文 _ 黃鐵軍 陳渝飛 葉培祥 四川省華鎣山廣能集團(tuán)四方電力公司

循環(huán)冷卻水是瓦斯電站用水量的主要組成部分，循環(huán)水品質(zhì)好壞，關(guān)系到熱交換器銅管的結(jié)垢、腐蝕問題。在運(yùn)行過程中，隨著循環(huán)冷卻水的濃縮倍率升高，水中易產(chǎn)生結(jié)垢或腐蝕的離子（Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-等），含量也隨之增大，加速熱交換器銅管的結(jié)垢、管道腐蝕，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在循環(huán)水進(jìn)入冷卻塔冷卻時(shí)，空氣與水充分接觸時(shí)，空氣中的細(xì)菌孢子、植物絨毛等進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻塔周圍適宜的溫度與濕度適合細(xì)菌、藻類的生長(zhǎng)，同時(shí)濃縮后的循環(huán)水中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)源，導(dǎo)致細(xì)菌、藻類大量繁殖，產(chǎn)生生物粘泥，促使水質(zhì)惡化。因此循環(huán)冷卻水的防結(jié)垢、防腐蝕及殺菌滅藻處理至關(guān)重要。

1研究思路

1.1循環(huán)冷卻水系統(tǒng)發(fā)生結(jié)垢原因分析

循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢是指水中溶解或懸浮的各種鹽類如碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽、氯化物等，其中以Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2最不穩(wěn)定，極易分解生成不溶于水的CaCO3、MgCO3沉積在金屬表面。在瓦斯電站運(yùn)行過程中，循環(huán)冷卻水經(jīng)過高、低溫?zé)峤粨Q器和機(jī)油冷卻器時(shí)，進(jìn)行熱交換后溫度升高，通過冷卻塔蒸發(fā)、冷卻而循環(huán)使用，當(dāng)濃縮倍率到一定值時(shí)再進(jìn)行排放。這樣，因?yàn)檠h(huán)水不斷濃縮，CaCO3、MgCO3含量增大，逐漸沉積在熱交換器銅管、管道等內(nèi)壁而結(jié)垢，引起熱交換器的換熱效率下降，管道阻力增大，甚至造成銅管內(nèi)循環(huán)水量減少加劇結(jié)垢而堵塞。

1.2高溫?zé)峤粨Q器換熱效率低的原因分析

龍灘瓦斯電站發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家采用串聯(lián)的方式將低溫?zé)峤粨Q器、機(jī)油冷卻器、高溫?zé)峤粨Q器連接在一起，如圖1所示。由于進(jìn)入高溫?zé)峤粨Q器的循環(huán)冷卻水已對(duì)低溫軟水及機(jī)油進(jìn)行冷卻，溫度已大幅升高，導(dǎo)致高溫?zé)峤粨Q器的熱交換能力大幅下降，當(dāng)循環(huán)水溫升高，高溫交換器銅管內(nèi)壁最容易結(jié)垢，并且結(jié)垢速度快、垢層厚，造成高溫出水溫度超出規(guī)定溫度值，嚴(yán)重影響熱交換，導(dǎo)致瓦斯發(fā)電機(jī)組高溫水超標(biāo)，運(yùn)行人員被迫采取降負(fù)荷的方式運(yùn)行，機(jī)組實(shí)際功率低于額定功率的50%運(yùn)行，造成瓦斯發(fā)電效率降低。

圖1 原熱交換系統(tǒng)布局示意圖

1.3循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕的原因

循環(huán)冷卻水中的金屬腐蝕是指金屬損壞或失去金屬應(yīng)有的使用性能，最明顯的是從金屬原有狀態(tài)專變?yōu)殡x子或化合物。

1.3.1溶解氧腐蝕引起的腐蝕

在循環(huán)水運(yùn)行過程中，因濃縮倍率提高，水中溶解氧含量增大，與管道金屬物質(zhì)Fe產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成Fe2+，與水中的氧進(jìn)一步反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)疏松的Fe(OH)3，就造成管道腐蝕。其反應(yīng)方程式為：

這種腐蝕生成的Fe(OH)2與Fe(OH)3會(huì)逐漸堆積、擴(kuò)散，并再次反應(yīng)生成Fe3O4：

Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4↓4H2O

Fe3O4沉淀與水中的泥垢、沙粒等沉積附著在管道內(nèi)壁。當(dāng)腐蝕到一定程度時(shí)，腐蝕產(chǎn)物與泥垢等一起脫落，堵塞熱交換器、冷油器等設(shè)備的管徑小的部位，危及設(shè)備運(yùn)行安全。

1.3.2氯離子引起的腐蝕

氯離子造成的腐蝕一般發(fā)生在孔蝕或縫隙腐蝕中。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常采用游離氯或化合氯殺菌，循環(huán)水中的氯離子含量較高，而且采用在這種情況下，金屬在蝕孔或縫隙內(nèi)腐蝕溶解產(chǎn)生Fe2+，引起腐蝕點(diǎn)周圍產(chǎn)生過量的正電荷，吸引水中的氯離子遷移到腐蝕點(diǎn)周圍以維持電中性，因此腐蝕點(diǎn)周圍會(huì)產(chǎn)生高濃度的金屬氯化物FeCl2，之后水解生成不溶性的金屬氫氧化物和可溶性的鹽酸，其反應(yīng)如下：

1.3.3微生物引起的腐蝕

由于微生物排出的黏液與無機(jī)垢和泥沙等形成的沉淀附著在金屬表面，形成氧的濃差電池，促使金屬腐蝕。在金屬表面沉積物之間缺乏氧，一些厭氧菌（主要是硫酸鹽還原菌）得以繁殖，當(dāng)溫度為25～30℃時(shí)，繁殖更快。這些厭氧菌分解水中的硫酸鹽，產(chǎn)生H2S，引起碳鋼腐蝕，反應(yīng)如下：

1.4除垢方式的弊端

在沒有采取循環(huán)水緩蝕阻垢處理的情況下，高、低溫?zé)峤粨Q器、機(jī)油冷卻器的銅管內(nèi)壁結(jié)垢速度較快，尤其是高溫?zé)峤粨Q器由于設(shè)備內(nèi)溫度、水溫更高，結(jié)垢速度更快，結(jié)垢厚度更厚，造成機(jī)組無法正常運(yùn)行而停機(jī)進(jìn)行除垢。除垢方式采用將圖1中的循環(huán)水管道閥門關(guān)閉，將稀釋后的鹽酸注入各熱交換器內(nèi)浸泡銅管內(nèi)壁，到一定時(shí)間后，打開設(shè)備排去酸液，然后人工用電鉆（鉆桿自制加長(zhǎng)）清理銅管內(nèi)積垢。這種除垢方式每年基本要進(jìn)行三次，不僅工作量大、時(shí)間長(zhǎng)，除垢效率低、質(zhì)量差，還存在電鉆傷人等安全隱患。

2循環(huán)冷卻水緩蝕阻垢及殺菌原理分析

2.1阻垢機(jī)理分析

緩蝕阻垢劑采用有機(jī)膦酸鹽、膦羧酸等，有機(jī)膦可以和Ca2+、Mg2+生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，相對(duì)降低循環(huán)水中的Ca2+、Mg2+濃度，降低水中析出CaCO3等沉淀，此作用稱為“絡(luò)合增容”。此外還可以使形成的CaCO3晶體中的Ca2+在晶體相互碰撞過程中發(fā)生作用，使得CaCO3晶體難于按嚴(yán)格的晶格排列次序排列，智能保持在小顆粒范圍內(nèi)，相應(yīng)提高了CaCO3晶體在水中的溶解性能，減少CaCO3垢層增長(zhǎng)。

緩蝕阻垢劑除了絡(luò)合增容作用外，有機(jī)膦還對(duì)垢層的晶格排序起干擾作用。按照結(jié)垢正常情況，垢層是CaCO3晶體按一定方向具有嚴(yán)格次序排列的硬垢。由于阻垢劑對(duì)Ca2+的鰲合性能，干擾CaCO3晶體結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的畸變，而不再繼續(xù)規(guī)格增長(zhǎng)。即由于晶格畸變產(chǎn)生一些較大的無定型顆粒，從而使CaCO3硬垢轉(zhuǎn)化為松軟垢，這種軟垢結(jié)合力差，易被水沖刷和分散。

2.2緩蝕機(jī)理分析

緩蝕阻垢劑中有機(jī)膦等在管道金屬表面形成不溶于水或難溶于水的保護(hù)膜，阻礙金屬離子的水合反應(yīng)或溶解氧的還原反應(yīng)，有效地控制和降低金屬腐蝕情況。

2.3殺菌機(jī)理分析

強(qiáng)氧化性殺菌劑的殺菌機(jī)理是ClO2通過活化，在酸性物質(zhì)（H+離子）的作用下，釋放出游離態(tài)ClO2，游離態(tài)ClO2不穩(wěn)定釋放出新生態(tài)氧原子（O），新生態(tài)氧原子具有強(qiáng)烈的氧化作用，其通過氧化微生物、細(xì)菌細(xì)胞中可溶部分（包括酶系統(tǒng)），而達(dá)到快速抑制微生物蛋白質(zhì)的合成，殺滅微生物、細(xì)菌的目的。

非氧化性殺菌劑的殺菌機(jī)理是使微生物、細(xì)菌的蛋白質(zhì)變性，降低其細(xì)胞活性，促使微生物、細(xì)菌死亡。殺菌劑活性成分能夠穿透微生物、細(xì)菌的細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部并與細(xì)胞的核酸（RNA、DNA）上的堿基結(jié)合，從而抑制或徹底殺死微生物、細(xì)菌。

3實(shí)施方案

由于殺菌劑對(duì)不同藥劑的阻垢分散效果有不同的影響，強(qiáng)氧化性殺菌劑對(duì)多數(shù)藥劑的阻磷酸鈣有增效作用，非氧化性殺菌劑對(duì)不同類型藥劑的影響視藥劑類型而定，有增效作用，也有對(duì)抗作用。所以龍灘瓦斯發(fā)電站投加緩蝕阻垢劑的同時(shí)，采用強(qiáng)氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑交替投加的方案進(jìn)行循環(huán)水緩蝕阻垢劑殺菌滅藻處理。

3.1緩蝕阻垢劑的運(yùn)行與控制

(1) 在機(jī)組初始運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)重新注水情況下投藥，第一次向循環(huán)水池沖擊投加緩蝕阻垢劑60mg/L，如初次投加后系統(tǒng)仍為冷態(tài)運(yùn)行（不帶熱負(fù)荷），則應(yīng)保持藥劑濃度為40mg/L(即控制水中有機(jī)膦含量為3mg/L以上)運(yùn)行，在系統(tǒng)帶熱負(fù)荷且濃縮倍數(shù)達(dá)到1.5以后藥劑投加按日常投加方式進(jìn)行。

(2) 日常投加（kg/d）：

此投加量為理論計(jì)算值，具體投加量要實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)分析數(shù)據(jù)定。

(3) 在加藥箱內(nèi)加入一天所需藥劑量，再加水稀釋，用閥門調(diào)節(jié)流量，使藥劑在22～24h內(nèi)連續(xù)不斷地加入到循環(huán)水池中。

(4) 根據(jù)循環(huán)水中磷酸鹽的分析值適當(dāng)增減加藥量，使磷酸鹽保持在2～3mg/L范圍內(nèi)。如磷酸鹽低于2mg/L，則在循環(huán)水池中沖擊補(bǔ)加藥劑，每低1mg/L,補(bǔ)加5kg。

(5) 當(dāng)循環(huán)水鈣離子大于450mg/L，堿度大于450mg/L或濁度大于20mg/L應(yīng)適當(dāng)加大排污。

(6) 當(dāng)pH值大于8.9時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大排污，當(dāng)pH值低于7.6時(shí)應(yīng)及時(shí)查找原因并采取措施(如投加碳酸鈉等)盡快使pH值恢復(fù)到控制指標(biāo)范圍內(nèi)。

(7) 嚴(yán)格按運(yùn)行分析控制項(xiàng)目及頻率(表1)監(jiān)測(cè)循環(huán)冷卻水中各項(xiàng)控制指標(biāo)，并調(diào)節(jié)達(dá)到各項(xiàng)控制范圍。

表1 循環(huán)冷卻水控制指標(biāo)

3.2微生物的控制與監(jiān)測(cè)

3.2.1控制方案

根據(jù)微生物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或者COD值確定加藥周期，一般每周投加一次，使用強(qiáng)氧化性殺菌劑一次后，換用非氧化性殺菌劑一次，消除因長(zhǎng)期使用一種殺菌劑所造成的抗藥性，即采用每周沖擊式投加強(qiáng)氧化性殺菌劑一次，加入量為100mg/l，加兩次后，投加非氧化性殺菌劑一次，加入量為100mg/l。然后強(qiáng)化氧化性殺菌劑與非氧化性殺菌劑每周一次交替投加。

3.2.2殺菌劑的投加量

投加量（kg）=保有水量（m3）×加藥濃度（mg/L）×10-3

3.2.3 投加時(shí)間

投加非氧化性殺菌劑前，可將系統(tǒng)預(yù)先排污以便投加后推遲排污，投加后應(yīng)不排污并盡量不補(bǔ)水至少12～24h，以提高殺菌效果。

3.2.4 監(jiān)控指標(biāo)

微生物控制指標(biāo)及監(jiān)測(cè)頻率（表2）。

表2 微生物控制指標(biāo)及監(jiān)測(cè)頻率

3.3 熱交換系統(tǒng)布局改造

將原有熱交換系統(tǒng)與循環(huán)冷卻水的串聯(lián)方式改進(jìn)為并聯(lián)方式，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的熱交換器系統(tǒng)布局示意圖

將熱交換器系統(tǒng)改為并聯(lián)后，各設(shè)備的循環(huán)冷卻水進(jìn)水溫度均較低，尤其是高溫?zé)峤粨Q器因冷卻水溫度低而結(jié)垢速度降低，加上緩蝕阻垢劑的作用，所結(jié)垢為松軟垢，基本被循環(huán)水沖刷帶走，換熱效率提高。

4實(shí)施效果

4.1緩蝕阻垢劑使用效果

龍灘瓦斯發(fā)電站自2013年按照以上方案控制，規(guī)范使用緩蝕阻垢劑，在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀況下，實(shí)際測(cè)得如下使用效果：①碳鋼的腐蝕率小于0.075mm/a（以掛片監(jiān)測(cè)為準(zhǔn)）；②污垢沉積速率：小于15mcm；

③污垢熱阻：1.72～3.44×10-4m2·k/W；

④微生物控制(需加殺菌劑控制)：異養(yǎng)菌小于1×105個(gè)/ml，生物粘泥小于4ml/m3，硫酸鹽還原菌小于50個(gè)/ml。

4.2 降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度及安全危害

通過緩蝕阻垢劑使用效果與實(shí)際瓦斯電站循環(huán)冷卻水緩蝕阻垢技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況綜合得出，該方案有效抑制了熱交換器銅管內(nèi)壁結(jié)垢速度，不再形成難以清除的硬度較高的致密水垢，而是形成軟松垢，易被循環(huán)水沖刷、分散并帶走。而且清垢方式采用高壓水槍進(jìn)行沖洗清除，極大的降低了人工清除熱交換器銅管垢層的工作量，杜絕了人工清垢時(shí)電鉆傷人的安全危害。

4.3 瓦斯發(fā)電機(jī)組的利用率

通過上述方案的實(shí)施，龍灘瓦斯電站熱交換器銅管結(jié)垢問題得到有效解決，使得停機(jī)處理熱交換器積垢清除頻率延長(zhǎng)3倍以上，增加瓦斯發(fā)電機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，提高瓦斯發(fā)電機(jī)組利用率，同時(shí)減少因檢修設(shè)備或機(jī)組停運(yùn)導(dǎo)致瓦斯外排帶來的環(huán)境污染。

并且循環(huán)冷卻水通過緩蝕阻垢處理后，可將其濃縮倍率提高到3～3.5（原來濃縮倍數(shù)為1.5左右），有效延長(zhǎng)排污周期，減少循環(huán)水補(bǔ)充量，降低水資源消耗。

5 結(jié)束語

通過對(duì)廣能集團(tuán)龍灘瓦斯發(fā)電站循環(huán)水緩蝕阻垢劑殺菌的分析及實(shí)施處理，使用緩蝕阻垢劑后具有相當(dāng)好的緩蝕效果，同時(shí)水解率低、性能穩(wěn)定、耐高溫性好。同時(shí)對(duì)瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻器布局進(jìn)行改造，提高瓦斯發(fā)電機(jī)組利用率，減少瓦斯外排帶來的環(huán)境污染。