發電廠超濾系統異常現象原因分析及改進

浙江浙能長興天然氣熱電有限公司 王立剛 袁俊杰 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院 馮禮奎

火力發電廠鍋爐補給水需提供優質除鹽水以保證機組安全運行，越來越多的電廠采用機械過濾+超濾+反滲透系統作為鍋爐補給水預脫鹽的處理工序。超濾是一種膜分離技術，在一定的壓力下，水、無機鹽和小分子物質能夠穿過一定孔徑的過濾膜，而懸浮物、大分子和膠體物質、細菌和微生物等雜質被截留，從而達到過濾效果。在超濾+反滲透系統中，超濾裝置的穩定可靠運行是維持反滲透膜長期穩定運行、避免反滲透膜污堵的前提和保障。

由于超濾過濾精度為0.002～0.1μm，如果原水中有大顆粒物質或者機械顆粒就會堵塞超濾孔眼，從而加大跨膜壓差，甚至會損壞超濾膜，因此超濾系統一般會設有前置過濾器，如雙層濾料過濾器、活性炭過濾器、盤濾、自清洗過濾器等，其中自清洗過濾器不需外接任何能源就可以自動清洗排污，其優點主要有：利用水壓自我清洗、清洗時間短、清洗過濾損失水量小（只占產水量的0.08～0.6%），過濾精度可達10～3000μm，工作壓力可達1.0～1.6MPa，單臺流量4～4160m3/h，可滿足超濾膜裝置進水需求。

1 系統概況及存在的問題及分析

設備參數：某電廠為2×435MW 天然氣-蒸汽聯合循環發電機組，其鍋爐補給水處理工藝采用高密度沉淀池和V 型濾池預處理+超濾和反滲透膜處理+一級除鹽和混床的離子交換處理的運行方式。超濾系統設計出力為4×176m3/h（15℃），其中超濾膜元件采用荷蘭Norit 內壓式中空纖維膜，工作壓力為0.3MPa，每一列超濾裝置前串聯配置一套自清洗過濾器。自清洗過濾器采用以色列ARKAL疊片式過濾器，每套3只濾頭、每只濾頭由5組疊片式濾元組成過濾精度100μm，殼體設計壓力0.45MPa[1]。另外，自清洗過濾器濾頭進水三通閥采用以色列多諾特型號為58P 的反沖洗閥，該閥門為隔膜密封式閥門，標準工作壓力為0.2～1.0MPa。

系統流程：超濾系統采用全自動程控運行方式，每運行30min 進行常規反洗1次，反洗14個周期進行一次加強反洗。具體順控步序為：系統備用→（產水→常規反洗）×14個周期→產水→加強反洗1（NaOH+NaClO）→（產水→常規反洗）×14個周期→產水→加強反洗2（HCl）。正常情況下，超濾膜裝置一直按以上步驟重復進行運行（圖1）。當超濾膜裝置進行常規反洗時，超濾膜裝置進口調節閥關閉（即自清洗過濾器出水通道關閉），此時自清洗過濾器按照程序控制同時進行反沖洗，每只濾頭設置沖洗時間20s，三只共計60s；當超濾膜裝置加強反洗時化學水泵設置連鎖停運，自清洗過濾器不進行反沖洗。

圖1 超濾系統工藝流程圖

產生水錘沖擊：超濾系統在常規反洗時，程序設定本體反沖洗時間為60s，自清洗過濾器反沖洗時間同樣為60s，查閱超濾系統歷史運行數據可看出，在反沖洗運行過程中，超濾本體沖洗60s 為反洗水泵運行時間，而超濾裝置進水調節閥的隔斷，即從關閉到打開需要的實際時間約115s，遠大于自清洗過濾器的反沖洗時間，當自清洗過濾器反沖洗結束時，超濾裝置進水調節閥仍處于關閉狀態。因此存在只有一套超濾裝置運行時，在常規反洗狀態下，自清洗過濾器反沖洗結束時超濾本體裝置仍在反沖洗中，超濾裝置進口調節閥處于關閉狀態。在此期間，化學清水泵至自清洗過濾器的管道及設備產生憋壓的情況；當超濾裝置進口調節閥打開的瞬間，出現如圖2所示的流量和壓力劇烈波動的異常情況，容易發生水錘沖擊[2]，導致設備損壞。

自清洗過濾器振動：該廠超濾自清洗過濾器在投運初期運行及反洗過程一切正常，運行一段時間后進水三通閥在切換至反洗模式時，瞬間會產生持續的、劇烈的震動，導致管路連接處出現裂紋裂縫、連接處產生滲漏的情況。自清洗過濾器進水三通隔膜閥是自清洗過濾器的重要部件之一，其的工作原理為：在過濾模式下（圖3），控制器發出控制腔泄壓指令，控制腔內的壓縮空氣排空，反沖洗閥內部介質壓力頂起隔膜，左右水路相通，壓力為0.2～0.3MPa，此時排污口處于關閉狀態；在反沖洗模式下（圖4），三只三通閥其中一只控制器發出控制腔加壓指令，控制腔內充入壓縮空氣使隔膜下壓，切斷左右通路，而排污口開啟，此時由另外兩只濾頭出水為這一只反沖洗狀態的濾頭提供反沖洗進水，由排污口排出過濾器濾頭內的雜質。

圖3 自清洗過濾器過濾模式下側視圖

圖4 自清洗過濾器反沖洗模式下側視圖

反洗排水池排水泵結垢：超濾系統運行一段時間后發現超濾反洗排水池排水泵出力明顯降低，檢修解體檢查發現水泵及管道存在嚴重結垢情況。結合垢樣及水質的分析結果，判定為碳酸鈣和碳酸鎂垢[3]。通過超濾系統加強反洗的歷史記錄得出，7月份加堿反洗次數為88次，加酸次數為45次，8月份加堿次數為98次，加酸57次，兩個月堿和酸的加入總量分別11.55m3和5.42m3。查閱運行控制邏輯發現，超濾系統邏輯設置每14個周期堿洗和酸洗切換運行，當系統停運再次啟動后默認下一次加強反洗由堿洗開始，因制水量較小的原因超濾系統經常性啟停，發生未運行至酸洗步驟系統已停運，待下次啟動運行至加強反洗時仍為堿洗（本應酸洗）。最終導致堿加入量大于酸加入量，反洗排水池pH 值檢測最高值達到10以上，平均值為9.8（圖6）。較高的非碳酸鹽堿度導致空氣中的CO2大量溶于水中并轉換為碳酸根，使水中碳酸鈣超過它的溶解度以過飽和的狀態存在于水中，又因為排水泵運行期間水溫上升、碳酸鈣溶解度降低，逐漸在泵體及出口管道沉積。

2 改進措施

針對超濾系統在運行過程中存在的管道憋壓、反洗排水泵結垢現象，結合上述原因分析，制定以下改進措施：

反洗控制優化：對超濾系統的反沖洗時間進行優化，超濾系統常規反洗時，將自清洗過濾器每只濾頭的反沖洗時間從20s 延長至40s，即自清洗過濾器總的反沖洗時間由60s 延長至120s，同時將第三只濾頭（最后反沖洗）的三通閥C 動作時間與超濾膜裝置進水調節閥設置連鎖，當進水調節閥開度到達30%時，三通閥C 才開始動作，即從反沖洗模式切換為過濾模式，保證了系統進水暢通，進水壓力和流量劇烈波動的情況消除（圖5），解決單套超濾運行時存在憋壓后產生水錘沖擊的問題。

圖5 單套超濾常規反洗時邏輯更改后的運行參數情況

備件更換：對自清洗過濾器三通閥的切換過程原理分析得出，在三通閥切換狀態的瞬間，因左右水路會相遇、產生撞擊，而系統儀用控制壓縮空氣壓力約為0.75MPa，遠大于水壓0.2～0.3MPa，控制腔加壓和泄壓過程理論上應為迅速短暫，與實際產生持續、劇烈的震動情況不符。經排查發現，三通閥的控制電磁閥在泄壓管路末端口安裝了銅制的空氣消音器，長期運行消音器的孔眼發生污堵，造成三通閥控制腔泄壓時排氣不暢，自清洗過濾器在反沖洗時出現三通閥泄壓動作受阻，隔膜膜片無法快速到位隔斷進水，上游進水與從過濾單元反向流入的反沖洗水相遇會導致劇烈震動。對該消音器進行更換后，震動異常現象得以消除。

運行邏輯優化：針對加強堿洗次數大于酸洗次數而導致的反洗排水泵結垢問題，對超濾膜裝置的自動運行程序邏輯進行優化，將超濾系統的運行邏輯進行了重新設置，將常規反洗設置成14周期+堿洗1次+常規反洗14周期+酸洗1次為一個整體，無論系統如何啟停，反洗流程以此為一個整體大循環。實施后酸洗和堿洗次數持平，酸堿加入量恢復平衡，優化調整后超濾反洗排水池pH 從均值9.8降低至8.0以下，pH 明顯降低（圖7），水質得到明顯好轉[4]，通過對水質進行持續的監督，發現水質結垢的情況得以解決。

圖6 水泵結垢期間水質情況圖

圖7 實施改進后的排水水質

3 結語

超濾系統作為鍋爐補給水預脫鹽處理的第一步，設備運行的穩定性、安全性對是否能夠提供合格的鍋爐補給水具有重要意義，通過對系統運行方式的不斷優化，采取了對運行時間、邏輯調整等一系列運行和維護措施，實現了超濾系統的高效穩定安全運行。