電廠循環冷卻水源熱泵系統水質問題探討

李 楊，冉春雨

（吉林建筑工程學院，吉林長春 130021）

電廠循環冷卻水源熱泵系統水質問題探討

李 楊，冉春雨

（吉林建筑工程學院，吉林長春 130021）

在北方嚴寒地區，電廠循環冷卻水蘊含的大量的低溫余熱，可以作為熱泵的冷熱源向建筑物供暖。本文介紹了電廠循環冷卻水源熱泵系統中存在的水質、腐蝕、結垢等問題，以及在解決這些問題時要注意的事項。

電廠循環冷卻水；水質；污垢；除垢

電廠循環冷卻水是一種蘊含大量低溫余熱的熱能資源，在我國、加拿大和美國已經得到了比較廣泛的應用[1]。但是由于電廠循環冷卻水的水質問題比較復雜，因此大多數換熱技術還是采取間接式換熱方法，即采用間接式水源熱泵供熱系統（圖1）。

圖1 間接式循環水源熱泵系統供熱流程

1 電廠循環冷卻水的水質情況和水質基本要求

冷卻水的來源一般是自來水，運行一段時間后，隨著水分不斷蒸發，鹽類含量越來越高，最后水質逐漸下降。由于冷卻水直接與大氣接觸，冷卻水流經冷卻塔冷卻時空氣中固體顆粒的沉降和介質泄漏，也會導致水質降低。有機物可以使水中藻類大量繁殖，堵塞換熱器和用水設備管路，甚至使金屬管路結垢、腐蝕，輕則降低換熱器的傳熱效率，重則造成管道堵塞，影響機組運行。

東北地區冷卻水系統通常為敞開式系統，將水中的沉淀物質、腐蝕及主要離子的控制作為基本水質指標，水質指標如表1所示[2]。

表1 敞開式冷卻系統冷卻水的主要水質指標

2 電廠冷卻水系統腐蝕類型及危害

2.1 電化學腐蝕

水中溶解氧引起的電化學腐蝕，即在金屬表面形成微電池，在陽極區發生下面的反應：Fe→Fe2++2e；在陰極區發生2H2O+O2+4 e→4OH-；在水中發生Fe+2OH-→Fe(OH)2，Fe(OH)2的溶解度很低，在20℃的水中極易氧化，即4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓。根據腐蝕面積的大小可以分為點腐蝕、電偶腐蝕、氧濃差腐蝕和不銹鋼應力破裂腐蝕。管道表面的“微電池”將會不斷侵蝕管道，從而導致管道破裂，系統不能正常運行。

2.2 微生物腐蝕

微生物黏液與無機垢和泥沙等形成的沉積物附著在金屬表面，妨礙氧氣進入，使沉淀膜下方缺氧而變為陽極，周圍金屬變為陰極，形成氧的濃差電池，使金屬腐蝕，即微生物腐蝕。主要發生下述反應：+8H+8e=S2-+4H2O+能量和Fe2++S2-=FeS↓。逐漸腐蝕金屬管道，嚴重時導致管道穿孔破裂，使冷卻水與介質相互滲漏，引起水冷器傳熱效率下降或管線阻礙。

2.3 生物粘泥腐蝕

由于光照和水溫升高，水中細菌和藻類迅速繁殖，分泌的黏液將水中浮塵雜質和化學沉淀物等粘附在一起，形成粘稠的沉積物附著在換熱器的傳熱表面上，稱為生物粘泥或軟垢。這種腐蝕會使冷卻水的流量減少，降低換熱器的冷卻效率；如果生物粘泥將管子堵死，冷卻水系統就不能正常運轉。

2.4 其他離子引起的腐蝕

除了含重碳酸鹽以外，氯化物、硫酸鹽等也是循環水中含量較多的鹽類。Cl-和會降低金屬保護膜的保護性能，特別是Cl-穿過保護膜與氧發生反應，可加速碳鋼的腐蝕。如果冷卻水中Cl-含量過高，會導致設備上應力集中的部分迅速遭到腐蝕破壞。循環冷卻水系統一般要求Cl-的含量不超過300mg·L-1。

3 電廠循環冷卻水污垢引起的問題

3.1 換熱系數降低

根據有關資料顯示[3-5]，重碳酸鹽是冷卻水產生水垢的主要成分。重碳酸鹽的濃度濃度達到過飽和時，或者當冷卻水流經換熱器傳熱表面時，會發生如下反應：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O，Mg(HCO3)2=MgCO3↓+CO2↑+H2O。其中的MgCO3會與水反應，生成難溶的Mg(OH)2。CaCO3與Mg(OH)2沉積在換熱器傳熱表面，形成致密的水垢，其導熱系數通常小于1.16W/ (m2·K)，因此導熱性能很差。而鋼材的導熱系數為46.4-52.2 W/(m2·K)，可見水垢形成，必然會影響換熱器的傳熱效率。

3.2 流動阻力增加

流體對物體的阻力分兩種：一是流體粘性帶來的粘滯阻力，二是物體周圍流體流速差引起的壓差阻力。根據阻力通式R=ψd2υ2ρ(式中d—顆粒直徑；υ—顆粒與流體的相對速度；ρ—流體密度；ψ—阻力系數)可知，水中固體污垢會加強流體的粘稠度和流體內部的湍流，即υ變大，因此對管壁的沖刷作用和局部阻力均加強；隨著附著在管壁上的污垢逐漸增加，管路的橫截面積將減小，當水流量恒定時，會增加流體的流速，導致換熱設備阻力上升，加重水泵的功耗并使其不能在最佳狀態運行，使系統節能效果降低。

4 電廠冷卻水的除垢方法

4.1 水中微生物的去除和控制

對于水中微生物來說，通常在水中添加氧化殺生劑、非氧化殺生劑和生物分散劑，避免冷卻水被陽光直射，利用旁流過濾相對較大體積的生物團，定期清洗管道等方法。但是由于普通的旁濾設備精度低，只能去除顆粒大于55um的雜質，而冷卻循環水中的鐵銹、泥沙等主要物質并不能被去除。根據國家冷卻循環水設計規范規定[6]，在對冷卻循環水中的藻類、懸浮物、污垢、腐蝕、生物粘泥和介質進行處理及控制的同時，還必須控制水質的濃縮比，首選補充自來水或總硬度在300mg/L（CaCO3或MgCO3）左右的地下水時，將濃縮比控制在2.5倍左右。

4.2 水中離子的去除和結垢控制指標

冷卻水中的鈣鎂離子的去除主要有兩種方法：⑴離子交換樹脂法。讓水流通過離子交換樹脂，使Ca2＋、Mg2＋吸附在樹脂上，從而達到去除Ca2＋、Mg2＋的目的。⑵軟化法。加入石灰可去除Ca2＋、Mg2＋，使其變為難溶化合物從而沉淀下來。加入NaOH可除去重碳酸鹽堿度和鎂硬，可調節水中PH值。加入NaCO3可除去永硬部分的鈣，但是不能調節水中的PH值。在實際運行中，根據不同的水質特點，可同時加入以上三種物質，效果更好。加入酸類（通常加硫酸）或通入二氧化碳氣體使重酸鹽類物質穩定下來，然后加入阻垢劑，從而達到去除水垢的目的。根據當地的水質情況，在系統中回水管安裝過濾設備、菌藻設備、全程處理器分別來解決污垢、菌藻類滋生的生物垢和懸浮、雜質、藻類等引起的復合垢問題。

由于循環水的水質情況很復雜，因此不能用單一的水質穩定法來處理結垢和腐蝕的問題，也不能通過溶度積理論來得出結垢控制指標值。根據循環水的運行經驗，對循環水的結垢趨勢的估計以及結垢情況的分析，可以得出相對準確的結構控制指標（表2）。

表2 循環水結垢控制指標

5 循環水運行時的水質管理

在換熱時，應使用處理過的循環水，減少水對換熱器的腐蝕。從結構、換熱效率和換熱效果來說可以選擇高效螺紋換熱管，高效螺紋管又可分為內擠壓螺紋管和外螺紋管。其中，內擠壓螺紋管管內水流動時通常呈現紊流狀態，擾動性比較大，相對于光管中水流呈現層流狀態而言，水中的粘性物質、污垢等不易沉積，防垢效果相對較好。循環水水質的控制還可以采取溢流、提高或降低濃縮倍率的方法。溢流主要是靠稀釋循環水濃度來達到防腐防垢的目的，卻不能去除水中的鹽類、藻類和菌類。如果補水中的氯離子降低，堿度和硬度也有所下降，可適當提高濃縮倍率。合理控制循環水中的有機磷的含量，可以有效地控制循環水的結構趨勢。

[1]吳榮華,徐瑩,孫德興,等.污水源及地表水源熱泵取水換熱技術研究應用進展[J].暖通空調,2008,38(6):25.

[2]王選禹,蔡偉江.循環冷卻水系統的水質處理[J].黑龍江紡織,2004(2):12.

[3]邵波.電廠循環冷卻水殺菌劑的研究[J].江西電力職業技術學院學報,2007(3):23-24.

[4]李良濤.電廠循環冷卻水化學穩定處理試驗研究[D].北京:華北電力大學,2007:25-30.

[5]陳穎敏,李靜,張雅春.電廠循環冷卻水處理方案試驗[J].工業安全與環保,2008,38(1):11-14.

[6]火力發電廠水工設計規范[S].北京:中國電力出版社,2006.

Discussion on Water Quality Problems of Power Plant Circulating Cooling Water Source Heat Pump System

LI Yang，RANChun-yu
（Jilin Institute ofArchitectural and Civil Engineering,Changchun 130021,China）

In the northern cold areas,the circulating cooling water of power plant contains plenty of low temperature waste heat,which can offer heating to the buildings as cold and heat sources.This article describes the problems of water quality,corrosion and scaling in the power plant circulating cooling water source heat pump system,and the matters needed topayattention toin solvingthese problems.

power plant circulatingcoolingwater;water quality;dirt;scale removal

TU833

A

1008-178X(2012)09-0056-04

2012-06-03

李 楊（1983-），女，吉林長春人，吉林建筑工程學院教師，碩士，從事建筑環境控制系統節能研究。