熔盐塔式光热发电工程化学补给水系统处理工艺优化

马飞云,唐培隆,田志毅

(共和西北水电光热发电有限公司 青海 共和 813000)

1 概 况

中电建青海共和50 MW熔盐塔式光热发电工程(以下简称“共和光热工程”)是带储热的熔盐塔式太阳能发电站。化学补给水系统原水水源为工程所在地塔拉滩地下水(井深约300 m)。每口井的出水量约36 m3/h，化学补给水处理共2套系统，每套系统处理能力为10 m3/h，系统由2台超滤装置，2套一级反渗透装置，2套二级反渗透装置，2套电除盐装置(EDI)组成，采用并联方式运行，每套设备也能单独运行。设备运行的工艺流程为：地下井水(共有3眼井)由深井泵、管路进入工业水池，在工业水池中进行初步自然沉降澄清，然后由化学超滤提升泵提升压力后直接进入超滤装置进行过滤，超滤产水依次通过反渗透系统和EDI系统将水中的盐类物质除去，合格的除盐水进入除盐水箱后，由除盐水泵供至机房和各用水点[5],补给水处理工艺详见图1。另外，系统自清洗过滤器排水、超滤反洗排水、一级反渗透(RO)排放的浓水，收集至工业废水池，送至工业废水处理系统进行处理，回收至超滤水箱循环利用。为最大限度的节水，二级反渗透浓水和EDI装置浓水均接至超滤水箱回收利用[1]。

1.1 补给水处理系统运行情况

共和光热工程补给水系统于2019年6月22日正式进入全面调试阶段，调试超滤系统过程中发现原水水质差，运行一段时间后，超滤进口流量计内壁上沉积有土黄色的附着物，超滤反洗时，水质浑浊，说明超滤膜表面堆积的杂质较多。超滤系统运行周期缩短，由2 400 s下降至1 500 s，导致反洗频繁，反洗用水量多，产水流量减少，同时发现超滤装置的进出口压差上升较快，超滤膜化学清洗周期明显缩短。

7月3日，反渗透系统进入试运行阶段，7月26日发现1号反渗透系统在正常制水过程中，一级反渗透出水电导率有明显的上升趋势，由20 μs/cm缓慢上升至46 μs/cm，持续运行1个小时后电导率突然上升至200 μs/cm，具体数据见表1。

表1 1号反渗透系统运行数据 /(μs·cm-1)

从表1数据看出，一级反渗透产水电导率有明显上升趋势，经检查，确认一级反渗透系统膜组件存在结垢问题，停运1号反渗透系统对其进行了化学清洗。化学清洗后投运，反渗透系统出水电导率指标恢复正常。

对于超滤系统和反渗透系统在投运后短期内出现的运行周期短、膜结垢等问题，参考同行业、国内同类水处理设备实际运行状况，需要进一步分析并采取措施。

1.2 超滤系统概况

共和光热工程化学补给水处理系统中，超滤装置膜组件采用陶氏中空纤维压力式膜组件，有效面积为77平方米。超滤膜的材质采用聚偏氟乙烯(PVDF)，聚偏氟乙烯膜有良好的耐热性、耐腐蚀性。在运行中，超滤系统进水要求符合下表(详见下表)，经超滤膜后，出水指标要求达到浊度≤0.2NTU、淤泥密度指数SDI≤3.0，然后供反渗透RO系统进一步深度除盐。

表2 超滤膜进水水质要求

塔拉滩地下水浊度和色度超标，水中有较大的鱼腥气味。目测水表面有油类状物质，地下水浊度是超滤膜进水要求的4倍。超滤膜虽然对于浊度含量高的水质有绝对的去除作用，但浊度含量高，对中空纤维超滤膜的危害是极为严重，特别是胶体粒子带有电荷，是物质分子和离子的聚合体，所以胶体能在水中稳定存在，该胶体物质一旦粘附在膜表面，反洗很难清除。当水中浊度高，化学反洗频繁，反洗强度和时间如果没掌握到位时，膜就会被水中的微小颗粒和胶体堵塞，引起水流阻力上升，产水量下降和污物漏泄量增加。必要时要进行化学清洗才能恢复过滤能力，但是化学清洗时酸碱清洗剂对超滤膜有氧化和降低中空纤维膜丝机械强度的危害，从而影响超滤膜的使用寿命。

1.3 反渗透系统概况

反渗透膜材质和设备运行方式共和光热工程反渗透系统由两级反渗透(RO)组成，一级主要用于去除水中各种溶解固形物即盐份。二级反渗透主要用于进一步去除水中各种溶解固形物即盐份。反渗透组件采用涡卷式芳香族聚酰胺陶氏复合膜，一级RO为2套出力2×12 m3/h的复合膜装置，其排列方式是一级二段(2∶1)，共30(根/套)膜元件，回收率是75%。二级RO为2套出力2×11 m3/h的复合膜装置，其排列方式是一级二段(2∶1)，共24根/套膜元件，回收率是90%。一级反渗透的二段浓水排到地沟，二级反渗透的二段浓水排到超滤水箱。芳香族聚酰胺陶氏复合膜是从大量的高分子材料中筛选出，适用的PH范围可以放宽到2～11，但对水中的游离氯和铁含量很敏感，对膜造成一定的影响。此膜对进水水质也有严格的要求，详见表3。

表3 反渗透进水水质要求

1.4 塔拉滩地下水水质情况

塔拉滩地下水主要指标情况(详见表4)，水中铁含量和锰含量超标。

表4 塔拉滩地下水水质情况

2 水处理工艺分析与优化

化学补给水系统原水水源为项目所在地塔拉滩地下水(井深约300 m)，根据水质分析报告和水处理设备运行实际状况，现有的水处理工艺不能满足补给水处理系统稳定运行制出合格除盐水的要求，需要对现有的化学水处理工艺进行优化，增设原水预处理装置，满足超滤进水水质达到浊度NTU≤5 NTU,铁小于0.3 mg/L、锰小于0.1 mg/L的要求。

2.1 地下水水质分析

如表3所示，塔拉滩地下水水质与超滤、反渗透进水指标进行了分析对比，发现浊度、铁和锰指标含量高，严重超标，尤其是铁含量是反渗透进水水质要求的14倍。地下水中如果铁、锰含量超标，到了地面后由于接触空气中的氧，水质会变色，甚至变成茶色，出水色度增大，并且伴有腥臭味水质特点。

2.2 原水预处理方式选择

2.2.1仅进行水的沉淀处理形式

水的沉淀处理是向原水中投加化学药剂，使该药剂与水中的结垢性离子进行化学反应，生成难溶的化合物，从水中析出，使水中悬浮固体的含量可降至20 mg/L以下。目前水的沉淀主要采用沉淀池，它结构简单、运行可靠，对水质适应性强，其中使用最多和最成熟的就是斜管沉淀池，该沉淀池是一种在沉淀池内设置许多直径较小的平行倾斜管的一种装置。

2.2.2进行水的过滤处理形式

水的过滤处理是水通过滤料或过滤介质(常用的滤料有石英砂、无烟煤、活性炭、塑料球等)，将水中的悬浮固体截留，水质进一步澄清，过滤处理后的水，悬浮固体的含量可降至2～5 mg/L,甚至更低，而且水中的有机物、硅化合物、细菌甚至病毒也有不同程度的降低。但是仅设置水的过滤只适合水中悬浮杂质含量较低的水质，否则，设备的反洗工作就会很频繁。

2.2.3水的沉淀+过滤联合处理形式

由于共和光热工程是带储热的熔盐塔式太阳能发电站，其利用定日镜将光线发射到位于塔顶的吸热器上，通过加热内部的二元熔盐介质，将太阳能热通过高温熔盐储存于储热系统，然后通过管道输送与蒸汽发生器系统进行热交换，产生高压过热蒸汽推动汽轮发电机组发电，而除盐水作为发电介质，水质的好坏至关重要，一旦水质出现超标，很容易在热力管道和汽轮机叶片上发生结垢和积盐情况，影响机组经济安全运行。

共和光热工程补给水处理系统采用超滤+反渗透+EDI处理方式，其中超滤和反渗透膜对进水水质要求较高，单纯的沉淀处理方式和过滤处理方式不能更好的满足水处理系统的进水要求，不易直接进入后续的水处理系统。只有将原井水经过初步沉淀澄清处理后，除去大部分悬浮杂质，然后经过进一步过滤处理，将水中浊度降至5 mg/L以下，铁含量小于0.3 mg/L，锰含量小于0.1 mg/L,甚至更低，为后续的水处理设备提供水质保证。

经过论证，结合实际，共和光热工程补给水处理系统预处理最终选定水的沉淀+过滤联合处理形式。

2.3 预处理设备选型

2.3.1分体式设备

水的沉淀和过滤设备分体设置，但是这种分体设备虽然设备简单，但是占地面积较大。适合现场空间充足的场合和水处理量较大的场所。

2.3.2一体式处理设备

水的沉淀和处理组合在一套设备中，虽然操作相对复杂，但占地面积较小，适合现场空间较小的场合。由于，共和光热工程最初的设计没有考虑预处理设备，现场空间较小，分体式设备安装不具备条件，另外，补给水处理系统共有2套。单套设备设计用水量为30 m3/h,水处理量较小，适合安装一体化处理设备。在一体化水处理设备中，从经济性考虑采用目前应用最广泛的设备六角蜂窝斜管沉淀过滤和石英砂过滤联合处理的一体化净水器。

3 预处理设备安装与调试

3.1 预处理系统一体化净水设备

净化设备主体由调节水箱(体积30 m3)+2套一体化净水器组成，每套处理能力30 m3/h,可以单独运行，也可以并列运行[4]。2019年7月20日至9月20日，在共和光热工程现场进行了安装调试，实现全自动运行。原水预处理系统产生的废水收集到工业水池，经工业废水处理系统处理回收再利用，实现零排放。

3.2 预处理系统出水水质情况

从出水指标分析，浊度、铁、锰出水指标满足超滤系统的进水水质要求。

表5 预处理系统出水水质统计表

4 效果检查

为了进一步论证补给水系统优化前、后的效果，通过水质分析进行对比。补给水系统处理工艺优化前后主要水质指标见表6。

表6 补给水系统处理工艺优化前后主要水质指标

从表6可以看出，水处理工艺优化后，原水中的胶体铁含量、浊度大大降低，其中铁含量从原来最高1.21 mg/L降低为现在的0.18 mg/L，降低了约9倍，浊度由最高的20.2NTU降低到2.6NTU,降低了约8倍，浊度和铁含量满足了超滤系统和反渗透系统进水的标准，为延长超滤膜、反渗透膜、EDI系统的使用寿命提供了保证。

5 经济效益

5.1 直接经济效益

化学补给水系统处理工艺优化后，补给水后续处理的超滤、反渗透和EDI设备的处理负担明显降低，运行周期变长，避免了由于膜受污染后，导致运行寿命减少。(一般超滤、反渗透膜的正常运行寿命为3 a，化学清洗6—12月进行一次，膜在服役期间化学清洗次数最多不要超过10次)。但是共和光热工程补给水处理工艺未优化前化学清洗每月进行一次，按此清洗频次，反渗透和超滤膜运行1 a就需要更换1次，更换费用约41.2560万元。费用如下：

超滤膜共计8根，每根17 550元，合计 140 400元；反渗透膜共计54根，每根5 040元，合计41.2560万元。按照运行3 a计算，每月超滤膜和反渗透膜折损费用1.146万元，1 a共13.752万元。若不增加预处理设施，每年更换1次膜组件，费用合计41.2560万元。

综上所述，每年可节约直接费用27.504万元。

5.2 间接效益

共和光热工程所在地属干旱地区，水资源相对匮乏，发电用水量主要由化学补给水处理系统制备，如果化学水处理工艺未优化，需要加强对超滤、反渗透系统的化学清洗，清洗产生的废水需要进一步无害化处理，会消耗大宗材料药品，增加运行成本。水处理系统优化后，即保证了系统出水的质量，又避免水资源浪费、减轻了劳动工作量，减少了周边环境污染。

6 结 语

通过分析论证，中电建青海共和50 MW熔盐塔式光热发电工程补给水处理系统优化后，补给水处理超滤、反渗透系统运行稳定，保质保量供给主机合格除盐水，节约了发电成本，取得了良好的安全、经济、社会效益。