电磁技术在电厂机组中的应用与节能效果分析

沈志昌，杨凯，郑国，张义邴，曹京凯

(1. 上海万森低碳科技有限公司，上海 200444，2. 湛江电力有限公司，广东 湛江 524000；3. 上海大学 理学院物理系，上海 200444)

2020年9月，中国向世界郑重宣布“双碳”目标，实现“双碳”目标是一场广泛而深刻的变革，而这个变革的前沿阵地是电力行业。当前电力行业二氧化碳排放约占中国能源活动二氧化碳排放的40%[1]，中国能源结构决定了以煤为主的电力结构在较长时间内不会改变[2]，火力发电厂的发电量占我国电力装机容量的78%以上[3]，供电煤耗的降低具有重要的现实意义，也是目前火力发电企业摆脱亏损局面的最佳途径。

1980—2018年，我国供电标准煤耗从448 g/kWh下降到307 g/kWh。供电煤耗从早期的明显下降过渡到近十余年的缓慢降低后，已逐渐显现出逼近能力极限的趋势。截至2020年底，全国供电煤耗为306.66g/kWh，依靠传统技改达到国家发展改革委和能源局目标(到2025年全国火电平均供电煤耗降至300 g/kWh以下)越来越困难。

最近，利用磁化水处理技术进行阻垢除垢[4-5]，从而达到提升热交换效率并降低能耗的研究引起了人们的关注。早在1873年，Hay发明了第一个电磁场水处理装置[6]。20世纪中叶，比利时人T. Vermeiren开始将磁化水处理应用到锅炉中，减少了锅炉中水垢的生成，随后世界各国陆续开展了磁处理技术的研究和应用。至今为止，磁化水处理技术对阻垢除垢及热工领域节能的机理还不是很明确，但磁场作用下水分子团的细化普遍被业内接受。戎鑫等[7]认为磁场对水分子的作用主要表现在磁场使得水分子团内的氢键断裂形成数量更多的较小的水分子团，水分子活性增加，从而影响水的蒸发率。Donaldson[8]在研究碳酸钙溶液蒸发沉淀过程中发现，磁处理使得方解石和文石在成垢物质中的比例由无磁场时的80∶20转变为20∶80。刘卫国[9]在上海石化实际应用中也证实了该结果。文石粘附性小，因很难附着在管壁上而被水流带走。

在电厂锅炉生产中，因水垢的导热性远低于钢材(仅为传热钢材的数十分之一以上[10])，电磁水处理对热交换器钢材管道内阻垢除垢的直接结果相比无电磁水处理时的热交换性能得到了提高，外加电磁场对水分子团的细化使得水分子活性增强，提高蒸发率，同等发电供电所需煤耗减少，可显著降低供电煤耗。霍耀东[11]将高频电磁场技术应用至汉川电厂，6个月后，积垢由原来的80 mm减少至37 mm。张伟[12]应用电子除垢仪运行1年，割管实验证实总计减少相当于管内壁堆积厚度0.25 mm的积垢，减少燃料损失2%，保守估计节煤约1.5%。

综上所述，水的磁处理研究显示了阻垢除垢的明显效果，通过阻垢除垢进而提高热交换效率和减少流体阻力，从而达到节能降耗目的。但是对于电磁场的形式(直流、交流)和场能大小的配置，还处于探索阶段，而且火电厂锅炉用汽水系统是一个高温水汽系统，机组的给水温度超过270 ℃，主蒸汽温度超过530 ℃，因此探寻高温状态下的水汽电磁处理与节能效果，对于降低火电行业供电煤耗有着重大意义。本文利用交变电磁处理技术与装置，安装应用于火电厂锅炉用汽水系统，通过性能试验和水冷壁割管试验，分析节能效果，以获得一种新的节能降耗途径。

1 电磁水处理技术

电磁水处理属于物理水处理，将电场、磁场、电磁场作用于水流体及其中的离子或其他粒子，从而达到除垢、阻垢、缓蚀、提升活性等目的。相比化学水处理，具备安全、环保、操作方便、维护成本低等优势而被长期重视和广泛研究。电磁水处理方法主要有静电场、静磁场、交变电磁场等，静电场装置复杂，作用距离效果不明显，静磁场对工业用水来说需要安装笨重的永磁体或电磁体，发展空间受限。因此，当前最受关注的是交变电磁场水处理技术，被公认为是效果最好和最具发展潜力的方法。本文将随机脉冲序列的交变电磁场技术[13]应用在宝钢湛江钢铁渣处理的浊循环水系统中，经过7个月时间，将40 mm厚的水垢彻底软化、剥落。图1为引入交变电磁技术前后结垢管道垢层图，其中(a)图为处理前原貌，垢样坚硬、厚实，垢层厚度达40 mm；(b)图为安装运行随机脉冲序列的交变电磁场装置7个月后的垢样图，水垢已大量脱落，未脱落的垢样也变得酥松，极易冲刷清除。

图1 交变电磁技术处理前后的结垢管道垢层 Fig.1 Scale layer in a water pipe before and after alternating electromagnetic treatment

工业循环水系统的交变电磁场技术主要有：螺线管线圈缠绕管道方式，如图2 (a)所示；磁芯环扣管道方式，如图2 (b)所示。

图2 交变电磁场处理装置的管道安装示意图Fig.2 Two pipe installation modes of alternating electromagnetic water treatment device

螺线管线圈缠绕管道方式产生磁力线的方向与水流方向平行，磁芯环扣管道方式产生磁力线的方向与管道轴线(水流方向)垂直。相对来说，磁力线垂直于管道方向对磁处理更有利[14]，环绕磁力线的交变电场作用于极性水分子，受作用的极性水分子可以将获得的电磁能随水流传播很远，作用效果明显得到加强。

本文中的电磁水处理技术即采用磁芯环扣管道方式，应用了随机脉冲序列交变场技术，交变电磁场时空中的场矢量由各场源及其在空间中的传播和叠加所决定，特定幅频属性的交变场直接影响物质分子的微观运动和状态，且作用效果随着时空变化率的增加而增加。将该交变场安装到火力电厂锅炉用汽水系统中，利用交变场的阻垢除垢效应提升管壁的热传导、水分子团的细化增强热交换效率、极性水分子附加场能等方式有效降低汽化潜热，从而达到节能降耗的目的。

2 交变电磁水处理技术在火电厂锅炉用汽水系统的应用

火力发电厂的锅炉用汽水系统流程如下：凝汽器热井的凝结水经过凝结水泵升压后进入精处理系统，再经过低压加热器加热、除氧器除氧，给水泵将预加热除氧后的水送至高压加热器、省煤器加热后进入汽包，经下降管到联箱，进入锅炉内的水冷壁，通过过热器将水加热为过热蒸汽，送至汽轮机作功，最后排入凝汽器并被冷却水冷却，凝结成水，这样周而复始循环。火电厂锅炉用汽水系统及其交变电磁水处理装置在火电厂锅炉用汽水系统上的安装点位如图3所示。

图3 交变电磁水处理装置在火电机组上的安装点位Fig.3 Installation positions of alternating electromagnetic water treatment device on the thermal power unit

交变电磁水处理装置安装点包括：

a)安装点a。安装在下降管管道上，目的是：①对锅炉内水冷壁进行除垢阻垢，提升管壁的热传导；②交变场可以细化水分子团从而增强热交换效率；③经电场极化后的水分子可以有效降低汽化潜热。

b)安装点b。安装在省煤器之前的给水母管管道上，对省煤器进行除垢阻垢。

c)安装点c。安装在凝结水泵之后、低压加热器之前的管道上，对低压加热器和高压加热器进行除垢阻垢。

交变电磁水处理装置安装简便，实行腕表式安装，无需机组停运，不拆卸管道，不接触水，不受管道材质限制，不受水的流速与压力影响，不改变水的化学组分。

3 应用案例与节能效果分析

a)案例1。 湛江电力有限公司4号机组330 MW机组锅炉用汽水系统。

湛江电力有限公司4号机组为东方电气集团公司设计、制造的330 MW亚临界中间再热凝汽式机组，锅炉为DG1077/18.2—Ⅱ(3)型亚临界压力、中间再热、自然循环单炉膛、全悬吊露天布置、平衡通风、燃煤汽包炉，汽轮机为N330-16.67/537/537型亚临界中间再热、两缸两排汽、凝汽式汽轮机，发电机型号为QFSN-330-2-20。

2020年7月10日，湛江电力有限公司在4号机组A修结束后，进行了第1次机组性能试验；2020年7月15日正式投运了2套交变电磁水处理装置，分别应用在凝结水泵之后低压加热器之前的管道上和进入省煤器之前的给水母管管道上，交变电磁水处理装置投运期间，机组锅炉用汽水系统不做任何大的维修。投运1年后对交变电磁水处理装置的节能效果进行了第2次机组专项性能试验，本次试验共安装了包括温度、压力、流量在内的45个测点，所有仪器均每年1次年检。在其他条件同等情况下，交变电磁水处理装置投运前后性能试验主要结果对比见表1。

表1 交变电磁水处理装置投运前后主要数据对比Tab.1 Comparisons of the main data before and after the application of alternating electromagnetic water treatment device

表1数据表明，引入交变电磁水处理装置后，通过对低压加热器、高低压加热器、省煤器、锅炉内水冷壁等整个锅炉用汽水系统的除垢阻垢，热交换效率得到了明显改善和提高。

同时，对给水母管水温进行定期跟踪，结果见表2。给水母管水温在发电机功率为200 MW左右时，1年温升达2.9 ℃，与性能试验结果基本一致，温升趋势接近线性关系。

表2 给水母管温度变化表Tab.2 Temperature variation data of water-feeding main pipe

根据上述交变电磁水处理装置投运前后发电煤耗降低1.379 kWh计算，对于330 MW火电机组，按年利用发电时间4 000 h、年发电量1.32 TWh，则每年可节省标煤1 800 t，按平均煤价1 000元/t计算，每年可节约标煤180万元。对于锅炉用汽水系统，一般需要5年酸洗1次，酸洗1次需要150万元/次，仅此一项每年可节省费用30万元。交变电磁水处理装置设计寿命10年，经济效益为2 100万元。

b)案例2。湛江中粤能源有限公司1号机组630 MW机组锅炉用汽水系统。

湛江中粤能源有限公司1号机组汽轮机是哈尔滨汽轮机厂引进西屋公司设计制造的亚临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机，型号为N600-16.7/538/538，经过改造后额定容量630 MW；锅炉是东方锅炉(集团)股份有限公司设计、制造的亚临界参数、自然循环、前后墙对冲燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、尾部双烟道、全钢构架的Ⅱ型汽包炉，型号为DG2030/17.5-Ⅱ8，最大连续蒸发量2 030 t/h；发电机是哈尔滨电机厂有限公司制造的QFSN-600-2YHG型发电机。整套发电机组于2011年6月正式投运。

2021年11月15日正式投运了3套交变电磁水处理装置，分别应用在凝结水泵之后的管道和进入省煤器之前的给水母管管道上，锅炉用汽水系统不做任何大的维修。该机组最早在2018年10月22日进行过1次水冷壁割管试验，在交变电磁水处理装置投运前的2021年8月30日、投运后的2022年6月2日，又进行了2次水冷壁割管试验，3次割管试验均由西安热工研究院有限公司完成。垢量结果见表3。

表3 水冷壁管垢量变化Tab.3 Scale changes of water wall pipe

由表3可知，投运了交变电磁水处理装置0.7年后(去除临停时间)，水冷壁管的向火侧垢量从原来的138.25 g/m2缓慢增加到150.80 g/m2，垢量增速也从25.98 g/(m2·a)降到17.93 g/(m2·a)；背火侧垢量从原来的123.35 g/m2减少到110.00 g/m2，垢量增速从25.76 g/(m2·a)下降到-19.07 g/(m2·a)。向火侧和背火侧数据均表明，投运交变电磁水处理装置后，垢量增速明显下降，尤其是背火侧垢量增速与之前相比开始呈负增长，说明除垢阻垢效果明显。本案例中的水冷壁割管试验和垢量变化，充分说明了交变电磁水处理装置的有效性，同时，随着时间的推移，向火侧的垢量增速也将呈负增长，最终不用清洗水冷壁和整个锅炉用汽水系统，可以减少锅炉清洗成本，避免废液排放，减少爆管几率，提高生产安全性，最终提高热交换效率，实现节煤目的。

以上案例证实交变电磁水处理技术应用于火电厂锅炉用汽水系统可有效阻垢除垢、降低供电标准煤耗，是火电领域节能降耗的一个新途径。

4 结束语

交变电磁场可有效弱化水分子团内氢键，使大分子团细化为小分子团，增强水分子的活性，降低液态水分子平均内聚能，进一步地，外加磁场作用下洛伦兹力促进正负电荷粒子分离，抑制阴阳离子结合。这些使得阻垢除垢效果明显，管壁内外等效热导率和水分子热交换效率得到提升，利于锅炉用汽水系统的节能降耗。

将交变电磁水处理技术应用于湛江电力有限公司火电机组锅炉用汽水系统，对比设备安装前后发电机功率、排烟温度、给水温度、供电煤耗，发现节能效果非常明显，专项性能试验报告给出了1.22 g/kWh的供电煤耗下降。在对湛江中粤能源有限公司的水冷壁3次割管比较垢量增速变化后发现，投运交变电磁水处理装置后水冷壁管内的垢量增速呈单调下降，其中背火侧的垢量已经开始逐步减少，表明热交换效率得到了单调的提升和改善，进一步支持了煤耗下降的结论。在“双碳”的大背景下，应用交变电磁水处理技术降低煤耗，无论对于企业的经济效益还是对于社会的环保效益，都具有重大的意义。