移動電極技術在改造項目中的運用

文 _ 黃鐵軍 陳渝飛 葉培祥 四川省華鎣山廣能集團四方電力公司

循環冷卻水是瓦斯電站用水量的主要組成部分，循環水品質好壞，關系到熱交換器銅管的結垢、腐蝕問題。在運行過程中，隨著循環冷卻水的濃縮倍率升高，水中易產生結垢或腐蝕的離子（Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-等），含量也隨之增大，加速熱交換器銅管的結垢、管道腐蝕，嚴重影響機組的安全經濟運行。在循環水進入冷卻塔冷卻時，空氣與水充分接觸時，空氣中的細菌孢子、植物絨毛等進入循環水系統，冷卻塔周圍適宜的溫度與濕度適合細菌、藻類的生長，同時濃縮后的循環水中含有豐富的營養源，導致細菌、藻類大量繁殖，產生生物粘泥，促使水質惡化。因此循環冷卻水的防結垢、防腐蝕及殺菌滅藻處理至關重要。

1研究思路

1.1循環冷卻水系統發生結垢原因分析

循環水系統結垢是指水中溶解或懸浮的各種鹽類如碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽、氯化物等，其中以Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2最不穩定，極易分解生成不溶于水的CaCO3、MgCO3沉積在金屬表面。在瓦斯電站運行過程中，循環冷卻水經過高、低溫熱交換器和機油冷卻器時，進行熱交換后溫度升高，通過冷卻塔蒸發、冷卻而循環使用，當濃縮倍率到一定值時再進行排放。這樣，因為循環水不斷濃縮，CaCO3、MgCO3含量增大，逐漸沉積在熱交換器銅管、管道等內壁而結垢，引起熱交換器的換熱效率下降，管道阻力增大，甚至造成銅管內循環水量減少加劇結垢而堵塞。

1.2高溫熱交換器換熱效率低的原因分析

龍灘瓦斯電站發電機組生產廠家采用串聯的方式將低溫熱交換器、機油冷卻器、高溫熱交換器連接在一起，如圖1所示。由于進入高溫熱交換器的循環冷卻水已對低溫軟水及機油進行冷卻，溫度已大幅升高，導致高溫熱交換器的熱交換能力大幅下降，當循環水溫升高，高溫交換器銅管內壁最容易結垢，并且結垢速度快、垢層厚，造成高溫出水溫度超出規定溫度值，嚴重影響熱交換，導致瓦斯發電機組高溫水超標，運行人員被迫采取降負荷的方式運行，機組實際功率低于額定功率的50%運行，造成瓦斯發電效率降低。

圖1 原熱交換系統布局示意圖

1.3循環水系統腐蝕的原因

循環冷卻水中的金屬腐蝕是指金屬損壞或失去金屬應有的使用性能，最明顯的是從金屬原有狀態專變為離子或化合物。

1.3.1溶解氧腐蝕引起的腐蝕

在循環水運行過程中，因濃縮倍率提高，水中溶解氧含量增大，與管道金屬物質Fe產生化學反應，生成Fe2+，與水中的氧進一步反應生成結構疏松的Fe(OH)3，就造成管道腐蝕。其反應方程式為：

這種腐蝕生成的Fe(OH)2與Fe(OH)3會逐漸堆積、擴散，并再次反應生成Fe3O4：

Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4↓4H2O

Fe3O4沉淀與水中的泥垢、沙粒等沉積附著在管道內壁。當腐蝕到一定程度時，腐蝕產物與泥垢等一起脫落，堵塞熱交換器、冷油器等設備的管徑小的部位，危及設備運行安全。

1.3.2氯離子引起的腐蝕

氯離子造成的腐蝕一般發生在孔蝕或縫隙腐蝕中。

循環冷卻水系統常采用游離氯或化合氯殺菌，循環水中的氯離子含量較高，而且采用在這種情況下，金屬在蝕孔或縫隙內腐蝕溶解產生Fe2+，引起腐蝕點周圍產生過量的正電荷，吸引水中的氯離子遷移到腐蝕點周圍以維持電中性，因此腐蝕點周圍會產生高濃度的金屬氯化物FeCl2，之后水解生成不溶性的金屬氫氧化物和可溶性的鹽酸，其反應如下：

1.3.3微生物引起的腐蝕

由于微生物排出的黏液與無機垢和泥沙等形成的沉淀附著在金屬表面，形成氧的濃差電池，促使金屬腐蝕。在金屬表面沉積物之間缺乏氧，一些厭氧菌（主要是硫酸鹽還原菌）得以繁殖，當溫度為25～30℃時，繁殖更快。這些厭氧菌分解水中的硫酸鹽，產生H2S，引起碳鋼腐蝕，反應如下：

1.4除垢方式的弊端

在沒有采取循環水緩蝕阻垢處理的情況下，高、低溫熱交換器、機油冷卻器的銅管內壁結垢速度較快，尤其是高溫熱交換器由于設備內溫度、水溫更高，結垢速度更快，結垢厚度更厚，造成機組無法正常運行而停機進行除垢。除垢方式采用將圖1中的循環水管道閥門關閉，將稀釋后的鹽酸注入各熱交換器內浸泡銅管內壁，到一定時間后，打開設備排去酸液，然后人工用電鉆（鉆桿自制加長）清理銅管內積垢。這種除垢方式每年基本要進行三次，不僅工作量大、時間長，除垢效率低、質量差，還存在電鉆傷人等安全隱患。

2循環冷卻水緩蝕阻垢及殺菌原理分析

2.1阻垢機理分析

緩蝕阻垢劑采用有機膦酸鹽、膦羧酸等，有機膦可以和Ca2+、Mg2+生成穩定的絡合物，相對降低循環水中的Ca2+、Mg2+濃度，降低水中析出CaCO3等沉淀，此作用稱為“絡合增容”。此外還可以使形成的CaCO3晶體中的Ca2+在晶體相互碰撞過程中發生作用，使得CaCO3晶體難于按嚴格的晶格排列次序排列，智能保持在小顆粒范圍內，相應提高了CaCO3晶體在水中的溶解性能，減少CaCO3垢層增長。

緩蝕阻垢劑除了絡合增容作用外，有機膦還對垢層的晶格排序起干擾作用。按照結垢正常情況，垢層是CaCO3晶體按一定方向具有嚴格次序排列的硬垢。由于阻垢劑對Ca2+的鰲合性能，干擾CaCO3晶體結結構發生很大的畸變，而不再繼續規格增長。即由于晶格畸變產生一些較大的無定型顆粒，從而使CaCO3硬垢轉化為松軟垢，這種軟垢結合力差，易被水沖刷和分散。

2.2緩蝕機理分析

緩蝕阻垢劑中有機膦等在管道金屬表面形成不溶于水或難溶于水的保護膜，阻礙金屬離子的水合反應或溶解氧的還原反應，有效地控制和降低金屬腐蝕情況。

2.3殺菌機理分析

強氧化性殺菌劑的殺菌機理是ClO2通過活化，在酸性物質（H+離子）的作用下，釋放出游離態ClO2，游離態ClO2不穩定釋放出新生態氧原子（O），新生態氧原子具有強烈的氧化作用，其通過氧化微生物、細菌細胞中可溶部分（包括酶系統），而達到快速抑制微生物蛋白質的合成，殺滅微生物、細菌的目的。

非氧化性殺菌劑的殺菌機理是使微生物、細菌的蛋白質變性，降低其細胞活性，促使微生物、細菌死亡。殺菌劑活性成分能夠穿透微生物、細菌的細胞壁進入細胞內部并與細胞的核酸（RNA、DNA）上的堿基結合，從而抑制或徹底殺死微生物、細菌。

3實施方案

由于殺菌劑對不同藥劑的阻垢分散效果有不同的影響，強氧化性殺菌劑對多數藥劑的阻磷酸鈣有增效作用，非氧化性殺菌劑對不同類型藥劑的影響視藥劑類型而定，有增效作用，也有對抗作用。所以龍灘瓦斯發電站投加緩蝕阻垢劑的同時，采用強氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑交替投加的方案進行循環水緩蝕阻垢劑殺菌滅藻處理。

3.1緩蝕阻垢劑的運行與控制

(1) 在機組初始運行時系統重新注水情況下投藥，第一次向循環水池沖擊投加緩蝕阻垢劑60mg/L，如初次投加后系統仍為冷態運行（不帶熱負荷），則應保持藥劑濃度為40mg/L(即控制水中有機膦含量為3mg/L以上)運行，在系統帶熱負荷且濃縮倍數達到1.5以后藥劑投加按日常投加方式進行。

(2) 日常投加（kg/d）：

此投加量為理論計算值，具體投加量要實際運行參數及現場分析數據定。

(3) 在加藥箱內加入一天所需藥劑量，再加水稀釋，用閥門調節流量，使藥劑在22～24h內連續不斷地加入到循環水池中。

(4) 根據循環水中磷酸鹽的分析值適當增減加藥量，使磷酸鹽保持在2～3mg/L范圍內。如磷酸鹽低于2mg/L，則在循環水池中沖擊補加藥劑，每低1mg/L,補加5kg。

(5) 當循環水鈣離子大于450mg/L，堿度大于450mg/L或濁度大于20mg/L應適當加大排污。

(6) 當pH值大于8.9時應適當加大排污，當pH值低于7.6時應及時查找原因并采取措施(如投加碳酸鈉等)盡快使pH值恢復到控制指標范圍內。

(7) 嚴格按運行分析控制項目及頻率(表1)監測循環冷卻水中各項控制指標，并調節達到各項控制范圍。

表1 循環冷卻水控制指標

3.2微生物的控制與監測

3.2.1控制方案

根據微生物的監測數據或者COD值確定加藥周期，一般每周投加一次，使用強氧化性殺菌劑一次后，換用非氧化性殺菌劑一次，消除因長期使用一種殺菌劑所造成的抗藥性，即采用每周沖擊式投加強氧化性殺菌劑一次，加入量為100mg/l，加兩次后，投加非氧化性殺菌劑一次，加入量為100mg/l。然后強化氧化性殺菌劑與非氧化性殺菌劑每周一次交替投加。

3.2.2殺菌劑的投加量

投加量（kg）=保有水量（m3）×加藥濃度（mg/L）×10-3

3.2.3 投加時間

投加非氧化性殺菌劑前，可將系統預先排污以便投加后推遲排污，投加后應不排污并盡量不補水至少12～24h，以提高殺菌效果。

3.2.4 監控指標

微生物控制指標及監測頻率（表2）。

表2 微生物控制指標及監測頻率

3.3 熱交換系統布局改造

將原有熱交換系統與循環冷卻水的串聯方式改進為并聯方式，如圖2所示。

圖2 改進后的熱交換器系統布局示意圖

將熱交換器系統改為并聯后，各設備的循環冷卻水進水溫度均較低，尤其是高溫熱交換器因冷卻水溫度低而結垢速度降低，加上緩蝕阻垢劑的作用，所結垢為松軟垢，基本被循環水沖刷帶走，換熱效率提高。

4實施效果

4.1緩蝕阻垢劑使用效果

龍灘瓦斯發電站自2013年按照以上方案控制，規范使用緩蝕阻垢劑，在系統正常運行狀況下，實際測得如下使用效果：①碳鋼的腐蝕率小于0.075mm/a（以掛片監測為準）；②污垢沉積速率：小于15mcm；

③污垢熱阻：1.72～3.44×10-4m2·k/W；

④微生物控制(需加殺菌劑控制)：異養菌小于1×105個/ml，生物粘泥小于4ml/m3，硫酸鹽還原菌小于50個/ml。

4.2 降低人工勞動強度及安全危害

通過緩蝕阻垢劑使用效果與實際瓦斯電站循環冷卻水緩蝕阻垢技術實際應用情況綜合得出，該方案有效抑制了熱交換器銅管內壁結垢速度，不再形成難以清除的硬度較高的致密水垢，而是形成軟松垢，易被循環水沖刷、分散并帶走。而且清垢方式采用高壓水槍進行沖洗清除，極大的降低了人工清除熱交換器銅管垢層的工作量，杜絕了人工清垢時電鉆傷人的安全危害。

4.3 瓦斯發電機組的利用率

通過上述方案的實施，龍灘瓦斯電站熱交換器銅管結垢問題得到有效解決，使得停機處理熱交換器積垢清除頻率延長3倍以上，增加瓦斯發電機組連續穩定運行時間，提高瓦斯發電機組利用率，同時減少因檢修設備或機組停運導致瓦斯外排帶來的環境污染。

并且循環冷卻水通過緩蝕阻垢處理后，可將其濃縮倍率提高到3～3.5（原來濃縮倍數為1.5左右），有效延長排污周期，減少循環水補充量，降低水資源消耗。

5 結束語

通過對廣能集團龍灘瓦斯發電站循環水緩蝕阻垢劑殺菌的分析及實施處理，使用緩蝕阻垢劑后具有相當好的緩蝕效果，同時水解率低、性能穩定、耐高溫性好。同時對瓦斯發電機組冷卻器布局進行改造，提高瓦斯發電機組利用率，減少瓦斯外排帶來的環境污染。