吳怡衛(wèi)

（江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京211102）

大容量超（超）臨界機(jī)組具有機(jī)組效率高、污染物排放少的優(yōu)點(diǎn)，是我國鼓勵發(fā)展的發(fā)電技術(shù)之一。但超（超）臨界機(jī)組對水汽質(zhì)量提出了更高的要求，為保證機(jī)組的水汽品質(zhì)，確保機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行，根據(jù)《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》），必須設(shè)置有效的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)。

1 給水水質(zhì)控制要求及給水處理方式

水的臨界點(diǎn)為22.12 MPa，374.15℃，電力工業(yè)中將主蒸汽壓力大于22.12 MPa的機(jī)組稱為超臨界機(jī)組，而習(xí)慣上又將主蒸汽壓力大于27 MPa的機(jī)組稱為高效超臨界機(jī)組或超超臨界機(jī)組[1]。

最新版的《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB/T12145—2008）規(guī)定的超臨界機(jī)組和亞臨界機(jī)組的水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1、表2和表3所示。

表1 鍋爐給水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

可見，與亞臨界機(jī)組相比，超（超）臨界機(jī)組對水汽品質(zhì)的要求更為苛刻，尤其是對二氧化硅、鐵、銅等指標(biāo)的要求明顯提高，因此超（超）臨界機(jī)組凝結(jié)水精處理系統(tǒng)對除鐵和除硅功能的要求更高，而為了保證水汽系統(tǒng)中銅含量合格，熱力系統(tǒng)采用無銅系統(tǒng)是必要的。

根據(jù)超（超）臨界機(jī)組的汽水質(zhì)量要求和直流爐的運(yùn)行特性，其給水處理方式主要有全揮發(fā)性處理（AVT）和加氧處理（OT）2種方式。由于AVT方式的防腐、防垢效果不夠理想，所以直流爐設(shè)計多采用加氧處理，并且推薦采用加氨加氧的聯(lián)合處理方式（CWT）。

表2 蒸汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

表3 凝結(jié)水除鹽后的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

2 超（超）臨界機(jī)組的凝結(jié)水精處理方案

凝結(jié)水精處理主要有去除懸浮物（包括除鐵和除銅）和除鹽2個功能，其設(shè)備可以分為3大類[2]：（1）過濾設(shè)備，包括管式過濾器、電磁除鐵過濾器、砂濾器等；（2）除鹽設(shè)備，包括混床、陽床和陰床；（3）過濾除鹽設(shè)備，粉末樹脂過濾器。

如前所述，超臨界機(jī)組的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)除了常規(guī)亞臨界機(jī)組的除鹽功能外，還需要顯著加強(qiáng)對鐵的去除。

已有的運(yùn)行實踐表明，超臨界機(jī)組采用單混床精處理方案，盡管其出水氫導(dǎo)電率可以滿足要求，但除鐵效果無論是在啟動階段還是正常運(yùn)行階段都難以滿足超臨界機(jī)組的水質(zhì)要求[3]，因此，在單混床精處理系統(tǒng)前增加除鐵設(shè)施是必要的。同樣當(dāng)精處理系統(tǒng)采用陽—陰分床精處理方案時也應(yīng)設(shè)置前置除鐵設(shè)施，可以保證機(jī)組啟動初期盡快投入離子除鹽設(shè)備，縮短機(jī)組啟動時間，防止樹脂的鐵污染。

對于直接空冷機(jī)組而言，由于沒有循環(huán)冷卻水，凝結(jié)水含鹽量主要來自于鍋爐補(bǔ)給水，凝結(jié)水的含鹽量較低，因此直接空冷機(jī)組的凝結(jié)水精處理關(guān)鍵是除鐵，其次是除鹽。根據(jù)《規(guī)范》，結(jié)合近期國內(nèi)外凝結(jié)水處理技術(shù)的發(fā)展，適合1000MW超（超）臨界機(jī)組的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)主要以下幾種。

2.1 前置過濾器＋混床系統(tǒng)

每臺1000MW機(jī)組設(shè)置2臺50%的前置過濾器和4臺33%的高速混床，該方案是1000MW超超臨界機(jī)組的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的主流配置方案，國內(nèi)已投運(yùn)的1000MW機(jī)組如華能玉環(huán)電廠、華電鄒縣電廠、國電泰州電廠、國電北侖港、華能海門等電廠均采用該方案。根據(jù)2009年限額設(shè)計2×1000MW機(jī)組共用1套再生單元的凝結(jié)水精處理設(shè)備投資2020 萬元。

由于電磁除鐵過濾器的除鐵效果不是很穩(wěn)定，其對加氧處理生成的非磁性Fe2O3根本無法去除，因此對于加氧運(yùn)行的機(jī)組不能選用電磁過濾器。前置過濾器一般選用纏繞式濾元或折疊式濾元，早期多選用纏繞式濾元，但由于其過濾精度不高，出水水質(zhì)不好，故逐漸為過濾精度高、反洗效果好、運(yùn)行周期長、運(yùn)行壓差小的折疊式濾元所代替。

再生單元有2種配置方案，一是每臺機(jī)組配備1套再生單元，二是2臺機(jī)組共用1套再生單元，同時增設(shè)1臺樹脂貯存罐和1套樹脂（共10套精處理樹脂）。再生單元采用高分離樹脂再生技術(shù)，如高塔分離技術(shù)、錐斗分離技術(shù)。

機(jī)組啟動初期，凝結(jié)水含鐵量超過1000μg/L時，不進(jìn)入凝結(jié)水精處理混床系統(tǒng)，僅投入前置過濾器。機(jī)組正常運(yùn)行時，2臺前置過濾器同時運(yùn)行，當(dāng)1臺前置過濾器退出時可開啟2臺前置過濾器中間設(shè)置的50%旁路閥。前置過濾器系統(tǒng)設(shè)計有100%的隔離旁路?；齑矠?臺運(yùn)行，1臺備用?；齑蚕到y(tǒng)設(shè)有100%旁路門，當(dāng)凝結(jié)水溫度較高或混床系統(tǒng)壓差較大時自動打開。

2.2 前置陽床＋混床系統(tǒng)

每臺1000MW機(jī)組設(shè)置3臺33%的前置陽床和4臺33%的高速混床，該方案在國內(nèi)1000MW機(jī)組尚未投運(yùn)。黃埔電廠2×300MW機(jī)組在上個世紀(jì)末采用了前置陽床＋混床的方案，該方案在英國是廣泛應(yīng)用的凝結(jié)水處理方案，也是核電機(jī)組的主流配置方案，國內(nèi)的秦山一期核電廠、秦山二期核電廠、田灣核電等均采用該方案。2×1000MW機(jī)組的凝結(jié)水精處理設(shè)備投資大約2120 萬元。

由于前置陽床的存在，該系統(tǒng)混床的進(jìn)水為中性或微酸性，工作中的反離子大大減少，在相同的雜質(zhì)離子含量下，運(yùn)行周期延長，出水質(zhì)量比前置過濾器＋混床系統(tǒng)略好[3]。而且高速混床工作在中性或微酸性狀態(tài)下，更有利于去除溶解狀態(tài)的鐵離子，對整個系統(tǒng)的除鐵效果會有進(jìn)一步的提高[3]。

該系統(tǒng)混床再生單元的設(shè)置與前置過濾器＋混床系統(tǒng)相同，此外還需要設(shè)置1套陽床再生單元，因此系統(tǒng)較為復(fù)雜，占地面積也較大。該系統(tǒng)的運(yùn)行阻力也比前置過濾器+混床系統(tǒng)要高。

2.3 前置過濾器＋陽床＋陰床系統(tǒng)

每臺1000MW機(jī)組設(shè)2×50%前置過濾器+4×33%高速陽床+4×33%高速陰床，2臺機(jī)組共用1套陰、陽樹脂體外再生裝置。2×1000MW機(jī)組的凝結(jié)水精處理設(shè)備投資大約2800 萬元。

該系統(tǒng)由于陰、陽床有足夠高的樹脂層，樹脂的裝載量大，故運(yùn)行周期較長，適合于循環(huán)水含鹽量較高的機(jī)組；與混床系統(tǒng)相比分床應(yīng)用的最大優(yōu)勢在于沒有樹脂混合和再生前的樹脂分離，故不存在樹脂交叉污染，因此分床系統(tǒng)可以獲得持續(xù)且穩(wěn)定的出水水質(zhì)，氫電導(dǎo)率一般可以維持在0.15μS/cm以下[4，5]。分床系統(tǒng)的另一優(yōu)勢是可以利用陽樹脂耐溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)凝結(jié)水溫度較高時可以旁路陰床僅投運(yùn)陽床對凝結(jié)水進(jìn)行處理，因此該系統(tǒng)也適合于凝結(jié)水溫較高的直接空冷機(jī)組的凝結(jié)水處理，是大型直接空冷機(jī)組的常用方案之一，華能上安2×600MW超臨界空冷機(jī)組即采用該方案。

該系統(tǒng)在國內(nèi)濕冷機(jī)組上使用的業(yè)績較少，天津楊柳青2×300MW亞臨界機(jī)組采用低壓陽—陰分床后加Ⅱ級陽床系統(tǒng)，出水電導(dǎo)率小于0.10μS/cm，出水水質(zhì)良好。

陽床、陰床投運(yùn)前需進(jìn)行徹底沖洗，以防止樹脂再生殘留的酸堿再生液進(jìn)入機(jī)組。為了降低陽陰床投運(yùn)前的樹脂沖洗水量，需將分開設(shè)計的陽床再循環(huán)系統(tǒng)和陰床再循環(huán)系統(tǒng)合二為一，即從陰床出口母管經(jīng)再循環(huán)泵后重新引至陽床入口母管[4]，或者采用陽陰床串聯(lián)的形式，組成4個陰陽床單元，每個單元設(shè)置1臺再循環(huán)泵。

2.4 粉末樹脂覆蓋過濾器系統(tǒng)

每臺1000MW機(jī)組設(shè)3×50%粉末樹脂覆蓋過濾器，并配備1套鋪膜系統(tǒng)。該方案屬成熟技術(shù)，具有系統(tǒng)簡單，運(yùn)行阻力小，不需要再生設(shè)備，節(jié)約占地，節(jié)省投資的優(yōu)點(diǎn)。2臺1000MW機(jī)組的凝結(jié)水精處理設(shè)備投資大約1250 萬元。

粉末樹脂過濾器既解決了機(jī)組啟動期間的過濾問題，也解決了除鹽、除硅問題[2]。但該方案一次鋪膜量有限，約為深層混床樹脂裝填量的1/20，因此粉末樹脂過濾器的化學(xué)除鹽作用是很小的[6]，一旦凝汽器泄漏，粉末樹脂過濾器運(yùn)行阻力上升及離子穿透過快，無法維持濕冷超（超）臨界直流鍋爐機(jī)組要求的水汽品質(zhì)。由于直接空冷機(jī)組的凝結(jié)水含鹽量較小，機(jī)組對精處理系統(tǒng)的除鹽功能要求較低，所以該系統(tǒng)可以在直接空冷機(jī)組中使用，如國內(nèi)的大同二期、內(nèi)蒙上都、華能銅川等600MW直接空冷機(jī)組。

根據(jù)最近的調(diào)研，由于粉末樹脂凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的機(jī)組所發(fā)生的汽輪機(jī)腐蝕積鹽問題較多，而且粉末樹脂凝結(jié)水精處理系統(tǒng)對降低出水的含鈉量效果不高[7]，因此該系統(tǒng)難以保證超（超）臨界直流機(jī)組的水汽品質(zhì)。

2.5 粉末樹脂覆蓋過濾器＋混床系統(tǒng)

由于單純的粉末樹脂過濾器難以保證大型超（超）臨界機(jī)組的水汽質(zhì)量，于是產(chǎn)生了粉末樹脂覆蓋過濾器＋混床精處理系統(tǒng)，即在粉末樹脂過濾器后加高速混床以進(jìn)一步降低粉末樹脂過濾器出水含鹽量，提高系統(tǒng)的出水水質(zhì)，保證大型超（超）臨界機(jī)組的安全運(yùn)行。

該系統(tǒng)典型配置是每臺1000MW機(jī)組設(shè)置3×50%粉末樹脂覆蓋過濾器+4×33%高速混床，每臺機(jī)組配備1套鋪膜系統(tǒng)，2臺機(jī)組共用1套再生單元，2臺機(jī)組的凝結(jié)水精處理設(shè)備投資大約3000 萬元。

在機(jī)組啟動時該系統(tǒng)過濾器可以僅鋪纖維粉用于除鐵，也可鋪陽、陰混合樹脂粉和纖維粉用于除鐵、除鹽；機(jī)組正常運(yùn)行且凝結(jié)水溫較低時，投運(yùn)粉末樹脂覆蓋過濾器及混床裝置，前者鋪纖維粉用于除鐵，后者用于除鹽；機(jī)組正常運(yùn)行且凝結(jié)水溫較高時，粉末樹脂覆蓋過濾器鋪涂陽、陰混合樹脂粉與纖維粉的混合濾料，也可以根據(jù)水溫情況只鋪涂陽樹脂粉與纖維粉的混合濾料，起到一定的除鹽效果，混床裝置被旁路。因此該系統(tǒng)綜合了粉末樹脂覆蓋過濾器和混床裝置各自的優(yōu)點(diǎn)，具有出水水質(zhì)好、運(yùn)行靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3 凝結(jié)水精處理方案適用性

3.1 前置過濾器＋混床系統(tǒng)

該系統(tǒng)的出水水質(zhì)比分床系統(tǒng)略好，出水完全可以滿足超（超）臨界機(jī)組的水質(zhì)要求，與前置過濾器+陽床+陰床系統(tǒng)、前置陽床+混床系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的運(yùn)行阻力小，管理的設(shè)備數(shù)量少，占地面積小，運(yùn)行操作簡單，因而是大型超(超)臨界濕冷機(jī)組凝結(jié)水處理系統(tǒng)的優(yōu)先選擇方案。

3.2 前置陽床＋混床系統(tǒng)

該系統(tǒng)由于前置陽床的存在，混床的運(yùn)行周期延長，其出水質(zhì)量也比前置過濾器＋混床系統(tǒng)略好，完全可以滿足超（超）臨界機(jī)組的水質(zhì)要求，因而該系統(tǒng)是大型超（超）臨界濕冷機(jī)組凝結(jié)水處理系統(tǒng)值得推薦的方案，尤其是循環(huán)水含鹽量較高的濕冷機(jī)組，如采用海水冷卻的機(jī)組。而且由于陽樹脂的耐溫性好，所以該系統(tǒng)也可用在凝結(jié)水溫較高的直接空冷機(jī)組上。但該系統(tǒng)與前置過濾＋混床系統(tǒng)相比，系統(tǒng)復(fù)雜且占地面積較大，凝結(jié)水系統(tǒng)的阻力也較大。

3.3 前置過濾器＋陽床＋陰床系統(tǒng)

該系統(tǒng)的出水水質(zhì)穩(wěn)定、優(yōu)良，可以滿足超（超）臨界機(jī)組的水質(zhì)要求，而且系統(tǒng)的運(yùn)行周期較長，故適合于循環(huán)水含鹽量較高的機(jī)組，如海水冷卻機(jī)組。由于分床系統(tǒng)的陽樹脂耐溫性能較好，運(yùn)行中當(dāng)凝結(jié)水溫度較高時可以僅投運(yùn)陽床對凝結(jié)水進(jìn)行處理，因此該系統(tǒng)也適合于凝結(jié)水溫度較高的直接空冷機(jī)組的凝結(jié)水處理，是1000MW直接空冷機(jī)組值得推薦的精處理方案。該系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是設(shè)備數(shù)量較多，占地面積較大，運(yùn)行阻力較高。

3.4 粉末樹脂覆蓋過濾器系統(tǒng)

粉末樹脂覆蓋過濾器的一次鋪膜量有限，除鹽作用非常有限，因此該機(jī)組必須使用在冷卻水含鹽量很低、凝汽器管材非常嚴(yán)密的濕冷機(jī)組或直接空冷機(jī)組。該系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用昂貴，出水水質(zhì)難以完全滿足超（超）臨界機(jī)組的水質(zhì)要求，因此該系統(tǒng)不宜作為1000MW級大型超（超）臨界機(jī)組的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)方案。

從環(huán)保性能來講，該系統(tǒng)存在著難以處理的廢棄樹脂問題，廢樹脂的拋棄將對環(huán)境造成威脅，而且粉末樹脂的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的污染物質(zhì)，所以該方案的整體環(huán)保性較差。

3.5 粉末樹脂覆蓋過濾器+混床系統(tǒng)

如前所述，該系統(tǒng)的出水水質(zhì)可以滿足超（超）臨界機(jī)組的要求，而且系統(tǒng)運(yùn)行方式靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，可以適用于大型超（超）臨界濕冷機(jī)組和直接空冷機(jī)組，是1000MW超（超）臨界直接空冷機(jī)組凝結(jié)水處理系統(tǒng)的優(yōu)先選擇方案。國外核電站也有采用該系統(tǒng)的，運(yùn)行效果良好[8]。

4 凝結(jié)水精處理需進(jìn)一步研究的問題

4.1 應(yīng)積極推廣大直徑精處理除鹽設(shè)備的應(yīng)用

國內(nèi)1000MW機(jī)組精處理混床基本按照4×33%凝結(jié)水處理量來進(jìn)行配置，即每臺機(jī)組設(shè)置4臺D3000 或D3200 的混床，采用該方案的主要原因是考慮國內(nèi)制造廠商尚無大直徑混床投運(yùn)以及擔(dān)心大直徑混床的“偏流”問題。但該配置方案也有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備臺數(shù)多，占地面積較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，系統(tǒng)備用量偏小，投資費(fèi)用也偏高。

根據(jù)調(diào)研，隨著我國精處理技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)大型水處理公司已經(jīng)具備大直徑除鹽設(shè)備的生產(chǎn)能力，也有能力解決大直徑除鹽設(shè)備的“偏流”等問題。國外水處理公司已有大直徑精處理除鹽設(shè)備的應(yīng)用，如英國KENNICOTT公司為廣東大亞灣和嶺澳核電站1000MW機(jī)組中供應(yīng)了4套設(shè)備直徑為DN3800 的前置陽床+混床系統(tǒng)，運(yùn)行正常。因此，從技術(shù)上講采用大直徑除鹽設(shè)備是可行的。

基于以上原因，建議相關(guān)單位積極推進(jìn)大直徑（D≥3600mm）的精處理除鹽設(shè)備的使用，將大容量機(jī)組的精處理設(shè)備配置由4×33%（1000MW級機(jī)組）或者5×25%（1200MW級機(jī)組）模式改變?yōu)?×50%模式，降低電廠的投資，同時提高我國的制造裝備能力。

4.2 積極推進(jìn)精處理電除鹽的研究

現(xiàn)階段精處理的除鹽技術(shù)均是基于離子交換原理，即通過顆粒狀或者粉末狀的陽樹脂、陰樹脂與凝結(jié)水中的陽、陰離子進(jìn)行交換而達(dá)到除鹽的目的。失效后的顆粒狀樹脂通過酸堿再生液進(jìn)行再生，該過程需要消耗酸堿，同時排放出酸堿廢水，存在著污染環(huán)境的可能。另外混床每隔一段時間需要再生，運(yùn)行維護(hù)工作量也較大。而當(dāng)混床運(yùn)行時，可能會由于樹脂再生不徹底、混床投運(yùn)前沖洗不干凈，或者運(yùn)行時監(jiān)督不到位引起系統(tǒng)硫酸根或氯根超標(biāo)，導(dǎo)致混床又成為一個污染源。

與混床系統(tǒng)相比，電除鹽（EDI）系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定、優(yōu)良，不需要每隔一段時間再生一次，不會產(chǎn)生對熱力系統(tǒng)的二次污染問題，基本不會產(chǎn)生酸堿廢水，是一種綠色的水處理工藝，電除鹽方案現(xiàn)已在國內(nèi)的多個大型機(jī)組的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)中使用，總體使用情況良好，但國內(nèi)尚未在精處理系統(tǒng)中使用。電除鹽技術(shù)在精處理系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵是如何適應(yīng)凝結(jié)水高壓（2.8～4.2 MPa）和高溫（55℃）的特殊工況以及解決現(xiàn)階段電除鹽裝置造價偏高的問題。但基于電除鹽技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)以及其造價逐年顯著降低的趨勢，應(yīng)積極推進(jìn)電除鹽技術(shù)在凝結(jié)水精處理系統(tǒng)中的使用研究。

5 結(jié)束語

1000MW超（超）臨界機(jī)組對水汽質(zhì)量提出了更高的要求，為了保證大容量機(jī)組的安全運(yùn)行，必須設(shè)置完善的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)。

凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的選擇應(yīng)結(jié)合機(jī)組運(yùn)行方式、機(jī)組冷卻方式、循環(huán)冷卻水水質(zhì)、凝汽器管材以及爐內(nèi)處理工況等因素，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后確定。

對于1000MW超臨界濕冷機(jī)組，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)宜采用前置過濾+混床系統(tǒng)、前置陽床+混床系統(tǒng)、前置過濾+陽陰分床系統(tǒng)，避免選用裸混床和粉末樹脂過濾器系統(tǒng)；對于直接空冷機(jī)組，可選擇粉末樹脂過濾器+混床系統(tǒng)、前置過濾+陽陰分床系統(tǒng)，避免選用粉末樹脂過濾器系統(tǒng)。

建議相關(guān)部門積極推進(jìn)D≥3600mm的大直徑混床的使用以及精處理電除鹽新型技術(shù)的研究，以提高我國凝結(jié)水精處理的水平，為我國1000MW及以上機(jī)組的安全運(yùn)行提供保證。

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