调相机外冷水系统结垢分析及改进研究

郝亚楠，李贵海，颜 庆，王 俊，郭 语

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

随着特高压电网的大规模建设投产，我国电网“强直弱交”的特性愈发明显，直流换流站送、受端无功支撑能力不足，电压波动明显，国家电网有限公司组织研发了新一代大型调相机。大型调相机具备暂动态特性优、运行维护方便和安全可靠性高的特点，能够通过强励输出大量无功功率起到快速恢复电压的作用，可以提高电网运行稳定性和承受极端事件能力以及提升跨区输电能力和新能源消纳能力［1-5］。300 Mvar 调相机正常运行时产热功率约为4 200 kW，为保证机组正常运行，需要将热量导出，通常选用水作为换热介质。水的比热容大，吸收相同的热量，水温度升高得慢，同时水价格低廉、易获取，具有良好的化学稳定性。在我国中东部地区水资源较为丰沛，受端电网装设的调相机冷却系统多为开式外冷水系统。调相机及其附属系统运行时产生的热量虽通过内冷水换热器、冷油器和空冷器作为中间环节换热，但最终出口为外冷水。外冷水水质稳定是保证外冷水系统正常运行的重要前提［6］。因此，做好外冷水系统的防腐、防垢、防菌藻工作，对切实保证机组的安全、稳定、经济运行具有十分重要的意义。

国内某换流站300 Mvar 双水内冷型调相机，外冷水补充水为城市自来水，冷却方式为母管制开式外冷水系统，采用添加阻垢缓蚀剂、杀菌灭藻剂，辅助定期排污的方式控制外冷水水质，杀菌灭藻剂和缓蚀阻垢剂的加药量由药剂厂家和设计单位确定。2021 年，调相机年度检修期间发现外冷水系统出现严重的结垢、堵塞和藻类滋生等问题。

1 结垢、腐蚀和微生物滋生

1.1 结垢机理及危害

水中溶解有各种盐类，如重碳酸盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐，其中溶解的重碳酸盐如Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2最不稳定，受热分解CO2溢出，反应向右进行，即分解生成碳酸盐［7-9］，化学反应如式（1）所示。

如水中溶有适量的磷酸盐与钙离子时，也将产生磷酸钙的沉淀，化学反应如式（2）所示。

常见的水垢组成为：碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、镁盐、硅酸盐。

主要危害有：污垢系数大大增加，降低传热效率或产生传热不均，导致设备换热效果不佳或局部出现过热现象，影响设备运行；当设备结垢严重，管径变小，流体阻力变大，增加管线压差及电力消耗；设备表面结垢形成覆盖，降低阻垢缓蚀剂性能；结垢严重造成水路堵塞等严重后果时，增加非计划性停机可能。

1.2 腐蚀机理及危害

外冷水系统中的腐蚀主要为电化学腐蚀，也就是钢材与水中氧气作用而腐蚀；系统的悬浮物或黏泥在金属表面容易形成斑点腐蚀，随后由于氯离子的影响导致点蚀。另外，pH、温度、流速、大气污染物等也是影响腐蚀的因素［10-11］。

主要危害有：发生腐蚀会对设备造成较大损害，减少设备的使用寿命；腐蚀导致的跑冒滴漏等问题，增加设备维护及生产成本；持续的坑腐蚀或点腐蚀会导致设备穿孔造成难以维修而报废；设备腐蚀产生安全隐患导致非计划停机。

1.3 微生物问题

在外冷水系统中微生物的危害比水垢、电化学腐蚀的危害更胜一筹。微生物带给系统的危害主要为污垢和腐蚀。敞开式外冷水系统中，由黏泥细菌引起的故障最多，其次则是由藻类、霉菌（丝状菌）、球衣细菌（丝状细菌）引起的故障［12-14］。

主要危害有：形成污垢沉淀，降低冷却水的冷却效果，增加能耗且影响运行；黏泥堵塞冷却器，减小冷却水通道的截面积，从而降低冷却水的流量和冷却效果；黏泥聚集在冷却塔填料的表面或填料间，阻碍冷却水通过，降低冷却塔的冷却效果；黏泥覆盖在金属表面，阻挡阻垢缓蚀剂到达金属表面发挥其缓蚀与阻垢作用，阻碍杀菌灭藻剂杀灭黏泥中和黏泥下的微生物，降低药剂的功效，加剧垢下腐蚀。

2 设备结垢腐蚀问题分析

2.1 外冷水水质结垢性分析

外冷水系统的水质受自身循环浓缩和城市自来水周期性补水所影响，对补充水（城市自来水）和外冷水（2022 年8 月及10 月）进行取样化验，开展循环水浓缩倍率试验，结果如表1—表2 所示。

表1 补充水和外冷水检测结果Table 1 Test results of industrial water and external cooling water

表2 浓缩倍率结果Table 2 Concentration ratio results

外冷水是否存在结垢倾向，通常用氯离子的浓缩倍率KCl与钙离子的浓缩倍率KCa的差值ΔB表示，如式（3）所示。

根据发电企业循环水运行及化学监督的经验看，循环水的总碱度一般控制在4.0～7.0 mmol/L，pH控制在8.4～8.8，ΔB值小于0.20，循环水系统不会发生腐蚀结垢［15］。

从表1 和表2 补充水和外冷水水质检测结果来看，该站调相机补充水的硬度和总碱度偏高。补充水在浓缩时，总碱度和硬度不断升高，超过了碳酸钙的溶解度，就会发生结垢。从该站外冷水的检测结果看，碱度达到了10.0 mmol/L 左右，pH 达到了9.0以上，ΔB值远超过了优秀值0.2，8 月份ΔB为0.57，10 月份ΔB为1.06。从理论分析看，该站调相机外冷水已经发生较严重的结垢。

2.2 阻垢缓蚀剂匹配性分析

外冷水系统运行时，根据水质情况定期添加阻垢缓蚀剂和杀菌灭藻剂。同时根据外冷水的电导率值定期自动排污。根据2.1 节水质分析得知外冷水已经发生较为严重的结垢，为验证阻垢缓蚀剂的性能，需要对添加的阻垢缓蚀剂与外冷水的匹配性进行研究。在外冷水的不同浓缩倍率下，通过开展调相机外冷水阻垢缓蚀剂性能试验，计算阻垢率是否满足要求，结果见表3—表4。阻垢率是指水中投加阻垢剂后，成垢离子被稳定（抑制）在水中的百分率，计算公式如式（4）所示。

表3 外冷水阻垢性能试验Table 3 Scale inhibition performance test of external cooling water

表4 不同浓缩倍率下阻垢率Table 4 Scale resistance at different enrichment rates

式中：Z为阻垢率。

从表3—表4 可以看出，该站外冷水在浓缩倍率2.0 左右时碳酸钙达到了过饱和状态，碳酸钙已经析出，而该站外冷水实际浓缩倍率在3.0 以上，从而导致外冷水系统出现严重的结垢现象。可知该站外冷水系统采用的阻垢缓蚀剂和外冷水的水质匹配效果不佳。

2.3 环境影响分析

2.3.1 风沙、灰尘等进入

调相机外冷水系统为开式冷却水，风机顶部无隔网，水池周边也无格栅，春秋季节风沙和杂物易进入外冷水池，导致池底沉积泥沙较多，而后进入外冷水系统后形成污泥。水池不具备排污泥功能易导致池底污泥堆积，池水浑浊，对水泵和管路也会造成损伤，降低设备使用寿命。冷却塔长期运行中，塑料、虫草、散热填料等异物进入冷却塔水池，将堵塞滤网导致外冷水流量减少，在换热器等流速较为缓慢的地方易形成水垢；杂物还会附着在拦污栅上，造成冷却塔水池与前池连通不畅，存在液位差导致分散控制系统（distributed control system，DCS）后台频繁报警。

2.3.2 微生物滋生形成生物黏泥

冷却塔水池处于未封闭状态，且水池不具备自清洁以及水质改善功能，冷却塔水池中存在金属离子、可溶性固体等累积。在经过长期的阳光直射，挡水板、格栅盖板、水池内壁等处容易产生微生物繁殖、藻类滋生情况，致使水中的有机物黏泥超标，黏泥附着在换热器表面会影响换热效率，同时加速金属的腐蚀。外冷水系统运行时，采用定期投加杀菌灭藻剂的方式抑制菌藻类滋生。杀菌灭藻剂可分为氧化型和非氧化型。长期小剂量添加单一类型的杀菌灭藻剂，使得菌藻类产生了抗药性，处理效果不佳，造成菌藻类形成生物黏泥。

综上可知，该站外冷水系统结垢严重，首要原因是所选用的阻垢缓蚀剂与外冷水不匹配；其次是外冷水系统为敞开式的运行方式，增加了尘土等杂质进入水系统的概率；最后杀菌灭藻剂的添加方式和使用方法不合理，导致藻类滋生严重加剧了外冷水系统的腐蚀结垢。

3 外冷水系统改进措施

为解决外冷水系统的结垢、黏泥、微生物滋生等隐患，开展高效外冷水阻垢缓蚀剂筛选、性能评价工作，同时采取其他一些处理措施，以确保该站外冷水系统的稳定运行［16］。

3.1 高效外冷水阻垢剂筛选及应用

3.1.1 高效阻垢剂筛选

选择A、B 和C 三种阻垢缓蚀剂进行循环水阻垢缓蚀剂模拟试验［17-18］，模拟试验选择与该站完全相同的运行方式，加药质量浓度调整为20 mg/L，浓缩倍率为3.0 时实验结果见表5。

表5 外冷水阻垢剂筛选试验Table 5 Selection test of scale inhibitors for external cooling water

由表5 可知，选择的三种阻垢缓蚀剂在不加酸情况下，浓缩倍率3.0 时均能满足外冷水的阻垢要求；阻垢剂B 的阻垢率最高，其效果相对较好。

3.1.2 高效阻垢剂应用

高效阻垢剂的首次投加应按照外冷水系统的保有水量进行计算，该站外冷水系统保有水量约为500 m3，首次投加质量浓度为100 mg/L，阻垢剂投加量约为50 kg。

高效阻垢剂日常投加按照系统补水量进行计算，采取连续性投加方式，投加的阻垢剂质量浓度为20～30 mg/L，阻垢剂投加量根据每天外冷水池的补水量进行动态调整。

3.2 调整杀菌灭藻剂的加药方式

外冷水系统目前采用小流量持续添加阻垢剂和杀菌灭藻剂，该种加药方式易导致菌藻类产生抗药性，杀菌效果变差。加药方式调整为定期大剂量投加，其杀菌效果更佳，为避免同时添加阻垢剂和杀菌剂产生大量泡沫溢出外冷水池，投加杀菌灭藻剂时，应暂时停止投加阻垢剂，关闭排污循环运行24 h。当浊度（溶液对光线通过时所产生的阻碍程度）增加至最大时，应加大排污置换循环水至浊度＜10 NTU，再补加缓蚀阻垢剂；当投加杀菌灭藻剂时应适当降低补水量，以达到提高药剂浓度、充分发挥药效的目的。控制好外冷水日常指标，对于保证系统的安全稳定运行也是十分有效的。根据该站的水质情况及GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》中对循环水水质的要求，运行时控制外冷水质的pH在7.0～9.2，电导率小于2 000 μS/cm，浓缩倍率控制在3.0～3.3。

3.3 外冷水系统围闭改造

针对沙尘和杂物进入外冷水系统，该站在检修期间采取在冷却塔进风口加装格栅，出风口加装网罩等措施进行物理围蔽，减少塔内阳光直射，减缓藻类滋生，减少杂物进入冷却塔水池，如图1—图2所示。

图1 冷却塔进风口增加格栅Fig.1 Add grille to the air inlet of the cooling tower

图2 冷却塔出风口增加网罩Fig.2 Add a mesh cover to the air outlet of the cooling tower

3.4 建议后续深度处理措施

为提高外冷水的水质、减少外冷水排污量，从冷却塔水池取一路水进行旁滤处理。旁滤处理系统包括旁流砂滤、超滤（或活性炭）、反渗透（一级两段）。旁滤处理系统可有效减少灰尘和沙粒等异物进入开式外冷水系统，降低外冷水的浊度，去除水中的悬浮物。当砂滤运行压差偏高时，砂滤系统可以自动反冲洗，延长使用寿命。反渗透装置可去除外冷水中结垢性成分，大幅提高外冷水的浓缩倍率，有利于节水。旁滤处理系统产生的洁净水回到外冷水系统，而浓水排放，浓水排放量和蒸发量之和等于补充水补充量。增设旁滤处理系统可大幅度节约阻垢缓蚀剂的用药量。根据该站外冷水系统循环水量、蒸发量、排污量等计算，冬季每天处理60 m3、夏季每天处理100 m3可保证外冷水水质稳定［19-20］。

除加装旁滤处理系统外，由于该站地处北方，风沙较大、阳光照射造成藻类滋生，形成生物黏泥会在冷却塔底部和前池沉积。在外冷水前池和冷却塔底部加装污泥排污泵，定期开启污泥排污泵，可减少污泥在外冷水系统的沉积。旁流砂滤处理措施侧重于去除外冷水中悬浮的杂质，排污泵排泥措施侧重于风沙污泥堆积后的治理。

4 应用效果

更换高效阻垢缓蚀剂，通过水质检测发现外冷水水质大幅提升，结垢倾向下降，浓缩倍率由2.0～3.0 提高至3.0～4.0，排污量减少约30%，污泥量减少1/3，降低了运维费用（水处理药剂费用降为原来的50%～70%）。

调整杀菌灭藻剂加药方式，并对外冷水系统进行围蔽改造后，其外冷水池藻类滋生问题也得到了极大改善。

年度检修时，对外冷水系统进行了检查，发现外冷水设备状况运行工况稳定，定转子冷却器、冷油器、阀门、冷却塔等状况良好，只有少量软泥，无硬垢，如图3—图4 所示。

图3 冷却器、冷油器结垢情况Fig.3 Improvement of scaling in coolers and oil coolers

图4 冷却器管前后对比Fig.4 Comparison of cooler tubes before and after

5 结束语

针对外冷水系统腐蚀、结垢、微生物滋生等问题，通过分析水质、阻垢缓蚀剂性能试验等结果，采取一系列解决提升措施，通过药剂筛选更换高性能阻垢缓蚀剂，调整杀菌灭藻剂的种类及加药方式，并对外冷水系统进行围蔽改造。经过一年的运行后发现外冷水系统结垢、腐蚀、藻类滋生问题大幅改善。虽然采用高效阻垢缓蚀剂处理外冷水可减少系统的结垢和黏泥的产生，但要根治外冷水系统的腐蚀、结垢和微生物滋生问题，提高外冷水的水质、减少外冷水排污量，还需要对外冷水进行深度处理。建议对外冷水系统加装旁滤设备和完善排泥措施，实现外冷水水质提升和减少排污。

下一步将研究在外冷水系统加装电化学集成系统（集防腐蚀、防结垢、杀菌灭藻、零排放为一体的水处理系统），在保证机组安全稳定运行的前提下，避免药剂使用，减少系统藻类滋生，优化水资源利用率，将外冷水浓缩倍率提高至5～10，实现节能减排的目的。