某電廠循環冷卻水阻垢防腐的試驗與運行效果分析

孫愛華

(江蘇常州紡織服裝職業技術學院，常州市新型紡織材料重點實驗室，江蘇 常州 213164)

電廠敞開式循環冷卻水系統里，循環冷卻水長時間反復使用，經過冷水塔的循環水與含低濃度CO2的空氣接觸，水中的CO2被空氣抽提而溢出，使水中的重碳酸鹽類幾乎全部轉變為碳酸鹽類，使生產碳酸鹽垢的趨勢增強。隨著濃縮倍數提高[1]，水中溶解固體及雜質不斷濃縮集聚，改變水中pH值、濁度、硬度等，結垢現象日趨嚴重?？諝庵谢覊m帶有大量微生物和孢子，在循環水適宜的溫度(25～42℃)，冷卻塔內的光照，充足的氧和養分利于菌藻滋生，微生物粘泥增加，由于循環水排污比率很小，導致污垢不斷濃縮，附著在設備上，降低換熱效率[2]，加劇腐蝕，危害較大。

1 企業概況

某電廠，現有#1(一期，210MW)、#2(一期，200MW)、#5(三期，600MW)、#6(三期，600MW)機組，運行系統中包含循環水系統，補充水為中水，來源于煤礦廢水處理出水，由疏干水和除鐵水組成。#1、#2系統冷卻塔換熱管的材質為銅合金，系統濃縮倍率2～2.5左右； #5、#6系統冷卻塔換熱管材質已改造為不銹鋼材質，系統濃縮倍率相對于一期系統高。這兩期都由于補充水水質不穩定，導致換熱器結垢和腐蝕。

根據運行數據分析，存在問題主要有：

(1)循環水濃縮倍率相對較低，一般在2左右，水資源利用率較低。

(2)整個系統存在一定結垢和腐蝕現象，其中一期主要原因為銅特效緩蝕劑投加量不足，三期為總磷控制在低水平運行。

(3)水處理劑采用人工沖擊投加方式，存在一定隨意性和不定量型。

因此，對于循環水系統，主要需解決的問題是：結垢、腐蝕[3]。通過自配藥劑CS-5130和535，對循環水系統出現的問題進行處理，兩種藥劑性能評價試驗和實際應用效果如下。

2 藥劑性能評價試驗

2.1 阻垢測試(鼓泡法)

2.1.1 試驗方法

冷卻水中的結垢，主要成因是溶解于水中的碳酸氫鈣在受熱和曝氣條件下分解，生成難溶的碳酸鈣垢引起，其主要反應式為：

Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2↑+H2O

試驗時以含Ca(HCO3)2的配制水和水質穩定劑制備成試液(模擬冷卻水)。為模擬冷卻水在換熱器中的受熱和在冷卻塔中的曝氣兩個過程，試驗在一定溫度下，向試液中鼓入一定流量空氣，以帶走試液中生成的CO2，使上述反應平衡向右側移動，促使Ca(HCO3)2加速分解為CaCO3，試液迅速達到其自然平衡pH。測定試液中鈣離子穩定濃度，其穩定濃度越大，阻垢性能越好。

2.1.2 試驗用水

濃縮倍率設計：根據要求，參照GB 50050-2007《工業循環水冷卻水處理設計規范》，循環水運行濃縮倍率設計為K=5。

模擬水質：根據現場水質分析結果配制試驗水，表1為濃縮3.0倍和4.0倍時配水數據。

表1 配水數據

2.1.3 試驗儀器及試驗條件

(1)KZC--Ⅰ快速阻垢性能測試儀。

(2)水溫：55℃。

(3)運行時間：20h。

(4)阻垢緩蝕劑：CS-5130、535。

2.1.4 試驗步驟

兩種阻垢緩蝕劑試驗，各取500mL水樣于8支500mL燒瓶，分別加入阻垢緩蝕劑，K=3.0時加入12×10-6、18×10-6、24×10-6及一只空白，K=4.0時加入16×10-6、24×10-6、32×10-6及一只空白。

將燒瓶浸入55±0.5℃恒溫水浴，同時以80L/h流量鼓入空氣，20h后，停止鼓入空氣，取出燒瓶，冷卻至室溫，測水中Ca2+濃度。

阻垢率按下式計算：

阻垢率(%)=(A-B)/(C-B)×100%

式中：A為試驗后水中Ca2+濃度，mg/L； B為空白試驗水中Ca2+濃度，mg/L； C為試驗前配水中Ca2+濃度，mg/L。

2.1.5 試驗結果及分析

試驗結果見表2～表5。

表2 循環水系統投加CS-5130，K=3.0倍時阻垢結果

表3 循環水系統投加CS-5130，K=4.0倍時阻垢結果

表4 循環水系統投加535，K=3.0倍時阻垢結果

表5 循環水系統投加535，K=4.0倍時阻垢結果

由實驗可知，CS-5130和535(阻垢緩蝕劑)在強化條件(N=3.0、4.0)時，其阻垢效果均十分顯著,投加濃度按照補水濃度6×10-6以上時，阻垢率可達90%以上。因此，根據阻垢效果，選擇藥劑濃度要求投加到6×10-6以上，可達到較好阻垢效果。濃縮倍數控制在2.0～3.0之間，總磷控制在1.5～2.0×10-6；濃縮倍數控制在3.0～3.5之間，總磷控制在2.0～2.5×10-6；濃縮倍數控制在>3.5，總磷控制在2.5～3.0×10-6。

2.2 腐蝕試驗

腐蝕試驗采用旋轉掛片腐蝕試驗法[4]，它是在一定條件下，用旋轉掛片來評定腐蝕速度的方法，同時檢測同種藥劑在不同濃度和不同材質下試片腐蝕大小。

2.2.1 試驗方法

旋轉掛片腐蝕試驗是在給定條件下，通過不同試片、藥劑投加量、水溫、旋轉速度來綜合評定水處理劑緩蝕性能。

2.2.2 腐蝕原因

2.2.3 試驗條件

(1)試驗前準備：根據系統水質配制20升模擬水，考慮到補充水腐蝕傾向較大，采用補水做腐蝕試驗，投加濃度定為10×10-6、15×10-6，水中總磷為1.5×10-6、2.25×10-6(模擬現場水中總磷濃度)，另投加高效銅緩蝕劑保證水中唑類含量為0.3×10-6、0.4×10-6兩個計量。試驗材質CS-5130選用銅材質，535選用不銹鋼材質。

(2)時間：(各)96h。

(3)轉速：70r/min。

(4)線速度：0.35m/s。

(5)溫度：45±1℃。

2.2.4 試驗步驟

將模擬水分別倒入2000mL燒杯，各加入CS-5130、535各10×10-6、15×10-6。

將清洗干凈的兩種不同材質掛片固定在同一旋轉架上，放入燒杯中旋轉。每36h更換一次試驗液。試驗結束后取出掛片，清除表面污物，根據失重計算各材質的腐蝕率。

腐蝕率K=[8.76×(W1-W2)/f·t·r]×10000

式中：K為腐蝕率，mm/a；8.76為常數；W1為試驗前重，g；W2為試驗后重，g；t為試驗時間，h；f為試片表面積，cm2；r為金屬密度，g/cm3；其中：銅：8.94，不銹鋼：7.92。

2.2.5 試驗結果(平行試驗)及分析

表6 旋轉掛片腐蝕試驗結果

由試驗表6可知，兩種藥劑對銅和不銹鋼都具有較好的緩蝕效果(相關標準：腐蝕率≤0.005mm/a[6])。另外，藥劑對銅腐蝕控制，主要通過水中唑類進行控制，唑類控制>0.4×10-6時，對銅的腐蝕具有較好控制作用。不銹鋼通過投加有機磷進行防腐控制，總磷>1.5×10-6時，控制效果較好。

2.3 總結

綜上所述，試驗結果建議該電廠循環冷卻水投加CS-5130和535藥劑，投加濃度為6×10-6都可保證系統正常運行，能夠起到較好的阻垢性能和緩蝕效果。

3 實際投加運行狀況分析

根據試驗在#2、#5、#6系統循環冷卻水投加兩種藥劑混合物，其中，#2系統中同時加入BTA(苯駢三氮唑)，#5、#6系統未加BTA。系統經一個月運行，其水質情況如下。

3.1 循環冷卻水水質穩定性分析

三系統pH值控制較穩定，在9±0.2之間，通過對前后各一個月循環水加藥水質穩定性分析以判斷其結垢腐蝕的可能性及其加藥效果。循環水的水質L.S.I(水質飽和指數)和R.S.I(水質穩定指數)[7](以45℃時計算)見表7?？煽闯?，在加藥前后，水質發生明顯好轉，原存在較高結垢可能性(R.S.I<3.7)，現水質趨于穩定，結垢問題得到改善。

表7 加藥前后水質飽和與穩定指數比對

3.2 堿度、硬度情況分析

堿度指水中能接收H+物質的量，是循環水質量指標之一，其高低決定循環水結垢及腐蝕傾向[8]，新國標把堿度+硬度不大于1100mg/L作為循環水控制指標。加藥后，#2、#5、#6系統堿度和硬度檢測結果如圖1、圖2，堿度和硬度趨于穩定。在對測量值單位換算后與加藥前一個月數值比較，見表8，堿度+硬度逐漸減小，仍屬超高硬度水，水質結垢趨勢仍很強，但結垢風險已降低，藥劑有一定作用。

圖1 #2、#5、#6系統堿度

圖2 #2、#5、#6系統硬度

項目堿度(mg/L)硬度(mg/L)堿度+硬度(mg/L)#2#5#6#2#5#6#2#5#6加藥前471515486397411392868926878加藥后455412401402354348857766749

3.3 正磷情況分析

圖3顯示，加藥后正磷主要控制在0.35～0.5mg/L之間，平均值為0.4mg/L。相比于加藥前一個月數據，正磷控制在0.3～0.9mg/L之間，平均值為0.55mg/L。說明加藥后正磷波動范圍小，水質穩定，達到工藝要求。

圖3 #2、#5、#6系統正磷

3.4 濃縮倍率情況分析

濃縮倍率是循環水水質控制的綜合指標[8]，指系統運行過程的蒸發、排污損失等導致循環水中含鹽量不斷濃縮積累，用循環水中某鹽類組分濃度與補充水中同一鹽類組分濃度比來計算。

K=C循/C補

式中：K為濃縮倍率；C循為循環水中鹽類組分濃度，mg/L；C補為補充水中鹽類組分濃度，mg/L。

鹽類組分選擇SiO2，加藥后，系統濃縮倍率見圖4，率介于2.50～4.00之間，平均值為3.22，而加藥前一個月的濃縮倍率介于2.50～3.50之間，平均值為3.00，加藥后濃縮倍率有一定提高。

圖4 #2、#5、#6系統濃縮倍率

4 結語

針對電廠敞開式循環水系統結垢和腐蝕問題，通過現場水質分析結果配制試驗水，用自配藥劑CS-5130和535進行阻垢測試(鼓泡法)，在銅材質和不銹鋼材質裝置中進行旋轉掛片腐蝕試驗。模擬試驗發現，兩種藥劑在強化條件下，濃度投加到6×10-6以上，阻垢率可達90%以上；藥劑CS-5130對銅材質、藥劑535對不銹鋼材質都具有較好的緩蝕效果，腐蝕率≤0.005mm/a。

根據試驗，在#2、#5、#6系統循環水投加兩種藥劑混合物，檢測數據顯示：水質趨于穩定，結垢問題得到改善；堿度+硬度逐漸減小，水質結垢風險有所降低；正磷控制在0.35～0.5mg/L之間，波動范圍變?。粷饪s倍率達3.22，有提高，水資源利用率得到提高。