摘要: 对某电厂循环冷却水补充水水质、循环水水质及系统运行状况的普查和分析，通过现场试验研究，并对试验中出现的异常问题加以讨论分析，得出该电厂循环水系统浓缩倍率提高后的稳定处理方式，可保证循环水系统的安全、经济运行，同时也能进一步节水降耗。
关键词：循环水 稳定处理 浓缩倍率 节水
某电厂装机总量4×200MW。冷却水系统采用敞开式循环冷却方式。水源采用水库水，为某电厂9#机直流冷却排水，厂内经3台机械搅拌加速澄清池混凝、澄清处理后，作为循环冷却水的补充水。1#、2#机设计浓缩倍率为1.2，单台机组设计循环水量21675t/h，现运行中系统浓缩倍率一般控制在1.5～3.0倍；3#、4#机设计浓缩倍率为4.83，单台机组设计循环水量25100t/h，现运行中系统浓缩倍率一般控制在2.5～4.5倍。循环水系统采用加水质稳定剂，加杀菌灭藻剂联合处理方式。单机循环水系统总容积：1#、2#机约13041m3；3#、4#机约9619 m3。
循环冷却水补充水水质和在系统浓缩倍率提高至3.5～5.0倍后，各水质指标含量预测见表1。
表1 补充水水质指标及含量预测
|
序号 |
项目 |
单位 |
补水指标 |
5倍后指标 |
|
1 |
总硬度 |
mmol/L |
3.5～4.1 |
10～16 |
|
2 |
碱度 |
mmol/L |
2.0～2.8 |
5.5～8.5 |
|
3 |
pH |
- |
7.5～8.1 |
8.6～9.1 |
|
4 |
氯根 |
mg/L |
25～44 |
100～200 |
|
5 |
硫酸根 |
mg/L |
220～400 |
300～460 |
|
6 |
COD |
mg/L |
2～5 |
4～10 |
|
7 |
全硅 |
mg/L |
3～10 |
5～10 |
|
8 |
电导率 |
us/cm |
950～1500 |
1200～1700 |
|
9 |
溶解固形物 |
mg/L |
700～1500 |
900～1300 |
2 循环水补充水水质类型判断
表2 各种指数的评价结果
|
序号 |
评价方法 |
评价标准 |
计算结果 |
评价结果 |
|
1 |
LI腐蚀指数 |
＞0.5 |
1.48，1.63 |
腐蚀 |
|
2 |
饱和指数IB |
＜0 |
1.88 |
结垢 |
|
3 |
普科里斯指数Ip |
＜6 |
5.18 |
结垢 |
|
4 |
稳定指数IW |
5.5 |
5.63 |
中等结垢倾向 |
|
5 |
硫酸钙结垢指数 |
＞2×106 |
8.2×104 |
否 |
|
6 |
磷酸钙结垢指数 |
- |
- |
过饱和状态 |
通过上面补充水水质分析、浓缩倍率提高至5倍后水质情况的预测、水质类型的判断和循环水运行现状的调查，可知循环水系统存在的主要问题：
a 在循环水系统浓缩倍率提高至3.5～5.0后，各机组循环冷却水水质将进一步恶化，碱度、硬度、悬浮物等的含量均要不同程度升高。因此，有必要通过优化阻垢剂配方，加大阻垢剂加药剂量，增加粘泥剥离次数等措施解决因此而产生的问题。
b 由于循环水系统未在冷却塔集水池底设计排污旁路，加之冷却塔所处的地质环境较差，冬季多风沙天气，即使循环水分流或冲灰，也排去的是塔池内的上层清水，因此大部分泥砂留于塔池底部，在循环冷却过程中，易在铜管表面形成粘泥，且易对HSn70-1A铜管产生冲击腐蚀。
1） 水质的影响
循环水系统的补充水由于水源不同，有地表水（受污染或未受污染）、地下水、城市二级污水等，因而水质差异很大。即使相同类型水源，由于地域、时间不同，水质也差别很大。补充水水质不同，经浓缩后的循环水水质也各不相同，循环水中的悬浮物、碱度、硬度、钙硬度等，都将影响循环水的稳定处理效果。
① 循环水中悬浮物的影响
水质稳定剂阻垢效果均随水中悬浮物含量的增加而降低，但不同水质稳定剂降低幅度不同。当水中悬浮物含量从1mg/L增加到500mg/L时，同一配方水质稳定剂的极限浓缩倍率降低幅度在28%～48%之间，悬浮物含量对水质稳定剂阻垢效果的影响很大。当维持循环水总磷为～2mg/L时，悬浮物含量725mg/L时水质稳定剂的耗量比悬浮物含量25mg/L时的耗量增加86%。因此，悬浮物对水质稳定剂耗量较大，循环水应尽量降低悬浮物含量。
② 碳酸盐硬度的影响
水中碳酸盐硬度的大小，与碳酸钙水垢的析出有直接关系。试验表明，在同一水质稳定剂和相同使用剂量条件下，当补充水碳酸盐硬度不同时，达到的极限碳酸盐硬度也不同。当补充水碳酸盐硬度较低时，循环水的极限碳酸盐硬度也较低，但对应的极限浓缩倍率较高；当补充水碳酸盐硬度较高时，循环水的极限碳酸盐硬度也较高，但对应的极限浓缩倍率较低。
③ 钙离子（Ca2+）含量的影响
有关试验结果表明，在补充水全碱度相同时，循环水的极限浓缩倍率随补充水钙离子含量的增加而降低。当补充水钙离子含量较低时，可以得到较高的极限浓缩倍率。
2） 水质稳定剂性能的影响
水质稳定剂复配所用单体的性能将直接影响水质稳定剂的性能。对于均聚类分散剂，其只有在一定的分子量范围内才具有较好的阻垢分散性能；因此，对于均聚类分散剂，要求将平均分子量及分子量分布控制在一定的范围内。
3） 水温的影响
水温对水垢的形成及其生长速度影响较大。一般情况下，水温在50℃以上时，随水温升高，水垢的附着速度迅速加快；水温在60℃以上时，可达到引起水垢故障的程度。火力发电厂正常情况下凝汽器出口最高水温一般不超过45℃。
水温对碳酸钙的溶解度有影响，从而影响水质稳定剂的极限碳酸盐硬度。对于同一水质的补充水，当循环水温度降低时，极限碳酸盐硬度升高，极限浓缩倍率也升高；当循环水水温升高时，极限碳酸盐硬度降低，极限浓缩倍率也降低。
4） 循环水流速的影响
污垢、水垢的附着速度随水流流速的增大而减小。流速在0.6m/s时，垢形成速度约为流速0.2m/s时的20%。当流速大于0.6m/s时，流速对结垢的影响较小；若循环水系统采用水质稳定剂处理，当流速超过0.3m/s时，流速对结垢的影响也较小。
5） 循环水系统滞留时间的影响
水质稳定剂的阻垢机理是阻碍晶体生长和分散晶体，水质稳定剂只在一定的剂量及一定的时间内有效。此有效时间与水质稳定剂的种类、初始加入量、循环水其它因素等有关。有试验资料指出，当加入0.2mg/L的HEDP，可使碳酸钙过饱和溶液析出结晶的时间延长至5小时；而加入2mg/L的HEDP，结晶析出时间则可延长至100小时。
1）试验内容：a针对该电厂循环水补充水水质初步筛选5个配方水质稳定剂，试验采用动态极限碳酸盐硬度法对5个配方水质稳定剂进行进一步筛选，确定阻垢性能最佳的水质稳定剂配方。b对确定阻垢性能最佳的水质稳定剂再进行最佳使用剂量的筛选试验，根据同一药剂在不同使用剂量下所能达到的极限碳酸盐硬度和极限浓缩倍率，确定水质稳定剂的最佳使用剂量。
2）试验条件：a 试验水样：循环水补充水，取自澄清池母管出水处。b 水质稳定剂：优化调整配方后的水质稳定剂。c 水质稳定剂加入剂量：6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L、12mg/L（均按产品计）d 试验温度：45±1℃。e 动态阻垢性能测试装置动态模拟量：系统水容积：20～30L；循环水量：250L/h；试验水样进出口温差：4～6℃；换热面积：0.007×2 m2。
5个配方水质稳定剂，加入剂量为8.0mg/L，以该电厂澄清池出水为试验水样，阻垢性能试验数据比较见表3。
表3 不同配方水质稳定剂阻垢性能试验结果
|
水质稳定剂 |
补充水水质（mmol/L） |
极限硬度（mmol/L） |
极限碱度（mmol/L） |
极限浓缩
倍率φYD |
极限浓缩倍率φCl |
极限浓缩倍率φJD | ||
|
JDM |
YD |
钙硬 | ||||||
|
A |
2.05 |
3.60 |
- |
19.50 |
9.05 |
5.42 |
6.04 |
4.41 |
|
B |
1.65 |
3.65 |
2.65 |
17.60 |
7.85 |
4.82 |
5.40 |
4.76 |
|
C |
2.00 |
3.35 |
2.40 |
16.00 |
7.70 |
4.78 |
5.87 |
3.85 |
|
D |
1.60 |
3.10 |
2.20 |
20.20 |
9.40 |
6.52 |
7.46 |
5.88 |
|
E |
2.10 |
3.50 |
2.50 |
18.40 |
9.10 |
5.26 |
6.34 |
4.33 |
由表3的试验结果对比可以看出，5组配方的水质稳定剂在相同8mg/L加药剂量下， D水质稳定剂所能达到的循环水极限硬度、极限碱度、极限浓缩倍率最高，因此确定水质稳定剂配方四为最终适用于该电厂循环水系统的水质稳定剂。
以确定的D水质稳定剂进行不同加入剂量6mg/L、8mg/L、10mg/L、12mg/L（均按产品计）的阻垢性能试验，具体试验结果见表4。
表4 D不同加入剂量阻垢性能试验结果
|
加入剂量（mg/L） |
补充水水质（mmol/L） |
极限硬度（mmol/L） |
极限碱度（mmol/L） |
极限浓缩
倍率φYD |
极限浓缩倍率φCl |
极限浓缩倍率φJD | ||
|
JDM |
YD |
钙硬 | ||||||
|
6 |
1.90 |
3.60 |
2.40 |
19.40 |
9.05 |
5.39 |
6.12 |
4.76 |
|
8 |
1.60 |
3.10 |
2.20 |
20.20 |
9.40 |
6.52 |
7.46 |
5.88 |
|
10 |
1.45 |
3.55 |
2.60 |
22.30 |
9.45 |
6.28 |
7.73 |
6.52 |
|
12 |
1.95 |
3.50 |
2.50 |
22.80 |
9.80 |
6.51 |
7.92 |
5.02 |
由表4试验结果可得到以下有关阻垢性能的结论：
a） 随加入剂量的增加，水质稳定剂所达到的极限浓缩倍率φCl均增加。
b）不同剂量范围内随加入剂量的增加，浓缩倍率的增加幅度不同；当加入剂量从6mg/L增加到8mg/L时浓缩倍率的增加幅度最大；加入剂量由10mg/L增加到12mg/L时浓缩倍率的增加幅度很小；因此，确定D水质稳定剂加入剂量为8mg/L为其较经济、技术合理的加入剂量。
c）当加入D水质稳定剂8mg/L时，试验极限硬度值可达到20.20mmol/L，极限碱度值可达到9.40mmol/L，极限浓缩倍率可达到7.46倍；现场循环水系统实际运行浓缩倍率可达到6.34倍（试验浓缩倍率乘以现场运行经验系数0.85）。
d ）根据目前循环水系统实际运行工况和控制水平，现阶段将循环水系统浓缩倍率提高至3.5～5.0倍是较为可行的。超过5.0倍时，节水效益已不明显，且过高的浓缩倍率会导致循环水质严重恶化。虽然通过本次试验，水质稳定剂所能达到系统不结垢的极限浓缩倍率为6.34倍，但过高的浓缩倍率会导致冷却系统中微生物大量滋生，SO42-含量过高对水泥造成腐蚀，凝汽器、冷油器铜管粘泥附着加剧等一系列负面影响。
因此，确定该电厂循环水系统浓缩倍率提高至3.5～5.0倍为宜。
现场循环水补水采用加聚合氯化铝处理，因处理的水为某电厂9#机经换热后的排水，由于来水水温和流量波动较大，因此澄清池混凝、澄清处理效果不稳定，极易出现翻池，出水中含有部分矾花和未能完全水解的聚合氯化铝。经补水进入循环水系统后，随着水温的升高，残留在水中的矾花和聚铝会慢慢水解，释放出Cl-且消耗循环水部分碱度，随预处理效果的不同，其消耗碱度的程度也不同。因此在试验进行过程中，在未达到试验终点时，随循环水氯根浓缩倍率的升高，碱度上升缓慢，甚至偶然会出现略微下降的情况。而且聚合氯化铝水解会产生少量Cl-。以上因素造成在循环水中Cl-浓缩倍率的上升速度异常高于碱度浓缩倍率的上升速度。因此动态阻垢性能试验不采用氯离子浓缩倍率KCl-与碱度浓缩倍率KJD的差值△A＞0.20为试验终点，而采用碱度、硬度、钙离子下降为试验终点。
为确定该电厂循环水补水（澄清池出水）由于其残留矾花和聚铝水解造成的碱度和氯根变化情况，进行了静态烧杯试验。
以现场澄清池母管出水为试验水样，同时进行不加热、35℃（恒温水浴）、45℃（恒温水浴）三组平行试验，每隔一定时间测定水中碱度和氯根，以此确定水样在不同温度下碱度和氯根随时间的变化规律。得出以下结论：
1） 原水在未加热条件下，随时间推移，水样碱度和氯根变化甚微；
2） 35℃水样和45℃水样随时间推移，氯根逐渐增加，碱度逐渐下降，水样温度越高，氯根增加和碱度下降幅度越大。其中水样在放置19～26小时其间，氯根有突跃；
3） 35℃水样在38～50小时间，碱度开始下降；45℃水样在19～26小时后，随时间推移，碱度下降明显；
4） 三组水样在放置一段时间后，均出现酚酞碱度，45℃水样出现酚酞碱度最早。
由于前述水质稳定剂配方筛选和剂量筛选8组性能试验，水样均取自现场澄清池出水，在试验期间，水温控制在45±1℃。而且由于系统不进行排污，水样在系统内的停留时间为0～70小时。因而在系统正常浓缩情况下，由于矾花和聚合氯化铝水解而额外引入的氯离子和碱度消耗会使得△A出现异常升高，在达到试验终点时大大超过0.20的标准。由于原水预处理效果和出水水质不同，循环水氯根增加和碱度消耗的程度和时间也不同，因而造成阻垢性能试验△A变化规律混乱。
需要说明的一点是，现场循环水主体水温一般在25～35℃，只有凝汽器出口水温高于40℃，而循环水在凝汽器内的停留时间很短，且现场实际浓缩倍率相对于动态试验控制较低。因此现场循环水系统矾花和聚合氯化铝水解对其水质的影响不如阻垢性能试验大。
5 D水质稳定剂动态模拟验证试验
取该电厂循环冷却水补充水（澄清池出水）加入到动态模拟试验装置中，并在水样中加入8mg/L D水质稳定剂；将制备好并称重的HSn70-1A、HSn70-1B、B30、不锈钢、碳钢管样悬挂于系统水箱中，开启加热、循环系统对水样进行浓缩；保持循环水水温在45±1℃，并连续向系统补水（补充水已加8mg/L D水质稳定剂）；当系统浓缩至倍率达6.0倍后，开始排污，保持系统浓缩倍率稳定在4.0～6.0倍运行，并保持系统连续运行500h。试验进行中，每4小时测定循环水的Cl-、碱度、硬度、Ca2+、pH；每2小时测定系统浓缩倍率；每24小时测定循环水有机膦。试验结束后，取出试验管样，观察表面状态，称重，计算腐蚀速率。
试验初期，循环水碱度随系统浓缩倍率升高而逐渐升高，试验中期最高达到9.05mmol/L。随补水碱度的变化和浓缩倍率的改变，循环水碱度有所波动，但基本维持在7.5～9.0mmol/L。
循环水pH随系统浓缩而逐步升高，并基本稳定在8.95～9.15，无太大波动。
循环水硬度随系统浓缩倍率升高而逐渐升高，试验中期最高达到22.05mmol/L。随系统浓缩倍率的改变，循环水硬度有一定波动，一般维持在16～21mmol/L。
循环水钙硬度随系统浓缩而逐步升高，试验中期最高达到15.05mmol/L。随系统浓缩倍率的改变，循环水钙硬度有一定波动，一般维持在10～14mmol/L。
循环水氯根随系统浓缩倍率升高而逐渐升高。试验中期随补水氯根的变化和浓缩倍率的改变，循环水氯根波动较大，一般在250～375mg/L范围。试验后期，由于补水氯根有较大程度降低（小于30mg/L），因此循环水氯根也相应降低，维持在150～300mg/L。
动态模拟试验期间，循环水有机膦维持在1.1～1.8mg/L。由于水中微生物会消耗相当程度的有机膦，而浓缩倍率越高，微生物滋生就越严重，因此循环水的有机膦含量与浓缩倍率并没有呈现出线性的正比关系。
由于补水氯根变化较大，因此动态模拟试验采用硬度计算浓缩倍率。试验初期，系统浓缩倍率逐步升高，升至5.5倍后，通过排污和调节补水流量，使得系统浓缩倍率基本稳定在4.5～6.0倍。
表9 腐蚀挂片试验结果
|
挂片材质 |
挂片时间（h） |
试验前试片重（g） |
试验后试片重（g） |
失重（g） |
腐蚀速率（mm/a） |
|
HSn70-1A |
500 |
4.8575 |
4.8566 |
0.0009 |
0.00272 |
|
HSn70-1B |
500 |
5.8856 |
5.8839 |
0.0017 |
0.00406 |
|
B30 |
500 |
8.5843 |
8.5840 |
0.0003 |
0.00069 |
|
不锈钢 |
500 |
4.7565 |
4.7563 |
0.0002 |
0.00048 |
|
碳钢 |
500 |
13.3072 |
13.1967 |
0.1105 |
0.12400 |
3）试验结束后系统检查结果
a 试验系统水箱底部有大量微颗粒状泥砂类物质及部分粘泥；
b 试验系统水箱、填料及管道内无垢，填料及管道内有少量粘泥；
c 试验过程中水体呈黄绿色，水体浑浊。
4） 动态模拟试验结论
单组分加入D水质稳定剂8mg/L，在试验系统浓缩倍率4.0～6.0倍时：
a 运行可确保系统阻垢要求；
b 凝汽器铜管HSn70-1A、HSn70-1B、B30和不锈钢可满足GB50050《工业循环冷却水处理设计规范》中规定腐蚀速率≤0.005mm/a的要求；碳钢可满足GB50050《工业循环冷却水处理设计规范》中规定腐蚀速率≤0.125mm/a的要求；因此，可满足循环水系统运行的缓蚀要求。
c 单组分使用TRL-004B水质稳定剂8mg/L在浓缩倍率～5.10倍时运行，可满足该电厂循环水系统安全运行的要求。
按该电厂目前循环水系统的实际运行情况，单台机组年运行时间以7000小时计，两台机组年运行时间以6000小时计，目前取水费用为0.52元/吨。现阶段1#、2#机浓缩倍率提高至2.5倍，3#、4#机浓缩倍率提高至3.5～5.0倍是较为可行的。则1#、2#机全年可节水约1,128,000吨，减少取水费用586,560元；3#、4#机全年可节水约654,000吨，减少取水费用340,080元。同时还能减少排污费。
7 结论
针对该电厂循环水补水水质、循环水水质调查分析，通过试验确定循环水稳定处理的方案，控制系统浓缩倍率～5.10倍，可满足该电厂循环水系统阻垢、缓蚀、安全运行的要求，同时也大大减少电厂取水量、排水量，有一定的节水效益、环保效益和社会效益。
参考文献
《火电厂循环冷却水处理》 高秀山 张渡 杨东方 中国电力出版社，2002。
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