯酸、聚马来酸酐等）。

聚磷酸盐和有机膦酸的缺点是增加了水体营养，促进了微生物繁殖；聚羧酸类如聚丙烯酸、聚马来酸酐等无磷聚合物，曾被认为是无毒、污染很小、环境友好型，而近年研究发现：尽管毒性较低，它们一般无法被生物降解或只有很弱的生物可降解性。

20 世纪90 年代，无磷、生物可降解的绿色缓蚀阻垢剂如聚环氧琥珀酸和聚天冬氨酸被广泛研究并得到一定的应用。聚环氧琥珀酸简称PESA，是一种无磷无氮、可生物降解的绿色阻垢剂，PESA 对水中的碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、氟化钙和硅垢有良好的阻垢分散性能，具有一定的缓蚀作用。聚天冬氨酸简称PASP，是一种无磷无毒、无公害、可完全生物降解的绿色阻垢剂，能有效阻止碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙、硫酸钡和氧化铁等结垢的发生[9]。

2）加阻垢剂设备

目前采用的阻垢剂，有固体粉末状，也有液体，液体的有效成分一般为30%～50%，投加阻垢剂时应先将其配制成5%～10%的水溶液，然后投加到水中。阻垢剂加药量一般为2～5 mg/L。

4.2 杀菌灭藻处理

4.2.1 微生物的危害

循环冷却水中的微生物会产生黏泥和导致微生物腐蚀，生物体附着在设备上增加了水阻和热阻，因此微生物的主要危害是降低传热效率，阻塞水道和腐蚀设备。同时水中的细菌、微生物含量较高时，会加速管道及设备的腐蚀速率[7]。

为了控制循环水微生物滋生，电厂采用氧化性杀菌剂及非氧化性杀菌剂相结合来控制循环水微生物。

4.2.2 杀菌剂的投加方式

氧化性杀菌剂采用次氯酸钠，投加量为2 mg/L，每天投加2次，每次持续时间为1 h。循环冷却水游离氯最优控制范围为0.2～0.4 mg/L[8]，采用冲击式投加。

由于生长在冷却水中的微生物种类甚多，同一种药剂对不同微生物的效果可能不同，专用一种杀菌剂往往会使微生物渐渐产生抗药性，为了解决微生物的抗药性，可以交替使用不同的杀菌剂，因此每个月投加一次非氧化性杀菌剂，以保证获得较好的杀菌效果。

4.2.3 杀菌剂加药设备

采用外购杀菌剂的方式，只需设置次氯酸钠贮罐及计量泵，此方案具有系统简单，设备投资少，无需经常维护等优点。

4.3 旁流过滤处理

4.3.1 旁流过滤处理的作用

循环冷却水在循环冷却的过程中由于空气中的灰尘、粉尘等悬浮固体物的带入，使循环水水质不断恶化而超出允许值，尤其是在高浓缩倍数下运行可能会造成循环水中污物量的增加和沉积，沉积的结果是降低设备传热，增加设备腐蚀。为了去除循环水中的污物，降低循环水中微小结晶体的数量，阻止结垢物质长大、沉积，减低微生物的繁殖，减少药品耗量，对部分循环冷却水进行旁流过滤处理，即从循环水系统中引出一部分循环水，用过滤的方法除去其中的悬浮物。

旁流过滤的水量可按1%～5%的循环水量，也可按下式计算：