不稳定补充水质循环水高浓缩倍率的控制

仲继克，李德峰

（华电渠东发电有限公司，河南 新乡 453000）

0 引言

华电渠东发电有限公司（以下简称渠东电厂）2×330 MW燃煤供热机组循环冷却水（以下简称循环水）系统配备敞开式自然通风、双曲线冷却塔，采用贾屯污水处理厂的中水和贾太湖蓄水池的黄河水两种水源，经渠东电厂再次处理后同时用作补水。

贾太湖黄河水水质相对较好，而贾屯污水处理厂主要接纳周边的化工厂、造纸厂及制药厂废水等工业废水，中水虽经混凝、澄清处理，但水质仍然很差且不稳定。受多种因素的共同影响，渠东电厂循环水补充水水质长期存在问题，导致无法按照浓缩倍率的常规调节方法控制循环水水质，给循环冷却系统的安全稳定运行带来不利影响。

1 循环水补充水水质不稳定原因

1.1 补充水和循环水水质状况

以2020-03-02—06为例，补水和循环水水质监测数据如表1所示，循环水补充水Cl-质量浓度曲线见图1。

从表1中数据可以看出，循环水补充水含盐量、Cl-及SO42-质量浓度、总硬度和钙硬度均较高，循环水补充水水质不稳定。如果控制不好，这种较差的水质会对循环水系统造成腐蚀和结垢等危害。

表1 补水和循环水水质监测数据

1.2 水质不稳定原因

渠东电厂循环水补水处理流程如图2所示。

图2 循环水补水处理流程

贾屯污水处理厂来的中水经2号澄清池进行石灰、聚合硫酸铁混凝、澄清和变孔隙滤池过滤处理后，补充到循环水水塔中；贾太湖的黄河水经3号澄清池和变孔隙滤池过滤后补到循环水水塔中。循环水补充水水质不稳定的原因有：

（1）循环水补充水水源不单一。

（2）虽然贾太湖黄河水在短时间内水质变化幅度相对不大，但贾屯污水处理厂来的中水水质各项指标波动较大。

（3）两种补充水源来水的掺混比例不稳定，经常需根据实际情况进行调节。

2 循环水水质的控制与动态模拟试验

通常将循环水含盐量与补充水含盐量的比值称作浓缩倍率[2]，是衡量循环水水质控制优劣的一个重要综合指标[5]。浓缩倍率低，耗水量、排污量大，水处理药剂的效能得不到充分发挥。提高循环水的浓缩倍率，可以降低补充水的使用量，不但节水还可以降低水处理剂的消耗量[1]，从而降低水处理成本。但浓缩倍率过高，循环水的结垢倾向也会增加，还会使循环水中的各种离子（例如Cl-、SO42-）和腐蚀性物质（例如H2S、SO2和NH3）的含量增加，提高了腐蚀抑制难度；过多地提高浓缩倍率还会使药剂（例如聚磷酸盐）因在冷却水系统内停留时间过长而水解[1]，因此需要将循环水的浓缩倍率控制在合理范围内。由于各电厂补充水水质及循环水运行情况存在很大差异，需要根据具体情况有针对性地制订循环水浓缩倍率的控制策略。

2.1 控制参数的选择

实际工作中，浓缩倍率N通常按式（1）来计算[2]：

式中：S循为循环水中Cl-的质量浓度，mg/L；S补为补水中Cl-的质量浓度，mg/L。

若补充水水质不稳定、Cl-质量浓度波动较大，仍以Cl-计算浓缩倍率不再合适，其他离子也一样。由于采用单一指标来控制浓缩倍率无法达到预期效果，需要综合考虑循环水的多项指标，经过专项试验，并结合国家有关标准及实际运行经验等合理确定控制参数和指标控制范围。

2.2 水质控制的主要影响因素

2.2.1 系统腐蚀

在控制循环水浓缩倍率的同时，还要兼顾补水和循环水中电导率、pH值、钙硬度、碱度、Cl-和SO42-质量浓度等各项水质指标[6]。Cl-是水中最常见的阴离子，也是引起水质腐蚀性的催化剂，能强烈推动和促进金属表面电子的交换反应，尤其是水系统中的不锈钢材料，Cl-的富集会加速其电化学腐蚀过程。SO42-也是较普遍存在于水中的阴离子，可与阳离子Ca2+等生成硫酸盐沉淀而引起结垢；其同时也是水中硫酸盐还原菌的营养源，大量SO42-的存在会对循环水系统中水泥建筑等造成腐蚀。GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》中规定，Cl-质量浓度+SO42-质量浓度＜2500 mg/L[3]。

渠东电厂凝汽器不锈钢管材质是TP317，Cl-质量浓度耐受力＜5 g/L[4]。目前，渠东电厂循环水中Cl-质量浓度较高、SO42-质量浓度非常高，因此电厂循环水的控制重点是防止腐蚀的发生。

2.2.2 系统结垢和积盐

天然水分类中，将硬度大于9.0 mmol/L的水称为极硬水，盐质量浓度大于1000 mg/L的水称为高含盐量水[1]。据此判断，渠东电厂补充水属于极硬水和高含盐量水，因此防止系统结垢和积盐也是渠东电厂循环水控制的重点。

2.3 循环水动态模拟试验

黄河水和中水配比不固定导致补充水水质不稳定，从经济性和安全性角度考虑，选择最常用的配比（1∶1）进行动态模拟试验，兼顾渠东电厂所用的缓蚀阻垢剂、杀菌剂、凝汽器管材质及循环水水质等相关参数[9]，制订了动态模拟试验方案，并于2018年开展了动态模拟试验。

2.3.1 循环水杀菌试验

循环水系统是一个特殊的生态环境，冷却塔的水温常年保持在25~40℃，供氧充足，溶解氧可达到饱和，这些都有利于细菌、微生物的生长。为了防止微生物对管材的腐蚀，开展了杀菌试验，以确定杀菌灭藻剂的最优加入方式和加入量。

2.3.2 凝汽器管防腐试验

根据循环水补水水质情况和凝汽器管的材质，进行静态腐蚀试验和动态腐蚀试验[6]，测定所用水质稳定剂对管材的腐蚀速率。

2.3.3 动态模拟试验

根据黄河水和中水的水源配比（1∶1）进行动态模拟试验。动态模拟试验能够更好地模拟现场运行情况，提供实际的循环水现场运行参数，如浓缩倍率、极限碳酸盐硬度等运行控制指标。动态模拟试验依据DL/T 300—2011《火电厂凝汽器管防腐防垢导则》[5]和HG/T 2160—2008《冷却水动态模拟实验方法》[6]进行，但HG/T 2160—2008中采用的“循环水碱度浓缩倍数与循环水浓缩倍数的差值大于0.2时的硬度即为极限碳酸盐硬度”的判断方法已不能较好地适应本试验的要求，本试验需要重点关注试验过程中换热管壁是否存在明显的结垢[7]。动态模拟试验确定的循环水浓缩倍率、碱度、Cl-质量浓度等现场运行参数控制指标参考值如表2所示。

表2 循环水运行参数控制指标参考值

动态模拟试验结果：

（1）缓蚀阻垢剂质量浓度在8 mg/L时，可使循环水浓缩倍率达到4.51倍。

（2）加入杀菌剂（有效含量为90%，质量浓度为50 mg/L）的同时，定期配合加入非氧化杀菌剂（如1227杀菌剂，有效含量44%，质量浓度50 mg/L），可以将循环水微生物控制在较低水平。

（3）腐蚀试验中，TP317不锈钢试环未见明显腐蚀情况，腐蚀速率符合GB/T 50050—2017中的相关要求。

3 控制指标优化

3.1 第一次优化

参照循环水动态模拟试验结果，结合循环冷却水处理设计规范及前期循环水运行调控经验等，对循环水控制指标进行了第一次优化，确定的循环水控制指标（2018—2019年）如表3所示。

表3 循环水控制指标（2018—2019年）

按照优化后的控制指标运行半年多后，2019夏季机组检修期间对凝汽器进行了全面检查，检查结果未见异常，循环水系统状况正常。

3.2 第二次优化

结合历年循环水控制情况，以及机组检修时对凝汽器水侧等设备的检测结果，为了减少加酸量以降低循环水中的SO42-质量浓度，减缓循环水系统中碳钢和水泥设施等的腐蚀速率，2019年末对循环水控制指标进行了第二次优化调整（结果见表4），主要将全碱度值由8 mmol/L提升到了12 mmol/L，钙硬度由18 mmol/L提升到了22 mmol/L。

表4 循环水控制指标第二次优化结果1）

实际运行中调控水质时，可灵活掌握指标要求，满足“钙硬度+碱度（Ca2+质量浓度+碱度甲基橙）≤30 mmol/L”即可。按照第二次优化确定的循环水控制指标运行近1年后，2020年夏季机组检修期间对凝汽器进行了全面检查，系统及设备状况良好，凝汽器不锈钢管检查情况如图3所示。

图3 凝汽器不锈钢管状况

4 结语

循环水补充水水质不稳定情况下，无法按照浓缩倍率的常规控制方法来调节循环水水质。本文通过优化试验，确定了循环水水质的主要控制指标，能够使循环水浓缩倍率保持在较高水平且保证循环水水质稳定、良好，解决了渠东电厂不稳定补充水质导致的循环水水质问题，保障了循环水系统的安全稳定运行，为电厂的节能减排工作做出了贡献。