調相機外冷水系統結垢分析及改進研究

郝亞楠，李貴海，顏 慶，王 俊，郭 語

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

隨著特高壓電網的大規模建設投產，我國電網“強直弱交”的特性愈發明顯，直流換流站送、受端無功支撐能力不足，電壓波動明顯，國家電網有限公司組織研發了新一代大型調相機。大型調相機具備暫動態特性優、運行維護方便和安全可靠性高的特點，能夠通過強勵輸出大量無功功率起到快速恢復電壓的作用，可以提高電網運行穩定性和承受極端事件能力以及提升跨區輸電能力和新能源消納能力［1-5］。300 Mvar 調相機正常運行時產熱功率約為4 200 kW，為保證機組正常運行，需要將熱量導出，通常選用水作為換熱介質。水的比熱容大，吸收相同的熱量，水溫度升高得慢，同時水價格低廉、易獲取，具有良好的化學穩定性。在我國中東部地區水資源較為豐沛，受端電網裝設的調相機冷卻系統多為開式外冷水系統。調相機及其附屬系統運行時產生的熱量雖通過內冷水換熱器、冷油器和空冷器作為中間環節換熱，但最終出口為外冷水。外冷水水質穩定是保證外冷水系統正常運行的重要前提［6］。因此，做好外冷水系統的防腐、防垢、防菌藻工作，對切實保證機組的安全、穩定、經濟運行具有十分重要的意義。

國內某換流站300 Mvar 雙水內冷型調相機，外冷水補充水為城市自來水，冷卻方式為母管制開式外冷水系統，采用添加阻垢緩蝕劑、殺菌滅藻劑，輔助定期排污的方式控制外冷水水質，殺菌滅藻劑和緩蝕阻垢劑的加藥量由藥劑廠家和設計單位確定。2021 年，調相機年度檢修期間發現外冷水系統出現嚴重的結垢、堵塞和藻類滋生等問題。

1 結垢、腐蝕和微生物滋生

1.1 結垢機理及危害

水中溶解有各種鹽類，如重碳酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽，其中溶解的重碳酸鹽如Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2最不穩定，受熱分解CO2溢出，反應向右進行，即分解生成碳酸鹽［7-9］，化學反應如式（1）所示。

如水中溶有適量的磷酸鹽與鈣離子時，也將產生磷酸鈣的沉淀，化學反應如式（2）所示。

常見的水垢組成為：碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣、鎂鹽、硅酸鹽。

主要危害有：污垢系數大大增加，降低傳熱效率或產生傳熱不均，導致設備換熱效果不佳或局部出現過熱現象，影響設備運行；當設備結垢嚴重，管徑變小，流體阻力變大，增加管線壓差及電力消耗；設備表面結垢形成覆蓋，降低阻垢緩蝕劑性能；結垢嚴重造成水路堵塞等嚴重后果時，增加非計劃性停機可能。

1.2 腐蝕機理及危害

外冷水系統中的腐蝕主要為電化學腐蝕，也就是鋼材與水中氧氣作用而腐蝕；系統的懸浮物或黏泥在金屬表面容易形成斑點腐蝕，隨后由于氯離子的影響導致點蝕。另外，pH、溫度、流速、大氣污染物等也是影響腐蝕的因素［10-11］。

主要危害有：發生腐蝕會對設備造成較大損害，減少設備的使用壽命；腐蝕導致的跑冒滴漏等問題，增加設備維護及生產成本；持續的坑腐蝕或點腐蝕會導致設備穿孔造成難以維修而報廢；設備腐蝕產生安全隱患導致非計劃停機。

1.3 微生物問題

在外冷水系統中微生物的危害比水垢、電化學腐蝕的危害更勝一籌。微生物帶給系統的危害主要為污垢和腐蝕。敞開式外冷水系統中，由黏泥細菌引起的故障最多，其次則是由藻類、霉菌（絲狀菌）、球衣細菌（絲狀細菌）引起的故障［12-14］。

主要危害有：形成污垢沉淀，降低冷卻水的冷卻效果，增加能耗且影響運行；黏泥堵塞冷卻器，減小冷卻水通道的截面積，從而降低冷卻水的流量和冷卻效果；黏泥聚集在冷卻塔填料的表面或填料間，阻礙冷卻水通過，降低冷卻塔的冷卻效果；黏泥覆蓋在金屬表面，阻擋阻垢緩蝕劑到達金屬表面發揮其緩蝕與阻垢作用，阻礙殺菌滅藻劑殺滅黏泥中和黏泥下的微生物，降低藥劑的功效，加劇垢下腐蝕。

2 設備結垢腐蝕問題分析

2.1 外冷水水質結垢性分析

外冷水系統的水質受自身循環濃縮和城市自來水周期性補水所影響，對補充水（城市自來水）和外冷水（2022 年8 月及10 月）進行取樣化驗，開展循環水濃縮倍率試驗，結果如表1—表2 所示。

表1 補充水和外冷水檢測結果Table 1 Test results of industrial water and external cooling water

表2 濃縮倍率結果Table 2 Concentration ratio results

外冷水是否存在結垢傾向，通常用氯離子的濃縮倍率KCl與鈣離子的濃縮倍率KCa的差值ΔB表示，如式（3）所示。

根據發電企業循環水運行及化學監督的經驗看，循環水的總堿度一般控制在4.0～7.0 mmol/L，pH控制在8.4～8.8，ΔB值小于0.20，循環水系統不會發生腐蝕結垢［15］。

從表1 和表2 補充水和外冷水水質檢測結果來看，該站調相機補充水的硬度和總堿度偏高。補充水在濃縮時，總堿度和硬度不斷升高，超過了碳酸鈣的溶解度，就會發生結垢。從該站外冷水的檢測結果看，堿度達到了10.0 mmol/L 左右，pH 達到了9.0以上，ΔB值遠超過了優秀值0.2，8 月份ΔB為0.57，10 月份ΔB為1.06。從理論分析看，該站調相機外冷水已經發生較嚴重的結垢。

2.2 阻垢緩蝕劑匹配性分析

外冷水系統運行時，根據水質情況定期添加阻垢緩蝕劑和殺菌滅藻劑。同時根據外冷水的電導率值定期自動排污。根據2.1 節水質分析得知外冷水已經發生較為嚴重的結垢，為驗證阻垢緩蝕劑的性能，需要對添加的阻垢緩蝕劑與外冷水的匹配性進行研究。在外冷水的不同濃縮倍率下，通過開展調相機外冷水阻垢緩蝕劑性能試驗，計算阻垢率是否滿足要求，結果見表3—表4。阻垢率是指水中投加阻垢劑后，成垢離子被穩定（抑制）在水中的百分率，計算公式如式（4）所示。

表3 外冷水阻垢性能試驗Table 3 Scale inhibition performance test of external cooling water

表4 不同濃縮倍率下阻垢率Table 4 Scale resistance at different enrichment rates

式中：Z為阻垢率。

從表3—表4 可以看出，該站外冷水在濃縮倍率2.0 左右時碳酸鈣達到了過飽和狀態，碳酸鈣已經析出，而該站外冷水實際濃縮倍率在3.0 以上，從而導致外冷水系統出現嚴重的結垢現象。可知該站外冷水系統采用的阻垢緩蝕劑和外冷水的水質匹配效果不佳。

2.3 環境影響分析

2.3.1 風沙、灰塵等進入

調相機外冷水系統為開式冷卻水，風機頂部無隔網，水池周邊也無格柵，春秋季節風沙和雜物易進入外冷水池，導致池底沉積泥沙較多，而后進入外冷水系統后形成污泥。水池不具備排污泥功能易導致池底污泥堆積，池水渾濁，對水泵和管路也會造成損傷，降低設備使用壽命。冷卻塔長期運行中，塑料、蟲草、散熱填料等異物進入冷卻塔水池，將堵塞濾網導致外冷水流量減少，在換熱器等流速較為緩慢的地方易形成水垢；雜物還會附著在攔污柵上，造成冷卻塔水池與前池連通不暢，存在液位差導致分散控制系統（distributed control system，DCS）后臺頻繁報警。

2.3.2 微生物滋生形成生物黏泥

冷卻塔水池處于未封閉狀態，且水池不具備自清潔以及水質改善功能，冷卻塔水池中存在金屬離子、可溶性固體等累積。在經過長期的陽光直射，擋水板、格柵蓋板、水池內壁等處容易產生微生物繁殖、藻類滋生情況，致使水中的有機物黏泥超標，黏泥附著在換熱器表面會影響換熱效率，同時加速金屬的腐蝕。外冷水系統運行時，采用定期投加殺菌滅藻劑的方式抑制菌藻類滋生。殺菌滅藻劑可分為氧化型和非氧化型。長期小劑量添加單一類型的殺菌滅藻劑，使得菌藻類產生了抗藥性，處理效果不佳，造成菌藻類形成生物黏泥。

綜上可知，該站外冷水系統結垢嚴重，首要原因是所選用的阻垢緩蝕劑與外冷水不匹配；其次是外冷水系統為敞開式的運行方式，增加了塵土等雜質進入水系統的概率；最后殺菌滅藻劑的添加方式和使用方法不合理，導致藻類滋生嚴重加劇了外冷水系統的腐蝕結垢。

3 外冷水系統改進措施

為解決外冷水系統的結垢、黏泥、微生物滋生等隱患，開展高效外冷水阻垢緩蝕劑篩選、性能評價工作，同時采取其他一些處理措施，以確保該站外冷水系統的穩定運行［16］。

3.1 高效外冷水阻垢劑篩選及應用

3.1.1 高效阻垢劑篩選

選擇A、B 和C 三種阻垢緩蝕劑進行循環水阻垢緩蝕劑模擬試驗［17-18］，模擬試驗選擇與該站完全相同的運行方式，加藥質量濃度調整為20 mg/L，濃縮倍率為3.0 時實驗結果見表5。

表5 外冷水阻垢劑篩選試驗Table 5 Selection test of scale inhibitors for external cooling water

由表5 可知，選擇的三種阻垢緩蝕劑在不加酸情況下，濃縮倍率3.0 時均能滿足外冷水的阻垢要求；阻垢劑B 的阻垢率最高，其效果相對較好。

3.1.2 高效阻垢劑應用

高效阻垢劑的首次投加應按照外冷水系統的保有水量進行計算，該站外冷水系統保有水量約為500 m3，首次投加質量濃度為100 mg/L，阻垢劑投加量約為50 kg。

高效阻垢劑日常投加按照系統補水量進行計算，采取連續性投加方式，投加的阻垢劑質量濃度為20～30 mg/L，阻垢劑投加量根據每天外冷水池的補水量進行動態調整。

3.2 調整殺菌滅藻劑的加藥方式

外冷水系統目前采用小流量持續添加阻垢劑和殺菌滅藻劑，該種加藥方式易導致菌藻類產生抗藥性，殺菌效果變差。加藥方式調整為定期大劑量投加，其殺菌效果更佳，為避免同時添加阻垢劑和殺菌劑產生大量泡沫溢出外冷水池，投加殺菌滅藻劑時，應暫時停止投加阻垢劑，關閉排污循環運行24 h。當濁度（溶液對光線通過時所產生的阻礙程度）增加至最大時，應加大排污置換循環水至濁度＜10 NTU，再補加緩蝕阻垢劑；當投加殺菌滅藻劑時應適當降低補水量，以達到提高藥劑濃度、充分發揮藥效的目的。控制好外冷水日常指標，對于保證系統的安全穩定運行也是十分有效的。根據該站的水質情況及GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》中對循環水水質的要求，運行時控制外冷水質的pH在7.0～9.2，電導率小于2 000 μS/cm，濃縮倍率控制在3.0～3.3。

3.3 外冷水系統圍閉改造

針對沙塵和雜物進入外冷水系統，該站在檢修期間采取在冷卻塔進風口加裝格柵，出風口加裝網罩等措施進行物理圍蔽，減少塔內陽光直射，減緩藻類滋生，減少雜物進入冷卻塔水池，如圖1—圖2所示。

圖1 冷卻塔進風口增加格柵Fig.1 Add grille to the air inlet of the cooling tower

圖2 冷卻塔出風口增加網罩Fig.2 Add a mesh cover to the air outlet of the cooling tower

3.4 建議后續深度處理措施

為提高外冷水的水質、減少外冷水排污量，從冷卻塔水池取一路水進行旁濾處理。旁濾處理系統包括旁流砂濾、超濾（或活性炭）、反滲透（一級兩段）。旁濾處理系統可有效減少灰塵和沙粒等異物進入開式外冷水系統，降低外冷水的濁度，去除水中的懸浮物。當砂濾運行壓差偏高時，砂濾系統可以自動反沖洗，延長使用壽命。反滲透裝置可去除外冷水中結垢性成分，大幅提高外冷水的濃縮倍率，有利于節水。旁濾處理系統產生的潔凈水回到外冷水系統，而濃水排放，濃水排放量和蒸發量之和等于補充水補充量。增設旁濾處理系統可大幅度節約阻垢緩蝕劑的用藥量。根據該站外冷水系統循環水量、蒸發量、排污量等計算，冬季每天處理60 m3、夏季每天處理100 m3可保證外冷水水質穩定［19-20］。

除加裝旁濾處理系統外，由于該站地處北方，風沙較大、陽光照射造成藻類滋生，形成生物黏泥會在冷卻塔底部和前池沉積。在外冷水前池和冷卻塔底部加裝污泥排污泵，定期開啟污泥排污泵，可減少污泥在外冷水系統的沉積。旁流砂濾處理措施側重于去除外冷水中懸浮的雜質，排污泵排泥措施側重于風沙污泥堆積后的治理。

4 應用效果

更換高效阻垢緩蝕劑，通過水質檢測發現外冷水水質大幅提升，結垢傾向下降，濃縮倍率由2.0～3.0 提高至3.0～4.0，排污量減少約30%，污泥量減少1/3，降低了運維費用（水處理藥劑費用降為原來的50%～70%）。

調整殺菌滅藻劑加藥方式，并對外冷水系統進行圍蔽改造后，其外冷水池藻類滋生問題也得到了極大改善。

年度檢修時，對外冷水系統進行了檢查，發現外冷水設備狀況運行工況穩定，定轉子冷卻器、冷油器、閥門、冷卻塔等狀況良好，只有少量軟泥，無硬垢，如圖3—圖4 所示。

圖3 冷卻器、冷油器結垢情況Fig.3 Improvement of scaling in coolers and oil coolers

圖4 冷卻器管前后對比Fig.4 Comparison of cooler tubes before and after

5 結束語

針對外冷水系統腐蝕、結垢、微生物滋生等問題，通過分析水質、阻垢緩蝕劑性能試驗等結果，采取一系列解決提升措施，通過藥劑篩選更換高性能阻垢緩蝕劑，調整殺菌滅藻劑的種類及加藥方式，并對外冷水系統進行圍蔽改造。經過一年的運行后發現外冷水系統結垢、腐蝕、藻類滋生問題大幅改善。雖然采用高效阻垢緩蝕劑處理外冷水可減少系統的結垢和黏泥的產生，但要根治外冷水系統的腐蝕、結垢和微生物滋生問題，提高外冷水的水質、減少外冷水排污量，還需要對外冷水進行深度處理。建議對外冷水系統加裝旁濾設備和完善排泥措施，實現外冷水水質提升和減少排污。

下一步將研究在外冷水系統加裝電化學集成系統（集防腐蝕、防結垢、殺菌滅藻、零排放為一體的水處理系統），在保證機組安全穩定運行的前提下，避免藥劑使用，減少系統藻類滋生，優化水資源利用率，將外冷水濃縮倍率提高至5～10，實現節能減排的目的。