某電廠鍋爐補給水系統全膜法調試問題及對策

張 凱，陳玉強，陳 陽，李小軍，王牛旺，劉貴棟，胡明睿

（1.西安西熱水務環保有限公司，高效靈活煤電及碳捕集利用封存全國重點實驗室，陜西西安 710054；2.華能慶陽煤電有限責任公司，甘肅慶陽 745000）

2021 年，國家相關部門先后發布《關于推進污水資源化利用的指導意見》和《關于加強城市節水工作的指導意見》，明確提出到2025 年全國地級及以上缺水城市再生水利用率達到25%以上，京津冀地區達到35%以上的總體目標〔1-2〕。為貫徹落實國家相關環保及節水政策，越來越多的電廠鍋爐補給水系統進水水源也由原先的地表水、地下水等逐漸轉變為城市再生水〔3-6〕。以超濾-反滲透-電去離子（EDI）為代表的全膜法處理工藝已經成為電廠鍋爐補給水系統新建或技改項目中的首選工藝〔7-9〕。華北地區某電廠擬采用城市再生水作為燃煤機組鍋爐補給水系統水源。該電廠現有化學制水系統采用超濾、反滲透和離子交換工藝，建成時間較早，部分設備老化，運維成本逐年升高，現有系統出力不能夠滿足電廠后期的正常用水需求，且水源更換為城市再生水后，原有工藝的處理效果難以達到高品質除鹽水的水質標準。因此，該電廠對現有鍋爐補給水系統進行提標擴容改造。

本研究對該電廠新建鍋爐補給水系統各主要處理單元調試過程中出現的典型問題進行歸納分析，給出相應的解決對策，并進行運行效果和經濟效益分析，旨在為同類工程項目的設計建設和調試運行提供參考。

1 工程概況

1.1 進水水質

該電廠新建鍋爐補給水系統設計總產水量為400 m3/h，分為4 個系列，系統水源取自附近生活污水處理廠的城市再生水，來水由兩路DN 800 管道自流進入廠區，經提升泵送至變孔隙濾池，出水加氯錠殺菌后進入后續鍋爐補給水處理系統。系統水源水質見表1。

表1 系統水源水質Table 1 Water source quality in the system

1.2 出水水質目標

系統出水水質執行現行國家標準《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》（GB/T 12145—2016），具體見表2。

表2 系統出水水質目標Table 2 Effluent quality objectives of the system

1.3 工藝流程

新建鍋爐補給水系統采用“超濾-一級反滲透-二級反滲透-EDI”的全膜法處理工藝。主系統流程為變孔隙濾池產水→超濾給水泵→板式換熱器→疊片式自清洗過濾器→超濾裝置→超濾產水箱→一級反滲透給水泵→一級反滲透保安過濾器→一級反滲透高壓泵→一級反滲透裝置→一級淡水箱→二級反滲透給水泵→二級反滲透保安過濾器→二級反滲透高壓泵→二級反滲透裝置→二級淡水箱→EDI 給水泵→EDI 保安過濾器→EDI 裝置→除鹽水箱。

此外，還配備有超濾、反滲透及EDI 化學清洗單元和阻垢劑、還原劑、非氧化性殺菌劑、鹽酸、次氯酸鈉、氫氧化鈉加藥單元等輔助系統。

2 工藝特點及運行方式

2.1 超濾處理單元

超濾處理單元分為4 套。單套超濾裝置凈出力169 m3/h，配置42 支KOCH-TARGA 系列10072-35型號的立式中空纖維膜組件，采用內壓式死端過濾模式運行。每套超濾裝置前設有1 臺過濾精度為100 μm 的疊片式自清洗過濾器，每隔30 min 周期性反洗1 次。超濾產水進入總容積1 600 m3的兩座鋼制聚脲防腐水箱。

超濾裝置正常制水和反洗時均投加次氯酸鈉溶液，反洗用水取自超濾產水箱；累計反洗30 次后投加氫氧化鈉和次氯酸鈉溶液進行1 次堿加強反洗；累計堿洗3 次后投加鹽酸溶液進行1 次酸加強反洗。上述運行過程往復循環，均通過DCS 系統自動實現，確保超濾產水濁度＜0.1 NTU。

超濾化學清洗單元和反洗單元分別設有過濾精度為100 μm 的保安過濾器。反洗廢水排入回收水池，酸堿加強反洗廢水和化學清洗廢水排入酸堿廢水池，之后通過液位控制自動啟停水泵將廢水分別提升至后續處理單元，實現廢水分質分類回收。

2.2 反滲透處理單元

一級和二級反滲透處理單元各有4 個系列，每個系列分別包含1 臺過濾精度為5 μm 的立式保安過濾器、1 臺高壓泵和1 套反滲透裝置，反滲透裝置均為一級兩段式。產水分別進入容積為800 m3的一級淡水箱和容積為250 m3的二級淡水箱。為避免二級反滲透產水水質受到過多外界空氣等環境因素影響，二級淡水箱采用下進水方式，進水管位于水箱側面下部。

單套反滲透裝置主要性能參數見表3。

表3 單套反滲透裝置主要性能參數Table 3 Main performance parameters of a single set of reverse osmosis device

一級反滲透處理單元進水母管上設有還原劑和非氧化性殺菌劑加藥點，每臺保安過濾器進水管上設有阻垢劑加藥點。此外還配有沖洗單元，沖洗用水取自一級淡水箱，用于一級反滲透裝置停運時的維護性沖洗，沖洗廢水排入回收水池。二級反滲透處理單元進水母管上設有氫氧化鈉加藥點。一級反滲透濃水排入電廠原有調節池，經摻混泵送至脫硫漿液工藝補充水箱，實現分質回用。二級反滲透濃水回收至超濾產水箱再處理利用。

2.3 EDI 處理單元

EDI 處理單元分為4 套，單套產水量100 m3/h，每套EDI 裝置進水前端配有1 臺過濾精度1 μm 的立式保安過濾器，單套EDI 裝置設有14 個蘇伊士ECELL-MK7 型號的逆流EDI 膜塊。每套EDI 裝置的進水調節閥、產水閥和產水排放閥均為氣動控制閥，其余閥門采用手動閥。每套EDI 裝置的產水管上分別設有電導率和硅質量濃度檢測點，并配有在線電導率儀和硅酸鹽在線分析儀，運維人員可通過在線儀表實時反饋的數據來監測產水水質是否滿足要求。

EDI 和反滲透處理單元共用1 套化學清洗裝置，配有過濾精度為5 μm 的保安過濾器、容積為8 m3的鋼襯膠水箱（含電加熱器）、化學清洗離心泵、對應管路及控制系統。

3 系統調試及運行效果

3.1 超濾系統

3.1.1 主要調試問題及對策

1）進水母管壓力與泵運行頻率聯鎖，進水量與閥門開度聯鎖。

超濾系統采用進水母管制，配有2 臺變頻和2 臺工頻給水泵，3 用1 備。投運1 套或2 套超濾裝置時，分別對應啟動1 臺或2 臺變頻泵；投運3 套或4 套超濾裝置時，啟動2 臺變頻泵和1 臺工頻泵。停運時，工頻泵先于變頻泵停運。超濾系統進水母管上設有壓力變送器，投運不同套數的超濾裝置對應設定不同的進水母管壓力，此壓力值通過變頻給水泵適時調整運行頻率來實現。每套超濾裝置進口設有進水氣動調節閥，設定閥門開度與超濾裝置的運行水量聯鎖，運行水量由操作人員根據生產需求人為給定，但不得大于設計水量。

以上控制方式運行邏輯簡單，在超濾系統投入運行之初，系統運行穩定，人為干預很少。但隨著系統投運時間的累積，超濾膜性能降低，當即使通過酸堿加強反洗也無法達到原有膜通量時，為保證超濾裝置的產水量，其進水調節閥的開度將自動增大，當進水閥的開度調節到一定限度后，只能靠提高超濾系統進水母管的壓力值來保證裝置產水量，與之對應的，變頻泵的頻率也會增大。當通過增大進水調節閥的開度和提高進水母管的壓力均無法達到超濾裝置的設計水量時，必須對超濾系統進行化學清洗以使其恢復至正常運行狀態。

2）反洗排隊及優化。

超濾反洗單元公用2 臺變頻反洗水泵，1 用1備。多套超濾裝置投運易出現扎堆反洗的現象，即多套超濾裝置在同一時段內同時或先后執行反洗指令，反洗時段重疊，因此，在設計控制邏輯時，需遵循排隊反洗原則，排隊等待期間超濾裝置正常制水。

若4 套超濾裝置同時或先后間隔幾秒執行反洗指令，由于單套裝置反洗程序包含下反洗、上反洗、快沖和正洗，總歷時約2.5～3 min，則第4 套超濾裝置將多制水約9 min 后再進行反洗，且4 套超濾裝置在約12 min 內連續排放大量反洗廢水至室內排水溝及回收水池。以此類推，超濾裝置的數量越多，在出現上述情況時，最后一套超濾裝置的排隊等待時間就越長，即一個周期內的制水時間就越長，不利于其長期穩定運行。因此，操作人員宜依次啟動多套超濾裝置，注意前后兩套超濾裝置的啟動間隔＞3 min，這樣能人為消除反洗排隊時長，有利于保障每套超濾裝置的產水水質及膜元件運行壽命。

3）反洗過程的水錘效應消除。

由于超濾系統采用進水母管制，當任一套裝置執行反洗步驟時，其進水閥關閉的瞬間將引起其他幾套超濾裝置的進水量突增，這就要求其他進水閥應迅速減小開度并精準調整水量為運行設定值，否則，長此以往會對膜元件造成水力沖擊，導致端蓋抱箍處漏水，甚至膜斷絲。因此，在設計控制邏輯時，要求超濾裝置在執行反洗程序時其進水調節閥緩慢關閉，同期正常制水的超濾裝置的進水閥同步靈敏精準調節。

超濾裝置反洗流量設計值約為進水流量的2.5～3 倍，為避免反洗大流量對膜元件和管路的沖擊，設定超濾反洗水泵緩慢變頻軟啟動，從頻率為0 調整至反洗設計流量對應頻率的時間應控制為50 s。

4）優化化學清洗水箱各管道接口。

超濾化學清洗單元配有容積10 m3的鋼襯膠水箱，配套2×30 kW 電加熱器，水箱頂部設有除鹽水進水管和鹽酸、次氯酸鈉、氫氧化鈉加藥管，配藥時通過啟動對應的加藥泵將適量藥液注入水箱，消除以往工程中需打開水箱頂部加藥孔人工倒入藥液的操作不便性和安全隱患。

水箱頂部還設有DN 300 的化學清洗回液管和水泵回流管，這兩個管口應設計在化學清洗時水箱內維持的液面以下，以盡可能地減少清洗液中混入空氣，且這兩個管口的位置應遠離化學清洗泵進水口和磁翻板液位計上下接口，以免引起水流擾動和測量誤差。同時，為保證超濾系統完全充水清洗，化學清洗回液管的底標高應高于超濾膜元件和進出水管道。水箱采用底部排空方式，消除側排空無法徹底排出廢液的缺點。

3.1.2 運行效果

運行過程中，在超濾進水母管管道混合器前端投加質量分數為10%的次氯酸鈉藥液（調試暫定2 mg/L）作為殺菌劑；酸堿加強反洗時，在超濾反洗進水母管管道混合器前端分別投加質量分數為31%的鹽酸藥液（調試暫定400 mg/L）和質量分數為10% 的次氯酸鈉（調試暫定200 mg/L）+質量分數為45%的氫氧化鈉（調試暫定450 mg/L）混合藥液。系統投運以來，運行穩定，在線監測儀表反饋進水水溫在20～26 ℃間，出水濁度＜0.1 NTU，產水量滿足設計和運行要求；多次人工取樣測定出水TSS＜1 mg/L。

3.2 反滲透系統

3.2.1 主要調試問題及對策

1）一級反滲透裝置進水污染指數（SDI）控制。

一級反滲透裝置膜元件安裝前，關閉保安過濾器進水閥，啟動給水泵用超濾產水對一級反滲透進水母管連續進行大流量沖洗，沖洗廢水排至回收水池。在一級反滲透進水母管的人工取樣點處連接SDI 測定儀，多次測算SDI，當SDI＜5 時，可滿足該型號膜元件的進水條件。

2）藥劑投加量控制。

一級反滲透系統運行過程中，在進水母管管道混合器前端投加質量分數為5%的亞硫酸氫鈉藥液（調試暫定3 mg/L）用于還原來水中的余氯等氧化性物質，通過在線ORP 計動態監測氧化還原電位并控制其值在±200 mV 以內。為避免保安過濾器內生物性污染，間斷性地在進水母管管道混合器前端投加質量分數為1.5%的氯酚類、季銨鹽類等非氧化性殺菌劑（調試暫定100 mg/L）。非氧化性殺菌劑應間斷性沖擊式投加，避免以固定劑量連續性長期投加導致菌類產生耐藥性。在每臺保安過濾器進水管管道混合器前端還需投加稀釋的高分子聚合物類阻垢劑（調試暫定3.5 mg/L）溶液，以降低反滲透膜結垢污堵傾向。

二級反滲透系統運行過程中，在進水母管管道混合器前端投加質量分數為45%的氫氧化鈉溶液，通過DCS 設定堿液投加量與進水pH、水量自動PID聯鎖，控制二級反滲透裝置進水pH 穩定在8.5 左右，從而去除水中游離CO2，避免對后續EDI 處理單元產生影響。

3）二級反滲透裝置濃水側管路優化。

運行人員根據生產需求，在用水量低峰期僅投運部分系列工藝設備，須做好停運設備的日常維護性沖洗工作。如圖1 所示，4 套二級反滲透裝置的濃水排放管路采用母管制，正常運行時，圖中氣動蝶閥關閉，濃水經截止閥和止回閥后回收至超濾產水箱；維護性沖洗時，打開濃水排放氣動蝶閥、產水排放閥及相應的進水閥，并啟動低壓給水泵用一級反滲透產水持續對裝置進行沖洗。由于濃水排放壓力遠大于濃水側沖洗壓力，因而，在部分二級反滲透裝置投運時，因背壓現象無法對其他二級反滲透裝置進行沖洗，4 套裝置均停運時，才可逐一對其進行沖洗，否則無法具備沖洗條件，長期以往容易造成膜污染堵塞。

圖1 二級反滲透系統濃水側管路示意Fig.1 Schematic diagram of concentrated water side pipeline of second stage reverse osmosis system

為滿足在某二級反滲透裝置投運同時能對其他二級反滲透裝置進行維護性沖洗的工況需求，按圖2 所示對濃水側管路進行優化。濃水沖洗管路上部為拱橋型，且拱橋型管道底標高高于頂部膜元件最高點，這有利于二級反滲透裝置完全充水沖洗，經現場實踐，可滿足運行要求。

圖2 優化后二級反滲透系統濃水側管路示意Fig.2 Schematic diagram of concentrated water side pipeline of optimized second stage reverse osmosis system

此外，系統啟停過程中，高壓泵頻率應緩升緩降，避免突變引起水錘效應。

3.2.2 運行效果

從DCS 系統隨機調取反滲透系統1 個月內的連續運行數據，如表4 所示，反滲透系統的回收率及脫鹽率均滿足設計和后續處理單元的運行要求。

表4 反滲透系統運行效果Table 4 Operation effect of reverse osmosis system

3.3 EDI 系統

3.3.1 主要調試問題及對策

1）啟停過程的水錘效應消除。

EDI 裝置啟動時，DCS 系統按照控制策略執行以下步驟：①開啟產水排放閥，以排放不合格產水及啟動初期管路內空氣；②15 s 后緩慢勻速開啟進水調節閥至設定開度；③進水調節閥開度達到5%時開啟對應的給水泵，給水泵頻率勻速緩慢升高至設定值；④進水調節閥達到設定開度且給水泵達到設定頻率60 s 后開啟EDI 整流器電源；⑤當產水電導率≤0.1 μS/cm 且硅質量濃度≤10 μg/L 時，產水閥開啟；⑥15 s 后產水排放閥關閉，裝置進入正常制水狀態，產出合格水至除鹽水箱。

EDI 裝置停運時，執行以下步驟：①開啟產水排放閥，關閉產水閥；②15 s 后關閉EDI 整流器電源；③15 s 后對應給水泵的頻率緩慢降低至0 并停泵后，EDI 裝置的進水調節閥再緩慢勻速關閉；④5 s 后產水排放閥關閉，裝置完全停運。

啟停過程中，應嚴格限制產水閥和產水排放閥不得同時關閉或瞬間關閉，且給水泵及進水調節閥應緩開緩關，從而防止水錘效應影響EDI 裝置穩定運行。

2）膜塊斷水信號消除。

4套EDI 裝置共設有56 個EDI 膜塊，每個膜塊配有單獨的電源裝置，正常運行時單個膜塊的運行電壓為75～95 V，運行電流為1.8～2.1 A。EDI 裝置執行完前述6 個啟動步驟后，若有部分EDI 膜塊電源裝置的運行指示燈未亮，DCS 控制系統的畫面上將會顯示“斷水”信號，分析出現此現象的主要原因并提出解決措施：①由于采用逆流EDI 膜塊，其濃水進口位于膜塊頂部，為防止運行中濃水竄入淡水室，需調節濃水進口減壓閥或手動閥開度嚴格控制濃水進口壓力比產水壓力低0.02～0.04 MPa，若不滿足此條件，膜塊可能出現斷水信號；②對應EDI 膜塊極水或濃水浮子流量計的浮子低于其限位開關，或限位開關松動，致使該膜塊自動斷電，可檢查限位開關是否高于正常位置或松動，其次可通過輕敲浮子流量計底部或緩閉浮子流量計進水閥使浮子恢復其正常位置；③給水泵出力不足致使EDI 裝置進水流量和進水壓力不滿足正常運行要求，通常是泵腔內混入空氣導致，可松開給水泵出口壓力表，及時排除泵腔內空氣；④4 套EDI 裝置進水端和產水端均采用母管制，任一套EDI 裝置在啟停過程中，可能會影響其他正常運行的EDI 裝置短時間內出現斷水信號，待其啟停穩定后，斷水信號隨即自動消失。

3）儀表取樣管排氣。

為嚴格保障除鹽水箱的進水水質，EDI 裝置啟動時，在線分析儀表反饋至DCS 系統的產水電導率和硅質量濃度達標后，系統才會自動開啟產水閥。若產水管上的電導率測定點和硅質量濃度測定點至分析儀表的塑料軟管內混有空氣，水流將無法連續流經分析儀表的測量流通池，出現測定值大于限值的情況，產水閥開啟滯后，大量合格水經產水排放閥外排，造成水資源浪費并影響系統正常投運。因而，在系統啟動之初，運行人員應密切關注DCS 系統畫面上的各項參數并就地分析儀表的情況，及時消除異常。此外，還應定期對分析儀表進行標定和校驗。

3.3.2 運行效果

該電廠新建鍋爐補給水系統自2021 年9 月中旬投運，9 月下旬進行72 h 滿負荷連續試運行，10 月下旬滿負荷連續商業運行，系統運行滿足煤機供暖前期管網大量補水工作，產水水質及水量穩定。通過DCS 系統調取2021 年11 月下旬#2EDI 裝置連續20 d 的運行數據，如圖3、圖4 所示，系統進水流量為108～114 m3/h，產水流量為98～104 m3/h，產水電導率、硅質量濃度分別為0.06～0.08 μS/cm、3～4 μg/L，均滿足設計及運行要求。

圖3 #2EDI 裝置進出水流量Fig.3 #2EDI device inlet and outlet water flow

圖4 #2EDI 裝置產水水質Fig.4 #2EDI device water quality

此外，運維人員通過每日觀測就地浮子流量計，發現#2EDI 裝置濃水排放流量和極水排放流量通常分別穩定在8.0 m3/h 和1.8 m3/h 左右；通過每日觀測就地壓力表，發現#2EDI 裝置的產水壓力和濃水進口壓力分別穩定在0.25 MPa 和0.22 MPa 左右，滿足逆流EDI 膜塊的運行要求；人工取樣測定出水TOC，其值＜200 μg/L，滿足設計要求。

4 經濟效益分析

新建鍋爐補給水系統相較于原系統減少了酸堿消耗量，減輕了電廠環保壓力。新增城市再生水取水費842萬元/a，省去原有地表水取水費2 596萬元/a，節約取水成本1 754 萬元/a。年運行成本1 032 萬元，包含電費、藥劑費、膜更換費等變動成本528 萬元和檢修維護費、折舊費、財務費用、保險費等固定成本504 萬元。按每年累積滿負荷運行6 000 h 計，噸水運行成本約4.3 元。

5 結論

鍋爐補給水系統的穩定運行對燃煤電廠的安全生產至關重要。全膜法處理工藝可將城市再生水處理至高品質除鹽水的水質標準，產水電導率＜0.1 μS/cm，硅質量濃度＜10 μg/L，TOC＜200 μg/L。整套工藝設備自動化控制水平高、運維成本較低，能為電廠化學制水系統提質增效。系統調試過程中，應以滿足穩定運行為前提，充分考慮多種不同運行工況，嚴格控制各類藥劑投加量，密切關注主要水質參數，加強分析儀表的巡檢、標定和校驗工作，注意泵類及閥門組件的啟停順序，避免水錘效應等影響系統安全運行的問題。