工業(yè)除鹽水處理系統(tǒng)全膜法設(shè)計(jì)

劉 敏，李 冬，李旭東

(首創(chuàng)愛華(天津)市政環(huán)境工程有限公司 天津 300382)

0 引 言

某電站示范工程(簡(jiǎn)稱高溫堆工程)規(guī)劃建設(shè)1臺(tái)200 MW級(jí)高溫氣冷堆核電機(jī)組及其相應(yīng)的配套設(shè)施，采用2座球床模塊式高溫氣冷堆帶1臺(tái)汽輪機(jī)組，每座反應(yīng)堆的熱功率為250 MW，總熱功率為500 MW，電功率為200 MW。其配備除鹽水處理系統(tǒng)，為反應(yīng)堆和汽輪機(jī)提供除鹽水，主要功能有：①機(jī)組啟動(dòng)階段，滿足機(jī)組啟動(dòng)用沖洗水和輔助鍋爐運(yùn)行用水需求；②機(jī)組正常運(yùn)行階段，提供全廠各用戶水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的除鹽水，維持機(jī)組正常運(yùn)行[13]。本文結(jié)合高溫氣冷堆的特性，設(shè)計(jì)除鹽水處理系統(tǒng)工程。

1 水源及水質(zhì)

高溫堆工程水源為八河水庫(kù)水，水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 八河水庫(kù)水質(zhì)分析報(bào)告Tab.1 Water quality analysis report of Bahe reservoir

2 出水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)

一般火電廠除鹽水系統(tǒng)出水控制標(biāo)準(zhǔn)有兩項(xiàng)：SiO2＜20 μg/L，電導(dǎo)率＜0.2 μS/cm(25℃)[14-15]。對(duì)于高溫堆工程來說，為了避免溶解離子對(duì)管道和反應(yīng)堆的影響，除鹽水處理系統(tǒng)出水控制標(biāo)準(zhǔn)除滿足以上2項(xiàng)外，制定了高溫氣冷堆除鹽水出水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)，見表2(除NH3、聯(lián)氨、pH及溫度外)。

表2 某電站除鹽水出水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Water quality control standard of desalted water in a power station

3 系統(tǒng)選擇

八河水庫(kù)水經(jīng)管道輸送到達(dá)廠區(qū)凈水站，經(jīng)過星形絮凝斜板沉淀設(shè)備和普快濾池的初級(jí)過濾處理，去除藻類、懸浮物等大顆粒物質(zhì)后，作為除鹽水系統(tǒng)的原水。

除鹽水處理系統(tǒng)由加熱、過濾、除鹽及輔助加藥系統(tǒng)組成。

原水使用加熱器加熱，蒸汽來自汽輪機(jī)的輔助蒸汽。加熱目的是保證原水溫度在25℃左右，以保證反滲透裝置在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

過濾系統(tǒng)是為了去除水中的懸浮固體、有機(jī)物、余氯等污染物，達(dá)到反滲透的進(jìn)水水質(zhì)條件。本工程選擇細(xì)砂過濾器和活性炭過濾器。選擇細(xì)沙過濾器而不選擇雙介質(zhì)過濾，是由于八河水庫(kù)水已經(jīng)過星形絮凝斜板沉淀設(shè)備+普快濾池的初級(jí)過濾處理，在除鹽水處理系統(tǒng)的反滲透裝置前再重復(fù)設(shè)計(jì)雙介質(zhì)過濾器的作用不大。

除鹽系統(tǒng)選擇性很多，根據(jù)GB/T 50109—2014《工業(yè)用水軟化除鹽設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 5068—2014《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于本工程來說，有2種工藝方案比較適用：①離子交換工藝，即一級(jí)反滲透+陽(yáng)床+陰床+混床；②全膜工藝，即一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透+電除鹽(EDI)。對(duì)方案1和方案2的占地、一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了估算，結(jié)果如表3所示。

表3 除鹽系統(tǒng)方案1和方案2經(jīng)濟(jì)性估算Tab.3 Economic estimation of scheme 1 and scheme 2 of desalting system

由表3可以看出：方案1(離子交換工藝)投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，需要酸堿再生陽(yáng)陰樹脂，需要配備酸堿儲(chǔ)存和再生系統(tǒng)，產(chǎn)生酸堿廢水，容易污染環(huán)境；方案2(全膜工藝)沒有酸堿廢液的污染，避免酸堿貯存、運(yùn)行的危險(xiǎn)，因而可提高核電站的安全性，且投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，出水水質(zhì)更好。因此，本工程選用全膜水處理系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]也指出，對(duì)于出力較小的單元，使用全膜法更經(jīng)濟(jì)。

輔助加藥系統(tǒng)包括壓縮空氣、加次氯酸納、膜清洗等單元，進(jìn)而設(shè)計(jì)出山東石島灣高溫氣堆核電站示范工程除鹽水處理系統(tǒng)全膜法工藝流程為：凈水站來清水→清水箱→清水泵→清水加熱器→細(xì)砂過濾器→活性炭過濾器→一級(jí)反滲透保安過濾器→一級(jí)反滲透高壓泵→一級(jí)反滲透裝置→一級(jí)淡水箱→一級(jí)淡水泵→二級(jí)反滲透保安過濾器→二級(jí)反滲透高壓泵→二級(jí)反滲透裝置→二級(jí)淡水箱→二級(jí)淡水泵→EDI裝置→除鹽水泵→核島、常規(guī)島及輔助系統(tǒng)(BOP)。同時(shí)，EDI濃水回流至一級(jí)淡水箱，二級(jí)反滲透濃水回流至清水箱。

4 工藝設(shè)計(jì)

高溫堆常規(guī)島及其BOP部分的廠內(nèi)輔機(jī)采用閉式循環(huán)冷卻水，補(bǔ)充水為除鹽水(補(bǔ)水量已計(jì)算入汽水損失中)，采用加聯(lián)氨除氧[18]。空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式。全廠除鹽水用戶及各用戶除鹽水用量如表4所示。除鹽水輸送到核島(1個(gè)接口)、常規(guī)島(1個(gè)接口)和BOP(1個(gè)接口)。

表4 全廠除鹽水用戶和除鹽水用量Tab.4 Desalted water users and desalted water consumption of whole plant

考慮水質(zhì)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)的應(yīng)對(duì)措施，并在系統(tǒng)配置、設(shè)備設(shè)計(jì)方面留有一定的裕度，除鹽水系統(tǒng)出力按需求量的1.5倍考慮，總出力取整后為50 m3/h。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2套，每套出力為25 m3/h。EDI出力即除鹽水系統(tǒng)出力，EDI設(shè)備選擇(2×25)m3/h，EDI設(shè)備水回收率≥90%。經(jīng)計(jì)算，得出如下結(jié)果。

二級(jí)反滲透出力，(2×28)m3/h，回收率≥85%；二級(jí)反滲透進(jìn)水、二級(jí)反滲透高壓泵和二級(jí)反滲透保安過濾器出力或流量，(2×33)m3/h；一級(jí)反滲透出力，(2×30)m3/h，回收率≥75%；一級(jí)反滲透進(jìn)水、一級(jí)反滲透保安過濾器和一級(jí)反滲透高壓泵出力或流量(2×40)m3/h；活性炭過濾器，出力為(3×33)m3/h，DN3 000 mm，流速為7.18 m/h，并聯(lián)運(yùn)行，2用1備；細(xì)砂過濾器，出力為(3×33)m3/h，DN3 000 mm，流速為7.18 m/h，并聯(lián)運(yùn)行，2用1備；清水加熱器出力為(2×50)m3/h。清水箱和一級(jí)淡水箱，(1×100)m3/h；二級(jí)淡水箱，(1×50)m3/h。正常情況下，過濾器2運(yùn)1備，加熱器、反滲透和EDI裝置均為2臺(tái)運(yùn)行。

5 設(shè)備選型

根據(jù)工藝計(jì)算結(jié)果選擇的主要設(shè)備參數(shù)如表5所示。細(xì)砂過濾器運(yùn)行控制點(diǎn)為過濾器出水濁度≥2 NTU，進(jìn)出口壓差值或周期制水量達(dá)到設(shè)定值；保安過濾器采用大流量折疊式濾芯，過濾精度為5 μm，高壓泵采用316不銹鋼；2套一級(jí)反滲透裝置的膜組件總數(shù)量為84支，單套為42支，按4∶3分為2段；2套二級(jí)反滲透裝置的膜組件總數(shù)量為60支，單套為30支，按3∶2分為2段。EDI裝置保安過濾器均采用大流量折疊式濾芯，過濾精度為1 μm；每套EDI裝置4塊膜塊，每塊膜塊產(chǎn)水量約6.5 m3/h。

表5 除鹽水處理系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)(設(shè)計(jì)值)Tab.5 Equipment parameters of desalted water treatment system (design value)

6 系統(tǒng)管路連接設(shè)計(jì)

清水加熱器設(shè)有旁路，來水溫度在合適的范圍時(shí)，不經(jīng)加熱器直接進(jìn)入過濾裝置。

細(xì)砂過濾器和活性炭過濾器均采用母管制連接。細(xì)砂過濾器正常運(yùn)行時(shí)2運(yùn)1備。活性炭過濾器正常運(yùn)行時(shí)均低流速投入運(yùn)行，當(dāng)有1臺(tái)需反洗時(shí)，其余2臺(tái)高流速運(yùn)行。活性炭過濾器設(shè)置了進(jìn)出口旁路，若來水水質(zhì)較好或整套活性炭過濾器故障無(wú)法投運(yùn)時(shí)，可將整個(gè)活性炭過濾器系統(tǒng)旁路，來水直接進(jìn)一級(jí)反滲透裝置。

一級(jí)反滲透裝置、二級(jí)反滲透裝置和EDI裝置均采用母管制連接，正常運(yùn)行時(shí)1運(yùn)1備，當(dāng)其中1套需要清洗或檢修時(shí)，退出運(yùn)行，啟動(dòng)備用；亦可同時(shí)2套設(shè)備運(yùn)行。

7 控制方式設(shè)計(jì)

整套除鹽水處理系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)控和就地操作相結(jié)合方式[19-20]。過濾器、反滲透裝置和EDI裝置均通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，運(yùn)行人員可通過LCD(液晶顯示器)和鍵盤操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、集中控制。程序控制可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的投運(yùn)、停止基本操作，包括反洗、再生、自動(dòng)/半自動(dòng)啟動(dòng)備用設(shè)備等，同時(shí)設(shè)有成組操作、分步操作和單獨(dú)操作功能，并設(shè)有必要的步序時(shí)間、狀態(tài)指示、選擇和閉鎖功能。遠(yuǎn)程操作的同時(shí)，也可就地人工操作，特別是遠(yuǎn)程系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，可通過人工操作實(shí)現(xiàn)控制功能。加藥系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)可在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控，也可就地操作，配藥、膜元件化學(xué)清洗等采用就地人工操作。所有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備(例如水泵、風(fēng)機(jī))都可在控制室遠(yuǎn)程操作，同時(shí)也可就地操作。

8 結(jié) 語(yǔ)

目前，所設(shè)計(jì)的高溫氣冷堆除鹽水系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行，控制方便，出水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，其中SiO2質(zhì)量濃度為5～10 μg/L，電導(dǎo)率為0.1 μS/cm(25℃)，F(xiàn)e質(zhì)量濃度為1 μg/L，Cu、Ni、SO42-、油質(zhì)量濃度為0 μg/L，Cl-質(zhì)量濃度為0.5 μg/L，Na+質(zhì)量濃度為0.8 μg/L，O2質(zhì)量濃度為20 μg/L，溫度(28±5)℃。

作為我國(guó)第一個(gè)高溫堆示范電站，本文對(duì)其除鹽水系統(tǒng)進(jìn)行了探索。首先在常規(guī)電站控制標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出了高溫氣冷堆除鹽水系統(tǒng)的控制標(biāo)準(zhǔn)；再結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)，對(duì)離子交換工藝(一級(jí)反滲透+陽(yáng)床+陰床+混床)和全膜法工藝，進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等性能比較，最終選用全膜法工藝。確定工藝方案后，設(shè)計(jì)工藝流程，計(jì)算工藝出力和流量，選擇設(shè)備型號(hào)和參數(shù)，連接管路，進(jìn)行遠(yuǎn)控和就地操作相結(jié)合的控制。運(yùn)行結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的某電站除鹽水處理系統(tǒng)運(yùn)行效果好，水質(zhì)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值，操作靈活簡(jiǎn)便，無(wú)需酸堿，提高了安全性，避免了酸堿廢液的污染。

希望本文能為以后的工程提供一些有益的借鑒，使得高溫氣冷堆除鹽水系統(tǒng)不斷優(yōu)化。■