基于重復性的單元機組冷卻水塔內循環(huán)水回收利用技術

王闖

摘 要 為了避免循環(huán)水長期停用造成大量污水排放，同時針對單元機組頻繁啟停和長時間停運，無法實現(xiàn)對臨機冷卻水塔內循環(huán)水回收利用的問題，提出基于重復性的單元機組冷卻水塔內循環(huán)水回收利用技術。分析循環(huán)水對單元機組冷卻水塔的腐蝕速率，獲取單元機組冷卻水塔液位和循環(huán)水的水質，采用優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式，結合循環(huán)水系統(tǒng)運行方式和設備特性，實現(xiàn)單元機組冷卻水塔內循環(huán)水的重復性回收利用。實驗結果表明，經(jīng)該方法優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式之后，兩臺機組冷卻水塔的腐蝕率都達到了國標要求，產生了一定的經(jīng)濟效益，強化了循環(huán)水系統(tǒng)的重復利用性，進而提高了機組的安全可靠性。

關鍵詞 循環(huán)水 回收利用 重復性 冷卻水塔 單元機組 腐蝕速率

中圖分類號 TM223? ?文獻標志碼 B? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0133?05

在我國北方，以濕法制冷為主的熱電廠，其循環(huán)用水大部分是來自冷卻水系統(tǒng)［1］。在系統(tǒng)運行過程中，采用循環(huán)泵將冷卻水引入冷凝裝置進行熱交換，然后將冷卻水通過冷卻水塔冷卻后進入冷卻水塔的底層蓄水池，最后通過循環(huán)泵將其輸送到凝汽器中進行循環(huán)利用，但由于兩個冷卻水塔之間沒有連接管道或潛泵，因此不能對冷卻水塔的內循環(huán)水進行再生利用，也不能提高冷卻水塔的循環(huán)水質量［2］。隨著新能源發(fā)電裝置規(guī)模的不斷增加，對環(huán)境保護的要求越來越高，燃煤電廠的開關率也越來越高，已成為一種普遍現(xiàn)象［3］。2018年，國能孟津熱電有限公司兩套600 MW機組17次啟動、停機，造成塔內大量循環(huán)水長期停用，大量的污水被排放，因此，對冷卻水塔內循環(huán)水回收利用技術進行研究具有十分重要的意義。

陳杰等通過模擬計算，在電廠冷凝器內增加了一組高效的熱源，實現(xiàn)了對冷凝器的再熱回收［4］。根據(jù)夏季機組的實際運行情況，在冬季進行抽汽供暖時，對4.9 kPa和280/250 MW的電負荷進行了計算，得出了不同環(huán)境溫度下機組的熱負荷，確定了相應的凝汽器分區(qū)運行模式，電站實驗結果顯示，相比于傳統(tǒng)的分區(qū)式冷凝系統(tǒng)，引入了換熱器區(qū)域之后，可以在冷熱系統(tǒng)中回收剩余蒸汽，從而得到更多的余熱，具有更好的經(jīng)濟效益和社會效益。胡大龍等針對循環(huán)廢水的水質特性提出了一種回收處理方法［5］，實驗結果證明，加強混凝能夠去除廢水中的部分有機物，去除COD和TOC的效率均為61.2%，對膜體系造成的有機污染也會有所緩解；在二次軟化處理中，Ca2+的脫除率可以達到86.5%，Mg2+的脫除率可以達到92.5%，總磷的脫除率可以達到97.9%，全硅的脫除率可以達到84.3%，TOC的脫除率可以達到27.4%。RO的產水可以用作鍋爐的補充用水，而RO的濃縮水則可以用作煙氣的脫硫處理。

基于以上研究背景，筆者利用重復性原則，對火電廠單元機組冷卻水塔內的循環(huán)水進行回收利用，實現(xiàn)循環(huán)水的重復性利用。

1 內循環(huán)水回收利用技術

1.1 內循環(huán)水系統(tǒng)概況

目前，電站實施了廢渣處理的節(jié)能措施，采用弱酸法對單元機組冷卻水塔內循環(huán)水進行處理后［6］，再將輔助機組的冷卻液補充到循環(huán)水中［7］。現(xiàn)有的水廠循環(huán)水補給能力為1 800 t/h，排放水量400 t/h，其濃縮倍數(shù)約為3倍。大部分的廢渣、廢水已經(jīng)全部被循環(huán)利用，沒有再從外部排放［8，9］，從而大幅度減少了灰和渣系統(tǒng)的耗水量，使循環(huán)水的排放廢水不能進入灰渣系統(tǒng)。為了節(jié)約能源，達到環(huán)境保護要求，發(fā)電廠要求污水處理達到零排放。

1.2 分析循環(huán)水對單元機組冷卻水塔的腐蝕速率

國能孟津熱電有限公司的兩臺600 MW機組，分別采用SUS304和SUS316L兩種不銹鋼作為冷卻水塔的材料，由于循環(huán)水呈堿性且含有氯離子，會加速冷卻器的腐蝕，因此，在不同濃度下，分析了氯離子和硫酸根離子共存時，氯離子對兩種不銹鋼的腐蝕情況，如圖1所示。

對不銹鋼SUS304和SUS316L的腐蝕情況

由圖1可以看出，當氯離子的濃度低于600ppm（1ppm=1×10-6）時，沒有發(fā)生任何的腐蝕現(xiàn)象；當氯離子與硫酸根的濃度在600ppm以上時，腐蝕介質明顯增多，出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象。

水中氯離子與堿度共存時，氯離子和堿度不同比值r對不銹鋼SUS304和SUS316L的腐蝕速率如圖2所示。

從圖2中可以看出，當氯離子的濃度一定時，堿度越大，兩者的比值r就越小，不銹鋼的平均腐蝕速率越??；當氯離子的濃度一定時，堿度越小，兩者的比值r就越大，不銹鋼的平均腐蝕速率越大。因此，在增加氯離子的含量時，適當增大溶液的堿度，可以有效阻止腐蝕的產生。

當前，在循環(huán)冷卻液中，硫酸根離子的濃度在1 000～1 200ppm之間，而總堿度在50～80ppm之間，因此，要想將氯離子的控制量提升到700ppm，就必須調整硫酸根離子和堿度的控制量［10］，以抑制過高的氯離子濃度對腐蝕速率的影響。

1.3 獲取單元機組冷卻水塔液位和循環(huán)水的水質

利用超聲波液位計獲取單元機組冷卻水塔的液位，超聲波發(fā)射的波長和反射波長符合重復性原則。首先在超聲波的反射波長范圍內，將傳感器探頭安裝在水塔頂部，然后利用超聲波的重復性原則［11］，穿透冷卻水塔的液體對循環(huán)水的水質進行檢測，最后將測量結果反射到傳感器探頭上。

假設超聲波在冷卻水塔中的傳輸距離為Xc，傳輸時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為vq，那么存在如下關系：

根據(jù)式（1），可以獲取兩臺單元機組冷卻水塔的液位，從運行參數(shù)控制和化學監(jiān)督角度考慮［12］，國能孟津熱電有限公司的冷卻塔，其高度為1.40～1.75 m。

1.4 優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式

在單元機組啟停期間，根據(jù)兩臺機組冷卻水塔液位，對水塔內的循環(huán)水進行適當?shù)闹貜托岳茫梢杂行У販p少備用機組循環(huán)水系統(tǒng)啟動時間，提高汽輪機的循環(huán)水質量。在正常工作期間，根據(jù)兩臺機組冷卻水塔內循環(huán)水的氯離子濃度，通過連接式潛水泵，對兩個冷卻器的循環(huán)水進行調節(jié)［13］，以提高循環(huán)水的質量，從而實現(xiàn)人工調節(jié)污水排放的目的。

為實現(xiàn)上述目的，對循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式進行了優(yōu)化，如圖3所示。

國能孟津熱電有限公司兩臺600 MW機組采用了雙曲線自然通風的逆向循環(huán)水冷卻器，其外部構造如圖4所示。

冷卻水塔的相關參數(shù)如下：

冷卻塔總高度H 150 m

底部直徑dB 113.39 m

水池直徑 117.4 m

水池深度 2 m

進風口高度 10 m

喉部直徑 67 m

出口直徑dA 70 m

淋水面積 8 540 m2

1.5 工藝流程

單元機組冷卻水塔內循環(huán)水回收利用的工藝流程如圖5所示。

圖5中，由于熱交換器1具有吸收熱量的作用，因此循環(huán)水通過入口管道被輸送到熱交換器1中進行降溫，然后流入蓄水池或者凝汽器中。并利用熱泵冷卻系統(tǒng)對凝汽器排出的凝結水進行加熱，完成熱量回收。

1.6 實驗方法

在兩個單元組冷卻器的冷卻塔間加裝一根聯(lián)絡管道，并在每個冷卻器中各加上兩個7.5 kW的水泵，其工作電流為15 A，額定輸出能力為100 t/h，現(xiàn)場設有一個電源控制器（電源從附近提供）。可根據(jù)冷卻塔的水位和水質狀況，對兩個水泵進行靈活調節(jié)［14］。

按照上述方法，將實驗時間設定為2022年5月1日～2022年6月19日，分別在單臺機組運行和兩臺機組運行情況下，對單元機組冷卻水塔內循環(huán)水重復性利用情況進行測試。

當運行機組循環(huán)水中氯離子濃度小于850ppm時，將備用裝置冷卻塔內的循環(huán)水引入到運行單元進行再利用。

當運行機組循環(huán)水氯離子濃度大于900ppm時，將機組冷卻水塔內的循環(huán)水排到備用設備中，增加機組冷卻水塔的補充水量，從而提高單元機組冷卻水塔內循環(huán)系統(tǒng)的水質。

2 結果分析

利用上述實驗方法，測試了國能孟津熱電有限公司兩臺600 MW機組冷卻水塔腐蝕速率與氯離子濃度、堿度的關系，如圖6、7所示。

根據(jù)圖6可知，紅色框內，氯離子濃度在600～700ppm，因堿度控制在80ppm左右，所以腐蝕速率控制在1 mpy（1 mpy=0.0254 mm/a）左右；黃色框內，氯離子濃度在700ppm左右，堿度在60ppm左右，因堿度緩沖能力下降，使氯離子加劇腐蝕，腐蝕速率在2 mpy左右；藍色框內，當氯離子濃度在700～850ppm，堿度在60ppm左右，腐蝕速率有時超過了3 mpy。

根據(jù)圖7可知，紅色框內，氯離子濃度在650～800ppm，堿度在40～80ppm時，冷卻水塔腐蝕速率平均約為2.5 mpy；黃色框內，氯離子濃度在650ppm，堿度在40ppm左右時，氯離子的腐蝕反應加劇，冷卻水塔腐蝕速率為1.5 mpy左右；藍色框內，當氯離子濃度為550～650ppm，堿度在60ppm左右時，冷卻水塔腐蝕速率平均約為0.8 mpy。

根據(jù)以上結果，對比了兩臺機組的冷卻水塔腐蝕速率，具體見表1。

從表1的結果可以看出，優(yōu)化了循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式之后，兩臺機組冷卻水塔的腐蝕速率都達到了國標要求（小于3 mpy），可避免備用機組長期停用時冷卻水塔內暫存的循環(huán)水水質惡化，從而實現(xiàn)單元機組冷卻水塔內循環(huán)水的回收利用，強化了循環(huán)水系統(tǒng)的重復利用性。

3 經(jīng)濟性分析

采用新的冷卻水塔循環(huán)水運行模式，可以防止在備用設備長時間不使用期間，冷卻水塔中的循環(huán)水質量下降，從而實現(xiàn)重復性利用。啟動停備機組后，將運行在機組冷卻水塔內的循環(huán)水排到備用設備中，使系統(tǒng)的啟動時間縮短最少一個小時。國能孟津熱電有限公司2×600 MW機組，循環(huán)水的補給來源為城市用水，備用水為黃河水，在常規(guī)操作中，冷卻塔的水位控制在1.40～1.75 m（相應水量14 000～17 500 t），當機組停機后，采用優(yōu)化后的循環(huán)水運行方式，可回收循環(huán)水量約15 000 t，對其回收利用后，節(jié)約水費大約34 500元（中水價格為每噸2.3元），若沒有優(yōu)化循環(huán)水的運行方式，將造成此循環(huán)水外排，產生外排廢水費用約1 350元（排污費單價為每噸0.09元），共計產生經(jīng)濟效益約35 850元。

4 結束語

提出了基于重復性的單元機組冷卻水塔內循環(huán)水回收利用技術，強化了冷卻水塔內循環(huán)水系統(tǒng)的重復利用性，有效提高了機組的經(jīng)濟效益。在今后的研究中，還要繼續(xù)挖掘設備的潛力，使設備在最優(yōu)運行狀態(tài)對循環(huán)水進行重復利用。

參 考 文 獻

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