调相机除盐水系统设计问题分析与改进建议

2022-08-31程一杰年长春

工业水处理 2022年8期

程一杰，厚谞，沈阳，年长春

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，浙江杭州 310012；3.国网浙江省电力有限公司检修分公司，浙江杭州 311232）

双水内冷调相机是目前广泛应用的大型调相机，即定子绕组和转子绕组均采用水冷却。为保证调相机的安全运行，冷却水必须具有足够的绝缘性能，一般采用除盐水作为冷却介质。随着水处理技术的发展与成熟，国内调相机除盐水系统均采用全膜法水处理工艺，具有无需酸碱再生、操作简单、出水水质稳定等优点〔1−2〕。

国内首批建设的大型调相机除盐水系统在设计中存在一些问题：（1）除盐水系统来水不稳定；（2）超滤装置与反渗透装置的流量不匹配；（3）除盐水泵没有互为备用；（4）反渗透加碱效果不满足要求；（5）转子冷却水补水加碱无必要。针对上述问题，笔者对国内某调相机工程的除盐水系统进行深入分析，对除盐水系统的设计提出改进建议，以期为同类型调相机除盐水系统的设计和改造提供一定参考。

1 系统简介

调相机工程的除盐水系统水源一般为市政自来水，系统采用全膜法水处理工艺，其工艺流程为超滤+一级反渗透+二级反渗透+EDI，还包括完整的反洗、加药、化学清洗等辅助系统〔3−4〕。系统工艺流程如图1所示。

图1 除盐水系统工艺流程Fig.1 Process of desalinated water system

该系统中的超滤装置、一级反渗透装置、二级反渗透装置、EDI 装置均采用一对一运行方式，无备用。所有水泵、加药泵及参与控制的仪表均为1 用1 备。系统设计产水流量为6.0 m3/h，产水电导率<0.10 μS/cm（25 ℃）。除盐水系统各装置的性能如表1 所示〔5−6〕。

表1 除盐水系统各装置的性能指标Table 1 Performance of each device in demineralized water system

2 问题分析与改进建议

2.1 来水稳定性不足

除盐水系统由市政自来水供水，与外冷水系统补水共用来水管道。为防止市政自来水供水压力低，另设计有工业水池作为备用水源，可补水至外冷水系统。调相机供水流程如图2 所示。

图2 调相机供水流程Fig.2 Water supply process of synchronous condenser

因除盐水系统侧压力高于外冷水系统缓冲水池侧的压力，当外冷水系统补水或市政自来水供水压力较低时，无法对除盐水系统进行补水，严重影响调相机组运行的稳定性〔7〕。此外，市政自来水供水稳定时，工业水池和工业水泵长期处于停运状态，会影响工业水池的水质和工业水泵的使用寿命。

为提高除盐水系统的来水稳定性，并保证工业水池和工业水泵的有效使用，提出以下设计改进建议：（1）取消市政自来水至外冷水系统供水管道，由工业水池直接对外冷水系统进行供水。除盐水系统侧压力低于工业水池侧压力，即使工业水池和除盐水系统同时补水，市政自来水也会优先供水至除盐水系统，杜绝出现因外冷水补水而导致的除盐水系统无法补水问题。此外，保证工业水池和工业水泵的正常使用，提升设备使用寿命。（2）增加由工业水池至除盐水系统的供水管道，将工业水池水源作为除盐水系统的备用水源，当市政自来水压力低时，可由工业水池对除盐水系统进行补水。改进后的调相机供水流程如图3 所示。

图3 改进后的调相机供水流程Fig.3 Modified water supply process of synchronous condenser

2.2 超滤装置与反渗透装置流量不匹配

设计除盐水系统时，考虑转子冷却水回水至超滤水箱流量（2 台机组，共5.0 m3/h），设计超滤装置来水流量为3.5 m3/h，一级反渗透进水流量为9.8 m3/h。此时超滤水箱的进出流量基本处于平衡状态。超滤水箱的水量平衡情况如图4 所示。

图4 超滤水箱的水量平衡Fig.4 Water balance of ultrafiltration water tank

调相机运行过程中转子冷却水无回水至超滤水箱，使得超滤产水箱的进出流量不匹配，且超滤水箱容积为3.0 m3，导致制水时超滤水箱液位下降过快；反渗透装置单次运行时间约为9~12 min，装置在制水周期内会启停2~3 次，对反渗透装置的制水能力、产水品质及使用寿命造成不利影响〔6−7〕。

为使超滤装置与反渗透装置的流量相匹配，提出以下修改建议：（1）更换超滤膜组件，提升超滤装置来水量至9.0~10.0 m3/h，使超滤水箱的进出口流量相匹配。（2）更换原水泵和超滤反洗水泵，提升原水泵、超滤反洗水泵的额定流量分别为9.0~10.0、36.0~40.0 m3/h。（3）增加转子冷却水回水直接排放至排水地沟的管道，满足转子冷却水在水质恶化的极端情况下的排放要求。

2.3 除盐水泵没有互为备用

除盐水泵将合格除盐水由除盐水箱输送至定子水系统和转子水系统，以满足调相机内冷水补水需求。原设计中除盐水泵出口联通阀门为常闭阀门，设定除盐水泵运行方式：除盐水泵A 泵为1#、2#机的定子冷却水系统补水，除盐水泵B 为1#、2#机的转子冷却水系统补水，若某台除盐水泵出现故障时，开启除盐水泵出口联通门。内冷水系统补水流程如图5 所示。

图5 内冷水系统补水流程Fig.5 Filling water process of internal cooling water system

除盐水泵采用上述运行方式时，2 台除盐水泵无法互为备用，对设备的稳定性要求高；当某台除盐水泵出现故障，会导致定子冷却水或转子冷却水无法及时补水，存在因断水而导致调相机跳机的风险〔8〕。

定子冷却水系统为密闭式系统，补水量极小；转子冷却水系统正常运行时单日补水量约为1.5 m3，单台除盐水泵完全能够满足同时为定子冷却水和转子冷却水补水的要求。建议将除盐水泵出口联通门设计更改为常开状态，同时优化除盐水泵逻辑。当除盐水泵主泵运行出现故障时，自动切换至备用泵运行，满足除盐水泵互为备用的要求，提升调相机组供水的可靠性。国网金华、鄱阳湖公司的调相机在除盐水系统调试期间按该建议进行整改，目前除盐水泵运行正常，满足互为备用的要求。

2.4 反渗透加药效果不满足要求

因一级反渗透产水呈酸性，易产生二氧化碳气体，投加NaOH 调整二级反渗透进水的pH 处于8.0~9.0 范围内，使进水中的二氧化碳形成碳酸盐，以提高二级反渗透膜的脱盐率〔9〕。反渗透加碱工艺如图6 所示。

图6 反渗透加碱工艺Fig.6 Adding alkali process of reverse osmosis

在反渗透装置启动和停运时，二级反渗透入口流量先减小后增加再逐渐稳定，而二级反渗透进水加碱计量泵无变频调节功能，使得二级反渗透入口pH 呈先增大后减小再稳定的趋势。二级反渗透入口pH 变化曲线如图7 所示，可见该变化不利于二级反渗透膜的使用寿命和产水电导率的稳定〔10〕。

图7 二级反渗透入口pH 的变化曲线Fig. 7 Change curve of inlet pH of secondary reverse osmosis

为控制二级反渗透进水pH 稳定在8.0~9.0，保证反渗透系统的产水水质和使用寿命，提出设计修改建议：（1）将二级反渗透进水加碱计量泵优化为变频泵，并设计自动加药程序。加碱计量泵的频率可根据进水流量自动调节，保证反渗透启动和停运时pH 的稳定。（2）降低反渗透投加NaOH 溶液的浓度，提升加药量对pH 调节的缓冲能力，降低反渗透启动和停运阶段的波动幅度。

2.5 转子冷却水补水加碱非必要

除盐水泵将除盐水输送至转冷水箱完成转子冷却水的补水。在转子冷却水补水管道中设有加碱管，投加分析纯NaOH，配制质量分数为1%，控制补水pH 在8~9。为监控转子冷却水补水的pH 及电导率，在除盐水泵至转子冷却水系统出水管处配置有pH 计和电导率表。但在转子冷却水实际补水过程中，因单次补水量仅为0.5 m3左右，补水时间较短且加药管道较长，补水pH 极难控制。同时，配置的pH计和电导率表常处于干燥状态，仪表维护困难，电极易失效。

鉴于转子冷却水膜净化碱化装置带有加碱功能，可有效调节转冷水pH 至7~9。而转子冷却水单次补水量为0.5 m3，补充的除盐水pH 约为6.0，直接补充未加碱的除盐水不会对转冷水的pH 造成影响。因此无需配置转冷水补水加碱装置和在线化学仪表，且目前调相机的转子冷却水补水加碱装置也处于未投运状态。建议在新建调相机站设计中，取消转子冷却水补水加碱装置及配套检测的在线化学仪表，有效降低设备成本及运维成本。