超臨界空冷機組凝結水溫度優化分析

吳海峰

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

1 凝結水精處理系統概況

華能國際電力股份有限公司上安電廠（簡稱“華能上安電廠”）三期工程5號、6號機組的凝結水精處理系統由2臺前置過濾器并聯連接、3臺高速陽床、3臺高速陰床以及1套2臺機組公用的體外再生單元構成，前置過濾器和高速陽床、高速陰床按中壓設計，每臺機組配置2臺800t/h前置過濾器和3臺800t/h套陽陰分床，兩用一備。

1.1 系統特點

凝結水精處理系統直接串聯在凝結水水泵與軸封加熱器之間，為中壓運行，系統設計壓力4.6 MPa。由于石家莊地區夏季氣溫較高，機組將會在很高的背壓下運行，會產生凝結水溫度偏高的問題。當溫度達到或超過陰樹脂所能承受的溫度限制時，陰樹脂必須退出運行，設定當溫度大于60℃時系統自動旁路陰床。凝結水精處理采用體外再生方式。體外再生設備全部為低壓設備，2臺機組共用1套體外再生裝置。再生系統設有陽樹脂再生罐、陰樹脂再生罐、陽樹脂貯存罐、陰樹脂貯存罐、電熱水箱、沖洗水泵等，以及壓縮空氣存儲罐和酸堿計量設備，廢液收集和排放系統等。

1.2 樹脂型號

精處理高速陰床樹脂選用大孔均粒強堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂，于精處理中壓高速陰床，樹脂數量≥56m3；型式為氫氧型。

精處理高速陽床樹脂選用大孔均粒強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，用于精處理中壓高速陽床，樹脂數量為56m3，型式為氫型。

1.3 系統工藝

凝結水精處理系統的工藝流程為：直接空冷器→凝結水熱井→ 凝結水泵 → 前置過濾器 → 陽床→陰床→軸封加熱器。

精處理運行工藝為：精處理設前置過濾器，減小了陽床壓力，減輕了陽樹脂污染，降低了系統鐵離子濃度。精處理系統的旁路電動門為0～100%可調，再生所用堿全部選用離子膜堿，降低了運行中陰樹脂的氯離子殘留。從2008年6月運行至今系統運行基本穩定，周期累計制水量可達48萬t。

經過比較前置過濾器＋陽、陰床系統的交換容量要大得多，樹脂層也要厚得多，在凝結水溫度過高時，陰床解列，短時間內不會對水質產生大的影響。溫度降低后，陰床投入運行可除去凝結水中的陰離子，對弱堿性陰離子的去除效果很好。

2 精處理系統溫度優化試驗分析

2.1 試驗前運行狀況

空冷機組汽輪機背壓高，凝結水溫度高，夏季一般運行在60～80℃，這些情況直接影響凝結水精處理的運行。目前國內外一般采用降負荷或解列陰床的方法來解決，但這2種方法均不適合華能上安電廠實際情況。降負荷減少發電量直接影響經濟效益；解列陰床會使整個熱力系統汽水品質惡化，嚴重時水質會超標，超臨界鍋爐沒有鍋爐排污設施，這種方法會影響熱力設備安全運行。因此將凝結水精處理陰床運行溫度由目前的68℃提高至72℃（汽輪機背壓38.595kPa），在不降負荷的情況下盡量保證汽水品質優良。

2.2 試驗過程

2.2.1 試驗準備

為了保證在試驗階段不出現因為溫度升高，造成的樹脂或水質異常惡化，采取以下措施。

a.汽水品質監督，保證水質在合格范圍。

b.高溫運行情況下，取機組部分水樣2～3次進行TOC分析，以掌握樹脂降解的情況及水質變化情況。

c.根據樹脂的性能指標調整再生工藝，達到節約再生液的目的。

d.如溫度超過75℃，陽陰床同時退出（預計此種情況應較少）。

2.2.2 試驗分析

夏季精處理運行時凝結水溫度最高可以達到70～80℃，所以溫度對精處理的影響比較明顯，采集夏季運行數據可知，當水的溫度在40～70℃變化時，出水電導率成拋物線形式變化，這是因為水溫高可加速離子交換擴散，但各種離子交換樹脂都有一定的允許使用溫度范圍。水溫超過允許溫度時，會使樹脂交換基團被分解破壞，從而降低樹脂的交換能力，從圖中可以清楚地看出當溫度在55℃左右時出水電導率最低。因此可以看出溫度對出水電導率的影響比較明顯，為了確定在溫度提升至72℃時能否滿足超臨界機組水質要求，需要進一步驗證。

由于系統運行溫度較高，夏季運行溫度經常可以達到70℃以上，最初設計系統運行極限溫度68℃，設備經常因為溫度過高而自動退出運行，影響了設備的正常運行。

考慮到該系統選用的樹脂均為耐高溫樹脂，經過試驗將系統的極限運行溫度提高，使系統運行更加經濟穩定。當系統溫度低于68℃時出水電導率變化見圖1。

圖1 初始設定運行溫度對應出水電導率關系

由圖1可以看出當系統運行溫度在68℃左右變化時，出水電導率穩定在0.066～0.067μS/cm。

將系統運行最高溫度提升至72℃，其出水電導率與溫度的關系見圖2。

圖2 溫度提高后對應出水電導率變化

由圖2可以看出系統運行溫度提高到72℃左右時，出水電導率穩定在0.07～0.09μS/cm，仍然符合出水水質標準。

由此可見溫度在達到72℃左右時，精處理出水水質仍能夠滿足標準要求，因此可以適當提高陰床退出溫度，達到增大精處理利用率的目的。

3 優化效果

目前國內市場使用的凝結水精處理陰樹脂大部分為進口樹脂，長期最高運行溫度為60～66℃，根據有關數據顯示及咨詢相關專家，陰樹脂在超過允許使用溫度的情況下，會發生化學降解，分解產物為堿性物質，一般對熱力系統無害。

陰樹脂在70℃時連續運行168h，其交換容量下降5%。目前華能上安電廠還沒有凝結水溫度超出70℃的時間統計，因此按7、8月每天8h在70℃以上，6、9月按每天4h在70℃以上計算，共計736h超70℃，即每年陰樹脂因超溫交換容量下降20%左右。空冷機組中汽水系統中主要以Fe2＋/Fe3＋污染為主，陽樹脂為主力交換樹脂，陰樹脂的交換容量下降對整個精處理運行影響不大，使用壽命可以在3～4年，離子交換樹脂正常使用壽命也就在5～8年，因此在保證汽水品質的同時，陰樹脂部分使用壽命受一定影響。

提升溫度影響陰樹脂壽命，意味著增加樹脂的使用費用，以下是使用費用增加的簡單計算：

陰樹脂使用費用＝（pvnδ）/T式中：p為每立方米氯型陰樹脂的單價，現市場價；v為每個陰床添裝的樹脂量，m3；n為陰床的數量，2臺機；δ為陰樹脂氯型與氫氧型轉型膨脹率；T為樹脂的使用壽命，a。

代入數值，陰樹脂正常使用費用＝（6萬元/m3×8m3×6個×0.88）/8a＝31.68萬元/年，陰樹脂高溫運行費用＝（6萬元/m3×8m3×6個×0.88）/4a＝63.36萬元/年，增加費用31.68萬元/年。

從以上數據可以看出，提高陰床的使用溫度，會使樹脂的材料費用每年增加31.68萬元。如按每kWh盈利0.1元計算，每年只需多發316.8萬kWh電即可收回成本，并且保證機組的汽水品質，使得鍋爐酸洗可以延遲，也可以節約相當可觀的費用，樹脂的材料費用每年增加31.68萬元，與機組在凝結水溫68～72℃多發的電量所帶來的收益相比要少得多，因此將陰床的運行溫度提高至72℃的優化措施是可行的。

經過近2年的運行，陽、陰床運行穩定，周期制水量可達到50萬t左右，除鐵過濾器除鐵效果明顯。

4 結論

經過以上分析可知：溫度對精處理水質影響較明顯，在55℃左右時精處理出水電導率最低。提高系統運行溫度會導致精處理出水電導率升高，但將溫度提升至72℃時出水電導率仍能夠滿足超臨界機組水質要求。提升溫度雖影響陰樹脂的壽命，增加樹脂的使用費用，但是通過計算得出由溫度升高導致的樹脂使用費用增加問題，與提高溫度后，保證負荷不受限制，所帶來的經濟效益相比較小，并且能夠提高精處理系統運行的穩定性，延長機組酸洗間隔。