高硬度\高碱度水阻垢缓蚀研究与实践

摘 要:大唐淮北发电厂循环水浓缩倍率一直处于较低状态，一般维持在2.8倍左右，为了节约用水，确保系统设备的安全运行，对该厂循环水系统进行了高硬度、高碱度水阻垢缓蚀的研究与实践，并在实际运行中取得了良好的效果。

关键词:高硬度；循环水冷却水；浓缩倍率；化学药剂

Abstract: Datang Huaibei Power Plant Circulating Water has been in a low state, generally maintained at about 2.8 times, in order to conserve water, ensure safe operation of equipment, the plant circulating water system, high hardness, high alkali degree water scale and corrosion inhibition of research and practice, and in the actual operation and achieved good results.

Key words:high hardness; circulating water cooling water; concentration ratio; chemicals

中图分类号：TM621.6文献识别码：A

一、引言

循环冷却水是火电厂用水量的主要组成部分，循环水水质的好坏，直接关系到凝汽器管的腐蚀和结垢问题，既影响凝汽器换热效果，又容易造成设备损坏。为了保证机组的安全运行，大唐淮北发电厂循环水浓缩倍率一直处于较低状态，一般维持在2.8倍，有时因为环保压灰和锅炉冲灰的需要而大量排污使循环水浓缩倍率在2.0倍左右，造成水资源的极大浪费。近年来由于工业用水价格不断攀升和排污费收取方式的改变，造成我厂排污费用大幅增加，发电单位耗水率与标准值存在较大差距，节水工作刻不容缓，高浓缩倍率下循环水的处理就显得尤为重要。

二、系统条件

该厂#8机循环冷却水系统保有水量16000 m3，冷水池面积6216（m2），蒸发系数0.016，蒸发损失400（m3/h），系统循环量25000（m3/h）,进水温度20 ℃左右，回水温度 30 ℃左右 ，换热设备材质主要是碳钢、不锈钢等，浓缩倍率2.8倍，补充水为地下深井水，水质情况见表1.

表1 补充水水质情况

由表1可以看出，系统补水中存在一定的腐蚀性离子，随着水温、pH的上升以及浓缩倍率的提高，结垢的趋势将更加严重，腐蚀在一定程度上将受到阻垢效果的影响。因此在确定水处理药剂及其配套条件上一定要控制结垢，同时兼顾缓蚀、杀菌。

由于循环冷却水Cl―偏高，腐蚀性较强，但浊度较高，悬浮物多，在异养菌的作用下，容易产生生物粘泥沉积。生物粘泥不仅会严重影响传热，而且粘泥下的不锈钢管容易发生腐蚀。此外有机物较多， Cl―是侵蚀性离子，SO42―是缓蚀性离子见表2。

表2循环冷却水数据统计分析

三、 浓缩倍率与排污量分析

（一）循环冷却水在循环过程中，会因蒸发、风吹、泄露和排污等损欠部分水量。为了使冷却系统保持所需的循环水量，在运行中应不断循环水系统补充水量，当循环水的损失和循环水的量达到平衡时，有Pbu=P1+P2+P3

式中Pbu — 补充水水量占循环水量的百分率，％；

P1_一蒸发损失水量L 循环水量的百分率，％；

P2 —风吹和泄露损失水量r 循环水量的白分率，％ ；

P3—排污损失水量【 循环水量的百分率，％；

在水质浓缩的过中，Cl-不会产生沉淀，其浓度的变化与水发生浓缩的倍数是成比例的，所以，通常将循环水中的Cl-一浓度和在补充水中浓度的比值，代表循环水浓缩的倍数，称为循环水的浓缩倍率。

蒸发损失的水可以假定全部为纯水，不含Cl-；而风吹、泄露和排污损失的水中，Cl-浓度与循环水中的相同。所以当补充水带入的Cl-与风吹、泄露和排污损欠带出的Cl-。总量相等时，循环水中的C1-浓度就不再变化，故得：

PbuC1x=(P2+P3)C1-x得N=Clx＼Cl-bu=Pbu＼(P2+P3)=P bu＼(Pbu—P1)

式中，Clx,Cl-bu—循环水和补充水中的Cl-浓度，mg／L

N—浓缩倍率(此浓缩倍率的计算要求补充水水质稳定，若不稳定要取加权平均值)

从上面的公式可以看出，在不同的浓缩倍率段，补水率的降低幅度是不同的。从水的角度来讲，在3～4时为节水效益区； 当浓缩倍率>5时，水效果不明显。因为过高的浓缩倍率会增加结垢或腐蚀的风险，循环水的处理费用也随之上升，所以浓缩倍率并不是越高越好，要根据水质、设备材质、运行成本等因素确定合理的控制范围，一般需要进行相应的试验来配合。

（二） 循环水的损失主要包括：蒸发损失、风吹损失、排污损失，由于现代水塔的设计已经比较完善，除水器安装的比较合理，一般风吹损失约占总损失的0.1％左右，份额非常小，蒸发损失受到冷水塔的设计、季节因素和机组负荷的影响，很难人为进行调整。排污损失也是电厂的比较重大的损失，一般占到总损失量的12～25％左右。提高循环水的浓缩倍率是一个行之有效的节水措施，当浓缩倍率提高后，相应降低了排污量，因此达到了节水的目的。以该厂一台210MW机组为例，循环流量在25000m3/h时计算出不同浓缩倍率的排污量及节水量（见表3）。

表3不同浓缩倍率下的排污量及节水量比较

四、设计方案

该厂系统除灰采用干式除灰，循环水排污水的重复利用率很低，为了节水节能，要求循环水在高浓缩倍率下运行。 当浓缩倍率为3.5倍时，计算的循环水的郎格利尔饱和指数为2.98、雷兹纳稳定指数为1.24，可以判断出循环水处于严重的结垢状态。因此，必须对循环水采用加酸、阻垢剂联合处理方式进行处理，才能使凝汽器处于良好的运行状态。从表3可看出，循环水浓缩倍率达到4.0倍后，继续提高浓缩倍率对节水效果已不明显，但是结垢的风险却急剧上升。因此，循环水浓缩倍率也不宜控制过高而增加处理成本和运行风险，综合分析之后，拟将循环水的浓缩倍率由目前的2.8倍提高到3.5倍。

五、方案实施

（一）采用加酸、阻垢剂联合处理方式

循环水浓缩倍率提高，会引起一系列问题，如结垢、腐蚀倾向增加，处理费用增加。因为在天然水中溶解有Ca2+, Mg2+ , HCO3-,CO32-等成垢离子，由于浓缩倍率增加，引起水中Ca2+与HCO-3离子形成CaCO3沉淀，并在凝汽器换热管内表面沉积、结晶，因换热管表面pH和温度都比流动水中的值偏高，使换热管内表面成为碳酸盐结晶、成垢的主要场所。故应使用阻垢缓蚀剂来防止凝汽器结垢的形成。在加阻垢缓蚀剂处理的同时，冷却水也需加酸控制pH来防止碳酸盐垢的生成。通过阻垢缓蚀剂的应用可以使加酸量相比未采用阻垢缓蚀剂处理时的加酸量降低到最小，且避免了只加酸处理时水质的波动和侵蚀性。若单采用阻垢剂处理，处理费用会增加很多，浓缩倍率增加效果不一定很明显，可能引起产生碳酸盐垢。

1.阻垢剂筛选试验

在相同试验条件下测定不同阻垢剂阻垢率筛选出要使用的阻垢剂。试验用的阻垢剂主要包括丙烯酸类共聚物、丙烯酸磺酸类共聚物、膦羧酸类共聚物及其组合分别用A、B、C、D表示。试验用水为配水，模拟现场浓缩倍率3.5、4.0时的水，温度50℃，时间24h,不同pH和投加量下几种阻垢剂的阻垢率见表4。

表4各阻垢剂阻垢率%

由表4可以看出，4种阻垢剂阻垢效果明显，并且在较低的浓度下，表现出明显的阻垢性能，根据经验，即使提高投加量，阻垢率也不会增加多少,从表中还能看到，pH值的降低对提高阻垢率有很大好处。因此确定阻垢剂的投加浓度为2～6mg/L，同时辅助以投加硫酸降低pH值。

六、阻垢缓蚀剂缓蚀性能试验研究

（一）测试条件

我厂凝汽器管材为316L不锈钢，故选择316L不锈钢做静态挂片试验。将挂片(50 mm×20 mm×2 mm)打磨、脱脂、干燥处理，在水样中浸泡10天。水质条件见表3。

（二）缓蚀性能试验（旋转挂片法）

1.试验方法：

采用旋转挂片法。将制作好的腐蚀试片悬挂在配好的试验水质中，运行120小时以上，试验过程中，定时观察腐蚀试片表面状况的变化（应注意不要使气泡附着在试片表面）。试验结束后，将试片取出，做如下处理后放入干燥器中干燥24小时后称重，计算其均匀腐蚀速率。

试验后试片的处理方法：取出试验试片后先用清水冲洗表面附着的杂物，然后放入盐酸洗液（1000毫升1+3的HCl中加入5克铜缓蚀剂）中浸泡5分钟，用清水清洗干净后用无水乙醇脱脂并清洗干净，同时做酸洗空白。

（三） 动态试验（药剂性能验证试验）

根据静态试验筛选出的缓蚀阻垢剂，模拟生产现场的运行情况（如温度、流速和温差等），进行动态模拟试验，确定最佳的缓蚀阻垢剂单体及其最佳复配方案，同时确定循环水系统安全、经济浓缩倍率及其他相关运行参数。

1. 试验方法：

将一定容积的水注入动态试验装置内，按一定的流量进行循环，并将水温控制在45±1℃。控制补水流量，使装置内水位基本保持恒定。试验过程中，定期取样（需定量）进行分析，测定总碱度和氯离子含量，（同时准确记录取样时装置内总水量和滴加补水的量，从而根据水样的体积变化推算出浓缩倍率），当A=0.2时，烧杯中的水的碳酸盐硬度值，即为极限碳酸盐硬度，据此可计算出最高浓缩倍率。

A= ClX／ClB—JDX／JDB

ClX —为循环水中的氯离子含量；

ClB —为补充水中的氯离子含量；

JDX —为循环水中的全碱度；

JDB —为补充水中的全碱度；

当ΔA＝0.2时，K值为最高浓缩倍率；

ΔA≈0时，K值为稳定浓缩倍率；最高浓缩倍率时相应的碳酸盐硬度即为极限碳酸盐硬度。循环水浓缩倍率达到一定的浓缩倍率左右时将腐蚀试片挂到系统中，调整系统的补充和排污水量，使循环水的浓缩倍率保持在浓缩倍率左右，持续120小时以上，取出监测试片，根据重量变化计算出腐蚀速率。

(四) 试验总结

阻垢缓蚀剂配方选择：因为循环水在浓缩过程中结垢趋势明显增大，所以在考虑配方时则优先考虑其阻垢性能的优劣。同时，随着浓缩倍率的增大，水中的含盐量也会大大提高，因此对设备的腐蚀也会明显增强。通过试验筛选出配方做现场阻垢缓蚀剂和加药量。为了更好的减小凝汽器铜管(或不锈钢管)腐蚀速率，循环水在添加药剂处理后，浓缩倍率可大幅度提高。

表5各阻垢缓蚀剂腐蚀速率mm/a

试验结果可知，上述3种水质条件下，316L不锈钢腐蚀速率均小于0.01 mm/a，在允许范围内。说明3种配方的缓蚀效果都能够达到要求。

综上分析，对于循环冷却水处理配方的选择为：

1. 选用在高浓缩倍率下运行的水处理配方，以满足节水要求。本试验所筛选出的3种配方，在静态试验条件下，浓缩倍率为3倍以上。达到工程设计的浓缩倍率值。

2. 在选择循环水处理配方时，除筛选缓蚀性能外，同时还应考虑配方的缓蚀性能。单一组分缓蚀剂目前已不常用，许多缓蚀剂需与阻垢剂配合才能收到复合增效的作用。本试验对3个配方的缓蚀性能做了定量及定性的研究。采用腐蚀失重法，准确地测试了金属的平均腐蚀速度。全面准确地评价了缓蚀剂的缓蚀效果，3个配方的缓蚀效果以7号为好，从阻垢缓蚀效果看，应是首选。

七、运行效果及效益

2011年4月份的机组小修中对经近二年运行的凝汽器进行了抽管检查，未发现管材有明显的腐蚀迹象和结垢情况，表面清洁光滑。浓缩倍率提高后节水效果非常明显，一年可节水约53万吨，水费按1.43元/t计算，每年可节约水费约76万元，而新型缓蚀阻垢剂用于循环水加药费用合计每年不超过32万元，经济效益显著，并取得了广泛的社会效益。为此，该厂荣获淮北市2010年—2011年节水先进单位。

八、结 论

综上所述，提高循环冷却水浓缩倍率不仅是节水、节能需要，而且满足环保排放的要求。通过新型缓蚀阻垢剂配方的筛选，有效防止碳酸钙沉积，而且含磷量低，减少了水体富营养化因素，能够安全用于循环冷却水系统。使凝汽器管的腐蚀结垢得到有效控制，提高了凝汽器的安全运行水平，最大限度地节约宝贵的水资源，获得经济效益和社会效益的双丰收。这对水资源缺乏地区的火力发电厂的循环水处理提供了可借鉴的经验。

参考文献：

[1] 李培元. 火力发电厂水处理及水质控制. 中国电力出版社, 2000: 378～ 379

[2] 施燮钧. 火力发电厂水质净化. 水利电力出版社1989: 249～ 250