交變電磁場在發電廠冷卻水系統的應用數據和分析

山西陽光發電有限責任公司 楊曉寧 付書明

山西陽光熱電廠安裝4臺320MW 發電機組，每臺機有獨立的冷卻循環系統，雙循環泵與凝汽器設置在汽輪機房內，系統設計循環流量約20000～35000m3/h。循環水系統為開式循環系統，補水為水庫水、市政中水、地下水等多種水源。循環水系統采用傳統的化學阻垢緩蝕劑、藥劑，保證系統在無垢、低腐蝕狀態下運行。因水質條件的限制，循環水濃縮倍數大多維持在4倍左右。隨著國家對工業廢水零排放要求的逐步落實，冷卻水系統需要在滿足除垢、防垢的同時，盡可能地提高濃縮倍數、減少補水和排水，確保生產換熱效率維持穩定且不能降低，這成為了各企業的當務之急。

1 技改方案實施

發電機組的冷卻循環水是廠區的主要用水系統。為提高機組運行效率和貫徹節能減排、實現零排放的要求，采用物理技術替代原有化學法，對廠區的1號發電機組冷卻水循環系統進行物理技術超低排放技術改造和試驗。2020年8月初，在循環水泵出口支管上安裝了兩套電磁水處理設備，在輔機循環水進水管道上安裝了三套電磁水處理設備。通過人工智能監控系統，在電廠集控中心對電磁水處理設備的工作狀態和主要技術參數等進行實時監控。交變電磁場技術通過電磁感應原理，可以改變水中帶電荷物質的運動方式，從而在冷卻循環水系統實現除垢防垢、物理絮凝、滅藻殺菌、抑制腐蝕等效果。

2 發電機組冷卻循環水系統運行數據分析

水質數據：電磁場水處理設備自2020年8月安裝調試投運后，通過對水質數據和機組運行數據的跟蹤和分析，確認電磁場作用的效果后開始做減排操作，濃縮倍數從技改前的4倍左右提升至6倍左右。試運行的三個月中，水質數據基本穩定，濃縮倍數維持在6～7倍。從圖1可看出，技改后冷卻循環水濃縮倍數明顯上升，同時水質的硬度和堿度也相應提升。

圖1 水質數據變化趨勢圖

發電機組運行數據：三個月中機組連續運行，1#發電機組的各項運行參數基本穩定，凝汽器端差和真空度維持在穩定范圍內。從圖2可看出，機組發電量基本穩定；真空的優化受水溫影響比較明顯，端差基本穩定。

圖2 機組運行數據曲線圖

輔助觀察膠球等表面：借助于電子顯微鏡下觀察對比2臺凝汽器的膠球效果，1#機組和3#機組的膠球表面沒有明顯差異，也沒有硬水垢結晶表現。

循環水系統腐蝕的抑制作用：現場1號機技改方案實施后，對循環水中鐵離子濃度進行跟蹤檢測和分析（圖3）。技改后的初期，因系統內有微量的水垢（一般為混合垢），除垢階段導致一定的鐵離子析出于水中，鐵離子濃度明顯增加。除垢結束后鐵離子濃度明顯下降。隨著水質濃度的增加，循環水體中鐵離子的含量趨于穩定，說明高頻電磁場對冷卻循環水系統有抑制腐蝕的效果。

圖3 鐵離子濃度變化趨勢圖

3 技術原理

3.1 防止換熱器內部生成新的硬水垢

換熱器內的水垢生成是一個復雜的結晶過程，水中致垢的主要物質是由鈣和鎂結晶形成的碳酸鹽與硫酸鹽，隨著溫度的升高其溶解度降低[1]，一部分鈣、鎂結晶物質析出沉淀下來，附著在管道或換熱壁上逐漸長大，成為附著力很強的晶體硬垢，主要成分是緊密的方解石晶格（中級晶族，三方晶系，晶格點群L33L23PC），電鏡下的結構圖見圖4。

圖4 方解石晶格的碳酸鈣

電磁水處理設備安裝在管道的合適位置上，設備產生的高頻電磁場在進入管道的過程中，由于金屬管道趨膚效應的影響，只有部分的交變磁場作用于流動的水體，感應出交變電流，高頻極化電流使電介質反復極化，促進正負離子或顆粒的相互碰撞，誘導形成更多數量的“離子締合體”，就是我們所說的晶核。當換熱器內部水溫上升時，過飽和的碳酸鈣離子團在晶核周圍抱團，生成松軟的文石晶格碳酸鈣（低級晶族、正交晶系，晶格點群3L23PC）[2]，電鏡下的結構圖見圖5。這種晶體結構不易附著在管道或換熱器的表面，從而阻止了硬水垢的生成。結晶物隨水流出，通過旁濾系統或排污口排出，或在流速較慢的水池里沉淀下來，從而保證管道及換熱器內壁無硬水垢附著。

圖5 文石晶格的碳酸鈣

3.2 去除冷卻水系統內已經結成的老垢

在阻止方解石碳酸鈣硬水垢生長的同時，高頻電磁場還可清除原有的老垢。傳統去除老垢的做法是采用化學酸洗，由于化學清洗不容易控制，容易造成對金屬容器的腐蝕或出現清洗不徹底的狀況。選擇物理除垢是對循環系統傷害最小、卻又最徹底的方式，只是需要較長時間。在高頻電磁場的作用下大水分子團破裂，自由化的水分子提高了水體的溶解度。同時，方解石晶格的老垢在磁場中獲得足夠的能量后變得不規則，有向文石轉化的趨勢，隨著水體中的碳酸鹽與硫酸鹽的析出，硬垢轉化成軟垢隨排污排走。利用誘導結晶造粒實現冷卻水的除垢、防垢，提高冷卻水的濃縮倍數，進而幫助實現全廠廢水零排放。

3.3 抑制腐蝕

循環水系統中的設備和管道的腐蝕機理較為復雜，一般通過投加化學緩蝕藥劑對金屬面進行覆膜保護，或采用陽極保護來控制腐蝕的發生。而在高頻電磁場的作用下，渦旋磁場感應產生交變電場，散布在整個管道系統內的水體里，管壁、設備壁表面無法形成陰極區和陽極區，分別抑制了陽極過程和陰極過程[3]，達到了緩蝕的作用。見圖6，圖7。

圖6 誘導同軸磁場

圖7 擴散力被抑制

綜上，在陽光熱電廠1號發電機組冷卻水系統采用高頻電磁場技術運行期間，對于循環水系統提高了濃縮倍數，減少補水和排水，同時機組運行穩定。另外，借助于PBPD 極化勢壘偏微分的人工智能運維系統，實時反饋高頻電磁場技術系統的運行工況，進而完成機器學習和數據庫積累，通過物聯網遠程監控手段使得系統運行更加安全可靠，有效保證了該系統的長期安全穩定運行。后續本次試驗的設備硬件和軟件程序都將會升級到“MIA 映射積分豐度”能量閾值運維監控系統，通過機器學習和數據庫的更加豐富、迭代算法持續優化，人工智能介入會更加穩定，冷卻水系統的運行也會更加安全可靠。