某热电厂一级除盐系统运行恶化原因分析及处理措施

2023-09-12余建飞何红斌

湖北电力 2023年2期

余建飞，何红斌，张明

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北武汉 430077；2.湖北能源综合能源投资有限公司，湖北武汉 430077）

0 引言

锅炉补给水系统是保证发电机组安全经济运行的关键辅助系统之一，不仅能有效避免锅炉结垢、腐蚀或蒸汽品质差引起的事故，而且有助于机组的稳定可靠运行。一级除盐系统周期制水量降低不仅会增大酸碱耗、增加制水成本和工作量，而且可能存在树脂被污染、除盐水品质差和环保等问题［1-6］，直接影响热电厂冬季供热供汽期间的安全经济运行、蒸汽品质和腐蚀结垢等［7-17］，因此如何全面、快速查找锅炉补给水系统周期制水量降低的原因并解决问题，显得尤为重要。

本文针对某热电厂周期制水量逐步降低和重复再生的问题，对补给水系统进行了全面查定和试验分析，根据试验结果对设备进行了优化调整，取得了良好效果。

1 一级除盐工艺流程

锅炉补给水处理系统所用水源为汤逊湖水，经净水站澄清处理后送至锅炉补给水处理车间，补给水处理工艺流程为：工业水池来水→高效纤维过滤器→清水箱→阳床→除碳器→中间水箱→阴床→混床→除盐水箱。

一级除盐设备由3个系列组成，每个系列正常出力为150 m3/h，共用1套再生设备，每台阳床和阴床可以组合运行，除碳器采用鼓风除碳，设计原水无次氯酸钠加药装置。阳床直径为3 000 mm，树脂设计填装高度为2 000 mm，内装001×7阳树脂；阴床直径为3 200 mm，树脂设计填装高度为2 800 mm，内装201×7 阴树脂。阳床和阴床均采用逆流再生，阳床失效用工业盐酸再生，阴床失效用工业烧碱再生。

2 存在的问题

该电厂于2015 年投运，从2019 年开始，阳床和阴床周期制水量逐步降低，到2021年冬季阳床有时运行不到2 h就失效，制水量不到200 t，甚至出现重复再生的情况；阴床冬季制水量显著低于夏季。但冬季供热供气期间，由于补给水量大，即使出现再生不合格或出水水质已超过失效标准，一级除盐设备仍需投入运行或继续运行，以保证机组持续运行。

化学运行人员操作水平参差不齐，特别是在线仪表不准确时，不能判断加药量及再生液是否连续进入床内再生树脂，易造成再生失败或水处理运行周期缩短。再生时操作的随意性比较大，酸碱用量波动大，大反洗再生时，未执行双倍剂量再生，很少去现场观察树脂是否会被冲洗带出。此外酸碱用量计量不准确，有多用少写、少用多写的现象，影响酸碱耗计算准确性。

3 原因分析

3.1 原水水质

武汉汤逊湖是亚洲最大的城中湖，水质多为Ⅳ类或劣Ⅳ类，表1为不同时期的原水水质分析结果，取样点为电厂高密度沉淀池入口。自从2020年5月武汉市开始汤逊湖流域环境综合治理后，湖水有机物含量有所降低，但仍为Ⅳ类；枯水期湖水水质差，阴阳离子含量增加。

表1 原水水质Table 1 Raw water quality

制水量与树脂体积、预处理脱盐效率、进水离子浓度等指标的关系如式（1）所示。

式（1）中，V为树脂体积（m3）；E为树脂工交容量（mol/m3）；Q为周期制水量（m3）；R为预处理脱盐效率；C阳（阴）为进水阳（阴）离子浓度（mmol/L）。

从式（1）可以看出，假定树脂体积、预处理脱盐效率和树脂工交容量不变，则周期交换容量为固定值，C阳（阴）离子浓度与周期制水量成反比，离子浓度增加，周期制水量降低，水质变差将直接使周期制水量降低［9］。

基于原水有机物含量高且无次氯酸钠加药装置，对预处理系统和补给水系统设备出口水质进行有机物含量测试，结果见表2，从表中可以看出，纤维过滤器去除有机物的效果甚差，且其出口有机物含量已超出《DL/T 5068-2014 发电厂化学设计规范》规定的阳离子交换器进水CODMn要求（＜2 mg/L）［15］，未去除的有机物会进入除盐系统，污染树脂。当阳树脂被有机物污染后，污染物会影响Na+与树脂间的交换反应，阳床出水易漏钠，当超过失效标准时，运行时间变短，制水量降低［16-18］。

表2 原水及一级除盐系统有机物测试结果Table 2 Test results of organic matter in raw water and primary demineralizing system

3.2 再生剂质量

再生剂纯度对离子交换树脂的再生效果及再生后的出水水质有较大影响。再生液纯度高、杂质含量低则树脂的再生度高，出水水质好。从电厂酸碱入厂验收台账和第3方检测报告看，酸碱质量符合要求，再生用的酸碱来源固定，各项指标比较稳定，无不合格酸碱进入系统。盐酸和烧碱质量抽检分析结果见表3和表4，质量符合要求，排除酸碱质量不合格对周期制水量的影响。

表3 盐酸质量分析结果Table 3 Analysis results of hydrochloric acid quality

表4 烧碱质量分析结果Table 4 Analysis results of NaOH quality

3.3 树脂

由于阳床中部窥视镜总是满屏树脂，无法观察床内树脂水平面位置和判断是否需要补充树脂，所以选择先打开频繁再生且周期制水量明显低于另外2台阳床的1号阳床，检查树脂装载量和污染情况。

打开1 号阳床后发现树脂流失比较严重，局部可见中排露出，说明工作层厚度不足。工作层厚度过低会产生以下3个问题：1）床体树脂装填量少，工作容量就会降低，运行时水中盐类易于“穿透”树脂，失效快，周期制水量低，交换床再生频繁；2）树脂高度在中排处，说明局部没有压脂层，无法防止逆流再生过程中树脂乱层，乱层会使下部失效度很低的树脂层与上部完全失效的树脂层相混，树脂层中的离子形态分布规律被打乱，失去逐层置换的作用，再生程度底部很高的底部交换层不能形成，使出水端树脂的再生效果大大降低，因而失去逆流再生的优势；3）反洗和空气擦洗时，运行人员从窥视镜看不到树脂，无法判断反洗效果。这样就会使出水水质变差，周期制水量降低。

将1 号阳床树脂置换到大型塑料桶后，可见有些树脂表层颜色发黑，下层呈棕色或深棕色，表面浮有绿藻或菌类（如图1），阳树脂间的悬浮物会堵塞树脂层中的孔隙，从而增大其水流阻力和运行压降，同时阳树脂可能被有机物污染，会影响Na+与树脂间的交换反应，降低树脂的工作交换容量，说明阳床停运期间维护不当。取60 mL 树脂装入玻璃交换柱中，用蒸馏水反复洗涤，以除去表面附着物，直至清亮为止，取反洗干净的树脂50 mL，用12%盐水振荡10 min后，盐水呈琥珀色，属于有机物中度污染，也会覆盖在树脂颗粒表面，需对阳树脂进行复苏处理。由于1 号阳床存在问题多，对另外2台阳床和3台阴床也进行了检查，尽管问题没有1 号阳床严重，但均存在树脂装载量少和树脂被有机物污染的问题。

图1 阳树脂宏观形貌Fig.1 Macroscopic appearance of cation resin

此外当有机物漏过阴床和混床进入给水系统时，随着温度升高，有机物逐渐分解成低分子化合物及弱酸性物质，导致给水pH 下降，电导率上升，使炉水pH值低于规定的标准值，当炉水pH 值偏低时，会破坏锅炉表面保护膜，加快金属腐蚀，高温高压可能发生锅炉爆管事故［11］。此外，低pH 值还将引起炉水中硅酸含量上升，蒸汽携带随着增加，日积月累可能造成汽轮机叶片积盐，影响汽轮机出力等［7-8］。

3.4 再生工艺

一级除盐设备基建投运之初，再生参数主要是参考同类电厂相关资料确定，没有根据实际情况进行再生优化。为了准确客观地判断化学一级除盐设备运行情况、酸碱耗等运行成本，在一级除盐设备运行和再生过程中，测量了设备的运行流速和再生各步骤流量，测试结果见表5。可以看出，阳床和阴床同一步骤的流量接近，小反洗和再生流量高于设计值，小反洗流量偏大，会使压脂层树脂逐渐流失，影响工作层高度。阳床树脂层高比阴床低800 mm，但再生流速相同，对阳床来说，再生流量偏大，容易导致乱层。

表5 一级除盐系统流量测试结果Table 5 Flow test results of the primary demineralizing system

离子交换树脂工作时，分别通过阳树脂中的H+和阴树脂中的OH-将水中的阳离子和阴离子置换出来，这个过程是可逆的，再生即是除盐的逆过程。离子交换树脂对溶液中不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有选择性，主要规律为：高价离子通常优先吸附，而低价离子的吸附较弱；在同价的同类离子中，直径较大的离子被吸附较强［19］。

阳床逆流再生时，底部最先置换出来的Na+往上移动，由于吸附能力弱，先置换出其上部失效树脂中的二价阳离子，置换出的Ca2+和Mg2+等上移，置换出阳床上部失效树脂中的三价等离子，Fe3+和Al3+等先进入再生洗脱液中，然后是Ca2+和Mg2+等二价离子，最后Na+和H+。因此再生初期，再生洗脱液中检测不到Na+，随着再生的进行，H+、Na+逐步上移，Na+浓度逐渐增加，达到最大值后减小，直至再生结束；而HCl浓度会逐步增加，直至与入口再生液中浓度接近。阳树脂再生反应如下：

在一级除盐系统再生时分批收集再生洗脱液，分析洗脱离子浓度和再生剂量，每5 min收集一次，共13个样本，从而得出一系列再生曲线（如图2 和图3），判断是否达到再生终点、排酸碱量是否大，同时在进再生液15 min 和40 min 时，在阴床和阳床入口取样分析再生液浓度。

图2 1号阳床优化前的再生曲线Fig.2 Regeneration curve of Cation Exchanger No.1 before the optimization

图3 1号阴床优化前的再生曲线Fig.3 Regeneration curve of Anion Exchanger No.1 before the optimization

图2 和图3 为1 号阳床和1 号阴床的再生曲线，经测试阳床入口再生液HCl含量为4.23%和4.28%，阴床入口再生液NaOH含量为3.77%和3.76%。从图2可以看出，阳床再生洗脱液Na+浓度在35 min 到达峰值，随后的10 min，Na+浓度略有下降，而再生洗脱液HCl 含量随着再生反应的进行进一步增加，再生结束时，再生洗脱液HCl 含量超过3%，说明阳床已达到再生终点。图3 显示阴床再生洗脱液Cl-浓度在45 min～50 min 到达峰值，再生结束时的洗脱液中NaOH 含量为接近2.5%，说明阴床树脂再生50 min 左右时达到再生终点。

从阳床再生液入口浓度和洗脱液中酸含量可以看出，阳床再生液HCl 含量偏高，再生结束时，洗脱液中的HCl 含量超过3%，说明排酸量大，因而酸耗高。从理论上讲，一定范围内再生液浓度越高，再生程度越好，但酸耗量大；当浓度超过某一范围时，再生程度不但不提高反而下降，造成再生剂的浪费；但再生液浓度太低，则再生反应不彻底，同时增加再生操作时间和自用水率［4，9］。

此外在1 号阴床再生取样过程中，发现阴床洗脱液温度大多数很低，个别为常温，经测试40 min时再生液温度为19 ℃，再生结束时为11 ℃，说明阴床入口再生液温度低。经检查发现电热水箱设定温度为40 ℃，且阴床再生过程中电热水箱加热器未开。而文献［20］表明，阴树脂再生液温度对阴床的再生度影响很大，当进口温度为30 ℃～40 ℃，不仅能大大提升阴树脂再生度，减少碱用量，也能显著提供阴床周期制水量。

4 解决措施

为解决一级除盐设备酸碱高问题，针对上述问题，采取了以下措施：

1）原水预处理系统清理及改造

由于原水有机物含量高，影响了后续系统出力和除盐水水质，因此在原有原水预处理系统上加装次氯酸钠加药系统，进行杀菌灭藻，加药口设置在高密度沉淀池入口。同时利用机组检修期间，对整个预处理系统和一级除盐系统等进行清理，去除设备和管道内的悬浮物、青苔、绿藻和菌类等，保证设备干净。

次氯酸钠加药装置运行一段时间后，在原水进口和各设备出口取样分析CODcr和TOC，结果见表6，从表中可以看出沉淀池出水有机物含量大大降低，且阳床、阴床和混床出水的有机物含量也大幅下降，尤其是阴床出水，其含量仅为改造前的15.84%。尽管改造后混床出水CODcr大幅降低，但其含量仍在0.5 mg/L 以上，TOC也未达到标准的规定值，应继续根据原水有机物浓度进行调节加药量，优化加药控制，减少阳床和阴床运行压力，使混床出水有机物含量合格，避免影响后续的炉水水质和蒸汽品质［10，21-27］，以防结垢和腐蚀。

表6 原水及一级除盐系统改造后有机物测试结果Table 6 Test results of organic matter in raw water and primary demineralization system after the innovation

2）树脂补充和复苏

清理碎树脂和树脂中的绿藻等杂质，同时补充适量新树脂，保证树脂层在中排上方20 cm，对受污染的树脂进行复苏。

3）设备内部检查

检修工作人员在阴、阳床解体时，对离子交换器内部进行彻底检查和处理，包括布水装置（水帽）、中排装置和衬胶，保证水流均匀分布和设备不被腐蚀。

4）再生工艺优化

调整阴阳床小反洗和再生流量，小反洗流量从70 m3/h 调整至60 m3/h，避免流量过大带走压脂层树脂；阳床再生流量从31 m3/h 调整至22 m3/h，使再生液和树脂之间有合理的接触时间，保证充分利用再生剂，提高再生度；阳床再生液HCl 浓度降低至2.5%，延长再生时间，多次优化后阳床再生时间为75 min。

提高电热水箱加热设定温度，由45 ℃提升至80 ℃，并提前3 h 加热至80 ℃。同时进水和排水的时候，加热器全开。在预喷射阶段开始混合冷水和热水，使树脂温度提前升温，加装温度在线监测装置，根据入口温度变化调节冷热水比例，保证再生液进水温度在40 ℃左右，同时再生结束后水温不低于30 ℃，提高阴床再生效果。

大反洗时开启进水门时，操作要缓慢，反洗一定要彻底，严格执行双倍剂量再生。在反洗过程中，操作人员要随时监测交换器内树脂反洗膨胀高度、反洗流量，避免树脂流失。

5）加强运行维护和管理

为避免再次出现1号阳床内绿藻菌类等微生物滋生的情况，定期对长时间停运的离子交换器进行正洗，正洗时间为30 min，然后排气、充水，避免设备内含较多的空气，有效抑制设备内微生物生长和树脂发霉；长期停运的离子交换器建议冬季每半个月正洗1 次，夏季每周正洗1次。

热工专业人员定期校核除盐系列再生用稀释流量计和在线酸碱浓度计，保证再生过程稀释水流量和酸碱浓度计量准确，便于在运行人员监控，保证再生效果，运行中准确记录酸碱耗量。

定期检测原水及一级除盐设备出水有机物含量、树脂性能和树脂层高。

加强高效纤维过滤器的运行管理，特别是正洗和反洗，避免释放有机物，提高对有机物的去除率，避免有机物进入后续设备。

定期组织内部或外部培训，提高化学运行人员业务水平，严格按运行规程进行再生操作，准确计量，做到认真监盘、及时发现异常并能处理。