某電廠間冷循環水水質凈化系統改造技術方案研究

涂孝飛 康利生 楊彥科 孫 劍 徐友和

（1. 華北電力科學研究院有限責任公司西安分公司，陜西 西安 710065；2. 內蒙古京能雙欣發電有限公司，內蒙古 烏海 016100）

0 引言

目前國內間接空冷機組普遍存在間冷循環水pH值、電導率、鐵、鋁等離子含量高，間冷系統鋁翅片腐蝕泄漏，尤其是新建機組初期投運時，各項指標參數異常，冷卻三角管束底部與散熱器分配器連接部位泄漏嚴重的問題[1]。更為嚴重的是，機組轉正式生產運行后，間冷循環水上述化學監督項目超標的問題持續存在，給機組運行造成極大安全隱患。因此，針對間冷循環水水質超標原因進行具體分析并采取有效的處理措施顯得尤為重要。

1 凈化系統改造背景

1.1 間冷循環水系統設計參數

某廠凝汽式汽輪機和給水泵汽輪機的排汽進入表面式凝汽器由間冷循環水進行凝結，循環水受熱后經循環水泵升壓后進入自然通風間冷塔經空氣冷卻，冷卻后的循環水再回至表面式凝汽器形成閉式循環，循環水水質為除鹽水，間接空冷系統各工況主要性能設計參數如表1所示。

表1 間接空冷系統各工況主要性能參數（2×350MW機組）

1.2 間冷循環水水質情況

采用除鹽水對間冷系統進行沖洗。第一階段：扇區進回水管短接，進扇形板膨脹節處加裝堵板，沖洗水不進入扇區；第二階段：堵板拆除，采取邊補邊排的方式帶扇區一并沖洗，時長一個月，水質才達協議值（pH=6.7～8.0、SiO2≤10μg/L、SC≤2.0μS/cm、Al≤8μg/L、SS≤5mg/L）[2]，沖洗期間水質分析如表2所示。

表2 某電廠間冷循環水水質情況（系統沖洗）

系統于2019年9月轉生產運行，統計了生產運行半年內間冷循環水水質分析報告，結果如表3所示。

表3 某電廠間冷循環水水質情況（生產運行）

表3表明，間冷循環水水質各監督指標長期處于不合格狀態。其中pH值最高達9.55，平均值為8.30，在如此的堿性環境條件下鋁材發生強烈的堿性腐蝕，如圖1、圖2所示，導致鋁離子含量合格率僅為14.6%。該循環水水環境的持續存在和惡化，進而導致設備腐蝕加劇，電導率及懸浮物等指標合格率僅為72.3%、80.5%。形成水質差—腐蝕—水質差的惡行循環。

圖1 散熱器底部聯箱與配水管鏈接處腐蝕情況

圖2 散熱器底部聯箱與膨脹節法蘭螺栓腐蝕情況

1.3 凝液處理系統設計參數

該廠原設計一套凝液處理系統，具有去除懸浮物、有機物、油污以及陰陽離子的功能。工藝流程：化工來蒸汽凝液→回收水箱→凝液水泵→除鐵過濾器→活性炭過濾器→混合離子交換器→除鹽水箱。系統設計出水水質：SiO2≤10μg/L、CC≤0.15μS/cm、YD=0μmol/L，主要設備參數如表4所示。

表4 蒸汽冷凝液系統主要設備參數

2 研究方法及技術路線

2.1 研究方法

（1）綜合分析同類型間冷循環水系統已實施水質控制方案的優缺點，依托現有的凝液處理系統，制定間冷循環水水質凈化系統改造方案，并論證其必要性、可行性、經濟性等；

（2）按照改造方案的要求構建間冷循環水水質凈化研究智能管理系統。利用改造后系統內相應的在線電導率、pH等化學儀表，對間冷循環水系統水質進行實時監測與分析，構建實時、全程的監督系統；并開發自動報警、停運等功能；同時具有數據自動生成報表功能，便于數據的統計、分析、存儲等；

（3）創建自動控制系統，根據在線監測值與控制目標值的比較和計算，自動調整間冷循環水水質凈化處理水量，實現精準化調節，達到水質凈化的目的；當間冷循環水水質凈化系統出水水質異常時，系統應具有自動隔離功能，切除水質凈化系統，從而保證間冷循環水系統安全運行；

（4）腐蝕傾向模型構建，采用掛片試驗和電化學測量相結合的方式，構建間冷循環水防腐蝕智能評價體系，為今后同類型系統的設計、安裝、調試、運行提供重要參數借鑒。

2.2 技術路線如圖3所示。

圖3 間冷循環水水質凈化系統改造技術路線圖

3 水質凈化系統改造論證

3.1 必要性

設備在制造階段為防止管內壁受腐蝕介質的影響，采用弱堿性鈍化法對管內壁進行鈍化處理，該工藝容易在管束中殘留下Na+、Cl-及腐蝕介質H2O，當其接觸O2后，發生腐蝕。被腐蝕的地方呈活化狀態為陽極，未受到破壞的為陰極，形成“供氧差異電池”，從而產生點蝕，短時間內將管壁腐蝕穿透，導致電導率、鋁離子升高[3]；國內350MW和660MW間接空冷超臨界機組首次扇區充除鹽水，并接觸到散熱三角底部進（出）水膨脹節碳鋼-1050A純鋁散熱器時，就會造成1050A純鋁和Q235B碳鋼耦合的電偶腐蝕，該電偶腐蝕是循環水pH突發性升高的直接原因[4-6]，同類型電廠間冷循環水在調試期、生產初期間冷循環水系統均出現了pH、電導率、鋁離子普遍異常的現象，系統設備也出現了不同程度的腐蝕、泄漏。為更好的保證機組的安全、長期、經濟運行，急需對間冷循環水系統水質進行優化控制，防止設備腐蝕泄漏的事故擴大化，間冷循環水水質進行有效處理的必要性顯得尤為突出。

3.2 可行性

針對間冷循環水水質現有問題，目前主要的調整處理方式為除鹽水置換法、加酸調節法、旁流處理凈化法等。

除鹽水置換方式主要應用于機組調試期間，受迫于系統的潔凈程度以及工程建設進度的限制，基建期間冷循環水系統通常采用邊補邊排的方式對循環水水質進行優化調整；部分運行機組受制于經濟方面壓力仍然采用該方式維持運行。但由于間冷循環水系統管線廠、管徑大、儲水量大等因素影響，僅通過換水的方式來實現降低pH值及其它離子含量，不僅時效性差、經濟性也差。

加酸調節法主要向系統加入碳酸、抗壞血酸等弱酸來實現降低間冷循環水pH值，有的甚至引入亞硫酸。該種處理方式能夠快速實現對間冷循環水pH值的降低，但是對循環水中其它超標離子的調整無能為力；在加入弱酸的同時，還引入了其它元素離子，對循環水系統防腐蝕體系的控制帶來了更多的不穩定因素，短期快速調整pH可行，長期運行其還是存在很大的弊端。

旁流處理凈化法參照濕冷機組循環水處理的模式，采用過濾+除鹽設備對部分間冷循環水進行旁流凈化處理，已有少量電廠在探索應用中，主要采用工藝為過濾器+陽離子交換器。通過過濾器對間冷循環水中的泥沙、鐵銹、固體雜質進行過濾去除，再利用陽床對水中的Na+、Al3+、Ca2+、Mg2+等陽離子進行去除，同時置換出氫離子，氫離子與氫氧根離子反應，從而達到降低循環水pH的目的，效果明顯，pH和電導率均能達到技術協議要求值。但是該種工藝僅采用過濾器加陽床的工藝，也存在一定缺陷。其一，陽床僅能夠實現對循環水中的陽離子進行去除，而無法實現對氯離子、硫酸根等陰離子進行去除；其二，陽床出水呈強酸性，當其與氯離子、硫酸根結合，存在循環水系統設備局部產生強酸腐蝕的風險。

綜上所述，若采用精除鹽（混床）替代現有旁流處理凈化法的陽床，效果則更佳。其不僅能夠調整pH，還能去除陰陽離子，達到最優的循環水質控制參數，保證系統設備的安全、經濟、穩定運行。如表4所示，該廠凝液處理系統正符合間冷循環水水質凈化要求。因此，對現有凝液處理系統進行技術改造從而實現間冷循環水的水質凈化，在保障機組安全運行的同時，為今后同類型機組的設計、選材、安裝、調試、運行提供重要的參數和經驗借鑒。無論是從工程建設角度，還是從保證間冷循環水系統設備運行的工藝參數調整控制因素考量，該方案具有一定的市場推廣潛力，后期可獲取可觀的經濟效益，助力于企業節能減排的同時，企業競爭力和品牌效應也得到有效提升。

3.3 經濟性

據調查，單臺350MW機組間接空冷循環水水質惡化造成除鹽水浪費、更換鋁板、電資源浪費、廢水處理、機組非停電網考核共計約150萬[7]。該廠若繼續沿用原有的除鹽水置換方式對間冷循環水進行水質控制調整，按照單臺機組補水率300t/d，除鹽水綜合費用約為18.3元/t計算，過濾+精除鹽（混床）間冷循環水旁流處理工藝的順利實施，不僅可以避免因水質惡化造成的損失，每年還可回收除鹽水約10.95萬噸，產生經濟效益約200萬元，經濟效益極為可觀。

4 凈化系統設計及控制

按照DL5068-2014《發電廠化學設計規范》[8]、GB 50050-2017 《工業循環水冷卻水處理設計規范》[9]的要求，對現有的冷凝液處理系統進行改造。主要包括管道系統改造、增設在線儀表、自動控制系統優化等，實現間冷循環水水質凈化、水質監督、自動調整、系統腐蝕動態評價等。

4.1 凈化系統設計

間冷循環水冷卻水（熱水）引一路循環水至冷凝液處理系統冷凝液提升泵出口母管處，該部分循環水經除鐵器+活性炭過濾器+混合離子交換器處理后，經管道將該部分間冷循環水匯流至循環水冷卻水回水（冷水）管，如圖4所示。

圖4 間冷循環水水質凈化裝置及控制系統

（1）按照上述要求，新增間冷循環水冷卻水（熱水）至凝液處理系統及冷液處理系統至間循環水冷卻水回水（冷水）管道，管材選用Φ219×6mm-CP，避免管被道腐蝕，導致產物進入循環水系統；

（2）進水管處設計電動調閥，根據水質情況，自動調節水質凈化系統旁流處理流量，節能效果佳；

（3）循環水至凝液處理系統、凝液處理系統至循環水系統管道應加裝手動隔離閥和逆止閥，隔離閥安裝在近循環水管側，逆止閥安裝為近凝液側，保障循環水系統安全運行，避免因凝液處理系統的檢修影響循環水系統運行，從而對機組的安全運行帶來隱患；

（4）間冷循環水旁流自動控制系統主要包括進水、回水在線電導表、在線pH表及其附屬的控制系統、電氣系統等，實時監視處理前后的水質情況和提供水質凈化流量設定參數；

（5）配置相應的熱工硬件、軟件，實現系統的自動化控制，達到無人值守，減少由于運行人員手動頻繁操作帶來的安全隱患，提高機組運行安全性；

（6）配置在線腐蝕監測平臺。腐蝕傾向模型構建，采用掛試片的方式，動態采集鋁制散熱器腐蝕數據，從而確定最佳運行環境，如pH值、溫度、氧化還原電位等；

（7）自動控制系統根據監測結果與設定值進行綜合對比計算，根據運算結果自動調整水質凈化流量，指標符合設定值時，系統自動停運，并兼有異常報警功能，納入全廠DCS控制系統。

利用該旁流改造系統定期的周期性運行，從而實現對間冷循環水過濾、除鹽、pH調節等功能，達到間冷循環水設備廠家對間冷循環水水質控制要求，直接將冷凝液處理系統旁路運行在間接空冷循環水系統中，可利用循環水泵作為動力來源，省去原處理方式的排水、補水等環節，簡化了工藝系統。

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4.2 工作流程及控制方式

如圖5所示，打開水質凈化裝置的進出水隔離閥及系統內相應的手動閥、取樣電磁閥，控制系統送電自檢，成功后，控制系統準備就緒。

控制系統實時采集進水在線濁度、pH、電導率等循環水水質數據，并與設定的標準范圍值進行自動比較，當其中任一指標不在設定的標準范圍內時，自動啟動循環水凈化系統，開始對間冷循環水進行旁流凈化處理；進水水質會不斷接近標準范圍值，此過程中控制系統會根據實時值與標準范圍值的偏差進行自動PID積分運算，合理調整進水流量調節閥的開度，控制水質凈化處理流量，保證間冷循環水處理裝置的自動安全、經濟運行；進水水質已經達到標準范圍要求值時，控制系統停止運行，系統工作流程及控制方式如圖5所示。

圖5 間冷循環水水質凈化系統工作流程及控制方式

4.3 智能評價體系

4.3.1 評價體系構建

根據間冷循環水系統改造方案的要求，設計一種間接空冷循環水腐蝕在線智能監控平臺。其不僅能夠對間冷循環水旁流處理前后腐蝕情況給予準確、合理、有效的評價，還可以通過腐蝕速率與氧化還原電位（ORP）對應的腐蝕電位曲線，尋求最佳的間接空冷循環水水質控制指標。從而保證間接空冷循環水系統長期安全運行。

間接空冷系統循環水腐蝕在線智能監控平臺由安裝在間冷循環水旁流處理系統前后的腐蝕動態監視裝置（分別為圖6中的位置1、位置2）、氧化還原電位測量單元、智能微處理單元等組成，如圖6、圖7所示。

圖6 間冷循環水旁流處理系統示意圖

圖7 一種間接空冷循環水腐蝕在線智能監控平臺

4.3.2 評價模型

在間冷循環水旁流處理前的監視管段（4-1）內放置與間冷循環水系統材質相同的腐蝕速率測定試片（6-1），記錄其初始質量M1-1（g）和表面積S1（m2）；運行一定周期時間T（h）后，再次稱重并記錄其質量M1-2（g），則該周期時間內腐蝕速率測定試片的腐蝕速率為：

同理；

在間冷循環水旁流處理后的監視管段（4-2）內放置與間冷循環水系統材質相同的腐蝕速率測定試片（6-2），記錄其初始質量M2-1（g）和表面積S2（m2）；運行一定周期時間T（h）后，再次稱重并記錄其質量M2-2（g），則該周期時間內腐蝕速率測定試片的腐蝕速率為：

則間冷循環水旁流處理系統緩蝕效率為：

4.3.3 體系特點

（1）智能微處理器將自動生產腐蝕速率F與氧化還原電位的曲線圖，按照設定的數據模型篩選出最優曲線；通過曲線獲取最優工況時的氧化還原電位，再通過化驗分析該氧化還原電位下的循環水水分析項目的具體含量，從而獲取間冷循環水系統最佳運行工況和循環水水質控制標準；

（2）間冷循環水腐蝕在線智能監控裝置設計有透明窺視窗，運行期間可通過該視窗觀察腐蝕速率測定試片的表面情況，從而可以更好的幫助確定緩蝕評價周期；

（3）間接空冷循環水腐蝕在線智能監控裝置入口設計有電動調節閥，不僅可以保證循環水旁流處理前后腐蝕速率評價客觀的一致性，還能保證與機組循環水系統流速一致，更符合間冷塔設備運行工況；

（4）通過保證循環水旁流處理前后腐蝕在線智能監控裝置流速、表面積、溫度、運行周期等影響因素的一致性，從而確保了采用氧化還原電位來間接表征腐蝕速率的準確性、有效性、及時性；

（5）利用腐蝕測定試片的腐蝕速率及旁流處理系統的緩蝕效率兩項指標綜合評價旁流處理系統運行效果更為合理和準確。

5 結論

（1）凝液處理系統經技術改造后用于間冷循環水系統，促進間冷循環水水質凈化更徹底，使得間冷循環水水質得到有效的改善和控制，各項水質分析指標能夠達到設備廠家技術協議要求值，消除了間冷系統腐蝕隱患，提高了機組運行的安全系數；

（2）凝液系統按照方案實施改造后，不僅能夠實現對廠外冷凝液的回收處理，還能對間冷循環水進行水質凈化，將其功能發揮最大化，由于間冷循環水水質凈化僅需定期周期性運行，因此新增系統管道閥門均按手動閥門設計，減少系統改造投資，實現更高的產出投入比；

（3）采用過濾+活性炭吸附+混合離子交換除鹽的間冷水質凈化工藝，除懸浮物、離子、有機物更為徹底，處理流量高達140m3/h，水質調整成效快、效果明顯；

（4）監測、控制、調節均納入DCS集中控制系統，實現動態調節及無人值守功能，間接空冷循環水腐蝕在線智能監控平臺的構建則將間冷循環水系統運行體系的狀態給予實時化、數據化的評價，更加促進技術人員對于設備安全、經濟運行的管控。