鐘建輝，陳宇，陳文中，祝曉亮

(1. 湛江中粵能源有限公司，廣東 湛江 524099；2. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

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降低電廠氫型混床能耗的措施

鐘建輝1，陳宇1，陳文中1，祝曉亮2

(1. 湛江中粵能源有限公司，廣東 湛江 524099；2. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

以湛江中粵能源有限公司為例，針對氫型混床能耗過高的問題，研究其影響因素并提出相應(yīng)的解決措施，重點包括降低給水pH值的控制上限、優(yōu)化混床陽陰樹脂配比、提高樹脂分離過程的監(jiān)控精度和調(diào)整工藝步序等。這些措施實施后，氫型混床周期制水量增大近300%，混床每處理1 m3凝結(jié)水所消耗的除鹽水量、酸堿量降低約70%。

凝結(jié)水精處理；氫型混床；樹脂分離；樹脂配比；工藝步序；節(jié)能降耗

高速混床是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的一種電廠凝結(jié)水精處理除鹽設(shè)備，根據(jù)運行方式不同，可分為氫型混床和銨型混床。兩種型式相比，氫型混床產(chǎn)水水質(zhì)更好，可明顯降低機組發(fā)生腐蝕、結(jié)垢和積鹽的風(fēng)險，符合電廠配備混床的初衷。因此，我國大部分電廠的高速混床都按氫型運行。尤其在超(超)臨界機組中，一般要求混床必須按照氫型運行[1]。但是，氫型混床能耗較高，其自用除鹽水量和酸堿量往往是銨型混床的3倍以上，嚴(yán)重影響精處理的運行經(jīng)濟性，也非常不利于電廠節(jié)水減排。因此，目前各電廠對降低氫型混床能耗的措施及效果都非常關(guān)注。本文分析了影響氫型混床能耗的因素，并介紹了幾種降低能耗的措施及效果。

1　影響氫型混床能耗的因素

混床每處理1 m3凝結(jié)水所消耗的除鹽水量和酸堿量稱為混床能耗，其能耗成本可表示為：

(1)

式中：A為混床能耗成本，元/m3(凝結(jié)水)；Q為混床周期制水量，m3；Yc為除鹽水單價，元/m3(除鹽水)；qc為混床單次再生所消耗的除鹽水量，m3；Ys為再生用酸的單價，元/t；qs為混床單次再生所消耗的酸量，t；Yj為再生用堿的單價，元/t；qj為混床單次再生所消耗的堿量，t。

當(dāng)混床氫型運行時，周期制水量Q(m3)取決于混床陽樹脂體積V(m3)、陽樹脂工作交換容量E(mol/m3)和凝結(jié)水中的氨濃度cNH3(mmol/L)，即[2]

(2)

將式(2)帶入式(1)，則有

(3)

由式(3)可知：當(dāng)除鹽水、酸堿單價一定時，氫型混床能耗成本取決于凝結(jié)水中氨濃度、混床陽樹脂的體積、陽樹脂工作交換容量、混床單次再生所需除鹽水量和酸堿量這幾個因素。

鐘建輝，等：降低電廠氫型混床能耗的措施

2　降低能耗的措施

以湛江中粵能源有限公司(以下簡稱“中粵公司”)為例，介紹各項降低氫型混床能耗的措施。中粵公司已建成投產(chǎn)的機組為2臺600 MW濕冷燃煤機組，機組給水按全揮發(fā)處理。每臺機組精處理除鹽設(shè)備由2臺前置過濾器和3臺高速混床組成，其中混床為2運1備，混床陽陰樹脂配比的原設(shè)計值為2∶3，樹脂體外分離采用錐底設(shè)備。

2.1降低給水pH值的控制上限

由式(3)可知，氫型混床能耗與凝結(jié)水中的氨濃度成正比，降低凝結(jié)水中氨濃度，氫型混床能耗可相應(yīng)降低。凝結(jié)水中的氨濃度主要取決于給水中的加氨量，而給水加氨量是通過給水pH值來控制的。給水pH值越大，給水加氨量越大，凝結(jié)水中的氨濃度越大。因此，要降低凝結(jié)水中氨濃度，進而降低氫型混床能耗，需降低給水pH值。

目前，我國大部分電廠的機組給水按全揮發(fā)處理，按照GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》[3]要求，給水pH值應(yīng)控制在9.2～9.6。根據(jù)熱力學(xué)理論計算，與pH值對應(yīng)的氨濃度見表1。

由表1可知，當(dāng)給水pH值按照GB/T 12145—2008規(guī)定的下限值9.2來控制時，凝結(jié)水中的氨濃度為0.03 mmol/L。而當(dāng)給水pH值按照GB/T 12145—2008規(guī)定的上限值9.6來控制時，氨濃度為0.13 mmol/L，是前者的4倍多，相應(yīng)地將使氫型混床的運行能耗達(dá)到前者的4倍。可見，

表1　純水氨濃度和pH值的關(guān)系

為了降低氫型混床能耗，應(yīng)使給水pH值靠近下限值9.2，而不應(yīng)使給水pH值經(jīng)常接近或達(dá)到上限值9.6。

2014年12月之前，中粵公司2臺600 MW機組的給水pH值都靠近GB/T 12145—2008規(guī)定的上限值9.6，凝結(jié)水中的氨濃度通常為0.10～0.12 mmol/L。2014年12月后，中粵公司將給水pH值的控制上限降至9.4，凝結(jié)水中的氨濃度降至0.04～0.06 mmol/L。按照式(3)中其他參數(shù)不變的情況計算，氫型混床的運行能耗可降至原來的40%～50%。中粵公司采取該措施的同時，還采取了下文所述各種措施，全部措施執(zhí)行后，對氫型混床的能耗成本進行了前后對比，見本文第3節(jié)。對比可知，全部措施執(zhí)行后，氫型混床能耗成本共降低70%。

采取這一措施的問題是：給水pH值的控制上限適當(dāng)降低，氫型混床能耗降低，但機組防腐效果是否會明顯變差。通過調(diào)研得知，我國貴州黔北、遼寧綏中、遼寧營口、山東萊蕪、山東濟寧、海南東方等多家濕冷電廠均已將給水pH值的控制上限調(diào)整為9.4，其中海南東方電廠則采用了自動加氨方式，將給水pH值精確控制在9.3左右。這些電廠均運行正常，給水和主蒸汽中鐵的質(zhì)量濃度長期小于5 μg/L，滿足GB/T 12145—2008的要求，暫未發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的腐蝕問題。中粵公司采取該措施至今已有一年多，定期檢測結(jié)果表明，給水鐵的質(zhì)量濃度變化不大，大部分時候為3～5 μg/L，暫未發(fā)現(xiàn)問題。由此看來，適當(dāng)降低給水pH值的控制上限，使給水pH值既控制在GB/T 12145—2008規(guī)定的范圍內(nèi)，又不使氫型混床能耗過大，這種在機組防腐和降低氫型混床能耗之間尋找平衡的做法值得嘗試。但應(yīng)注意的是：從理論上分析，空冷機組中給水的pH值不宜降低，原因是空冷機組水汽中二氧化碳含量較大，機組易發(fā)生酸性腐蝕[4]。而濕冷機組水汽中氯、硫酸根等陰離子的質(zhì)量濃度較大，明顯超過1 μg/L時，首先應(yīng)解決水汽中這些陰離子質(zhì)量濃度較大的問題，再適當(dāng)降低給水pH值的控制上限，以防機組發(fā)生酸性腐蝕[5]。

此外，根據(jù)中粵公司的應(yīng)用經(jīng)驗，采用調(diào)低加氨量的措施前，應(yīng)首先按照DL/T 1201—2013《發(fā)電廠低電導(dǎo)率pH的在線測量方法》[6]的要求，對給水pH值在線檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性進行校驗，以防加氨失調(diào)。另外，建議給水加氨時采用自動加氨裝置，提高加氨量的調(diào)整精度和給水氨濃度的穩(wěn)定性。

2.2優(yōu)化樹脂配比和增大陽樹脂工作交換容量

由式(3)可知，氫型混床能耗與陽樹脂體積、陽樹脂工作交換容量成反比。因此，要降低能耗，需增大陽樹脂體積和陽樹脂工作交換容量。這是從增大陽樹脂總交換容量和提高陽樹脂交換容量的利用率兩方面著手，降低氫型混床能耗的方法。以下對這兩方面進行分述。

2.2.1通過優(yōu)化混床陽陰樹脂配比的方法增大混床內(nèi)可裝填的陽樹脂體積

混床一旦定型，能夠裝填的樹脂總體積便無法改變，因此要增大陽樹脂體積，便需減少陰樹脂體積，實則為改變混床內(nèi)陽陰兩種樹脂的體積配比。目前，我國大部分電廠精處理系統(tǒng)無前置陽離子交換器且給水采用全揮發(fā)處理，按照DL/T 5068—2014《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計規(guī)范》[7]要求，陽陰樹脂配比應(yīng)為3∶2或2∶1。但是，咨詢50多家同類型電廠后發(fā)現(xiàn)，近90%的混床陽陰樹脂配比為1∶1，其他多為2∶3，采用3∶2或2∶1的不足3%，這非常不利于氫型混床低能耗運行。

中粵公司混床陽陰樹脂配比的原設(shè)計值為2∶3，現(xiàn)已更改為3∶2。值得注意的是：中粵公司混床樹脂體外分離采用的錐底設(shè)備可適應(yīng)不同的陽陰樹脂配比。而其他很多電廠的混床樹脂體外分離采用的是高塔設(shè)備[8]，要調(diào)整陽陰樹脂配比，需相應(yīng)改動高塔設(shè)備上的陰樹脂出脂口位置或改變樹脂分離的工藝步驟。據(jù)了解，貴州黔北、遼寧綏中、遼寧營口、河北定州、山東濟寧、海南東方等十多家電廠，通過改變工藝步驟的方法，實現(xiàn)了陽陰樹脂配比的調(diào)整。此外，根據(jù)中粵公司的應(yīng)用經(jīng)驗，樹脂配比更改后，應(yīng)安裝可監(jiān)控樹脂分離與輸送全過程的監(jiān)控儀器，精確控制樹脂輸送體積，否則，調(diào)整后的樹脂配比會在樹脂分離與輸送過程中發(fā)生混亂，使樹脂配比調(diào)整的效果無法長期保持。中粵公司采用的監(jiān)控儀器為我國自主研發(fā)的一種智能化儀器——樹脂輸送圖像智能識別及控制儀[9]。

2.2.2通過設(shè)備技改和工藝優(yōu)化的方法增大陽樹脂工作交換容量

影響陽樹脂工作交換容量的主要因素有混床失效樹脂輸送率、樹脂分離效果、樹脂再生效果、樹脂混合效果、混床進水分配效果和樹脂本身性能等6個方面。針對這6個因素，在中粵公司進行了排查，結(jié)果見表2。

表2影響混床陽樹脂工作交換容量的因素排查結(jié)果

檢測項目檢測結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)要求樹脂輸送率99.92%≥99.9%[10]樹脂分離度陽中陰:0.1%～7%陰中陽:0.1%～2%陽中陰:≤0.1%[10]陰中陽:≤0.1%[10]樹脂再生度陽樹脂:約90%陰樹脂:約80%陽樹脂:≥99.6%[7]陰樹脂:≥97%[7]樹脂混合效果混床下層100mm樹脂中陰樹脂體積占38%暫無標(biāo)準(zhǔn)可依。經(jīng)驗表明,混脂效果好時,混床內(nèi)由下往上100mm樹脂層中陰樹脂體積大于30%混床進水分配效果樹脂明顯擾動暫無標(biāo)準(zhǔn)可依。經(jīng)驗表明,進水分配效果好時,混床樹脂可在運行過程中保持靜止?fàn)顟B(tài)樹脂性能分離系數(shù):0.35混合系數(shù):1.88分離系數(shù):>0[10]混合系數(shù):<3[10]

由表2可知，樹脂分離度、再生度和混床進水分配效果均不滿足要求，會對混床陽樹脂工作交換容量產(chǎn)生不利影響。進一步排查可知：樹脂分離度低的原因是分離塔內(nèi)的樹脂輸出時缺失監(jiān)控，輸出無法定量；樹脂再生度低的原因是樹脂再生的工藝參數(shù)不當(dāng)；混床進水分配效果差的原因是混床進水分配裝置本身性能欠佳。

為此，研究后采取以下措施：安裝樹脂輸送圖像智能識別及控制儀，對樹脂分離全過程進行監(jiān)控；通過調(diào)試重新確定再生工藝參數(shù)，結(jié)果見表3。

受條件限制，中粵公司目前還沒有采取改善混床進水分配效果的措施。據(jù)了解，海南東方、山東日照、山東萊蕪、山東濟寧和江西安源等電廠采用了一種新型式的混床進水分配裝置(加強型兩級高速混床進水分配裝置)[11]，可將混床陽樹脂工作交換容量提高50%以上，值得關(guān)注。

表3調(diào)試前后的再生工藝參數(shù)

參數(shù)調(diào)試后調(diào)試前100%鹽酸用量/(kg·m-3)127164100%氫氧化鈉用量/(kg·m-3)150116陽樹脂再生進酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%3.5～53.5～5陰樹脂再生進堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%3.5～53.5～5陽樹脂再生流速/(m·h-1)56陰樹脂再生流速/(m·h-1)45陽樹脂再生時間/s46803600陰樹脂再生時間/s43203600陽陰樹脂再生后置換時間/s3600～48001800～3600

注：調(diào)試確定酸堿用量時還綜合考慮了樹脂體積的變化帶來的影響和其他工藝優(yōu)化的影響。

2.3減少混床單次再生時的自用水量和酸堿用量

2.3.1減少混床單次再生自用水量的方法

a)樹脂在混床和分離系統(tǒng)之間傳輸時，首先采用氣送方式將設(shè)備內(nèi)的水全部傳輸出去后，再采用水送方式傳輸，可大幅縮短水送所需時間，節(jié)水效果顯著。

b)樹脂空氣擦洗時，采用“空擦和正洗”這樣的簡單循環(huán)，所需水量較少，且空擦效果更好。同時，樹脂再生后的正洗時間也能相應(yīng)縮短，節(jié)省正洗水量。

2.3.2減少混床單次再生酸堿用量的方法

正常情況下，各電廠只要控制好再生參數(shù)，樹脂再生度通常都能達(dá)到較高水平。但是應(yīng)注意的是，當(dāng)樹脂空氣擦洗效果較差時，再生度無法保證，往往需要增大再生劑用量。為改善空擦效果，建議失效樹脂在分離塔內(nèi)的空擦次數(shù)至少設(shè)定為3次，樹脂在再生塔內(nèi)再生前的空擦次數(shù)至少設(shè)定為15次，并采用“空擦和正洗”這樣的簡單循環(huán)對樹脂進行擦洗，每次空擦和正洗時間推薦為2 min。

3　實施效果

a)采取措施前后的技術(shù)參數(shù)對比見表4。

b)采取措施前后的運行效果對比見表5。

4　節(jié)能效益及投資回收期

中粵公司采取上述措施后，2臺600 MW機組的精處理氫型混床每年可處理的凝結(jié)水量由176×104m3增加至1 100×104m3，水處理能力顯著增強。同時，氫型混床每處理104m3凝結(jié)水所消耗的自用除鹽水量由140 m3降至40 m3，消耗的酸量由0.5 t降至0.13 t，消耗的堿量由0.45 t降至0.11 t，能耗成本(凝結(jié)水)則由0.54元/m3降至0.14元/m3，能耗成本降低了70%?？梢?，上述措施的實施效果顯著。據(jù)此估算，混床處理200×104～300×104m3凝結(jié)水所節(jié)約的費用，即可收回本次優(yōu)化的全部投資。按照優(yōu)化后，2臺600 MW機組每年處理凝結(jié)水量按1 100×104m3計算，投資回收期僅2～4個月。

表4　采取措施前后的技術(shù)參數(shù)

注：采取措施后，100%氫氧化鈉用量反而增多，原因是堿計量泵出力設(shè)計較小，陰樹脂進堿再生時，堿稀釋液中堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分時候只有約3.5%，無法達(dá)到再生度調(diào)試時的最佳范圍(4%～6%)，因而為確保陰樹脂再生度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)[7]規(guī)定的97%以上，適當(dāng)增加了堿用量。

表5采取措施前后的運行效果對比

參數(shù)采取措施前采取措后備注每臺高速混床出力/(m3·h-1)2臺機組高速混床運行數(shù)量每臺機組凝結(jié)水處理水量/(m3·h-1)160216050041000采取措施前,混床周期制水量小,再生過于頻繁。為及時對混床進行再生,并減輕運行工作強度,將高速混床旁路閥部分開啟,高速混床只處理部分凝結(jié)水,每臺機組運行1臺混床。采取措施后,混床周期制水量大幅增加,混床再生時間可以合理安排,運行工作強度大幅降低,因此恢復(fù)正常運行,將混床旁路閥關(guān)閉,且每臺機組運行2臺混床,對凝結(jié)水進行全流量處理高速混床周期制水量/104m33.614氫型運行,混床失效時出水的直接電導(dǎo)率為0.15μS/cm高速混床年度再生臺次4979由于采取措施前,每臺機組只運行1臺混床,而且處理的凝結(jié)水量較少,因此年度再生臺次反而更少,但這是以犧牲精處理出水水質(zhì)為代價,是不可取的

5　結(jié)論

a)影響氫型混床能耗的因素有：凝結(jié)水氨濃度、混床陽樹脂體積、陽樹脂工作交換容量、混床單次再生所需除鹽水量和酸堿量。

b)適當(dāng)降低給水pH值的控制上限，可明顯降低氫型混床能耗。但這是否會對機組防腐效果產(chǎn)生明顯影響，還應(yīng)長期觀察。

c)大部分電廠的混床陽陰樹脂配比為1∶1，不利于降低氫型混床能耗，建議按照DL/T 5068—2014要求進行調(diào)整。但調(diào)整前應(yīng)首先采取措施提高樹脂體外分離與輸送過程的監(jiān)控水平，確保樹脂配比穩(wěn)定。

d)從中粵公司的經(jīng)驗來看，影響陽樹脂工作交換容量的因素主要為樹脂分離效果、再生效果和混床進水分配效果。為提高陽樹脂工作交換容量，建議改進樹脂分離與輸送過程的監(jiān)控方法，精細(xì)化調(diào)整再生工藝，并為混床更換布水效果更好的進水分配裝置。

e)中粵公司采取措施后，氫型混床的能耗成本降低約70%，效果顯著。

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(編輯彭艷)

Measures for Reducing Energy Consumption of Hydrogen-type Mixed Bed in Power Plant

ZHONG Jianhui1, CHEN Yu1, CHEN Wenzhong1, ZHU Xiaoliang2

(1.Zhanjiang Zhongyue Energy Co., Ltd., Zhanjiang, Guangdong 524099, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Shaanxi, Xi’an 710032, China)

In allusion to the problem of high energy consumption of hydrogen-type mixed bed, this paper takes Zhanjiang Zhongyue energy co. ltd. for an example, studies influencing factors on energy consumption and presents related solutions such as reducing upper control limit of pH value for feedwater, optimization on cation-anion resin proportioning, improving monitoring precision for resin separation, adjusting process steps, and so on. After implementing these measures, period water volume of the hydrogen-type mixed bed increases about 300%, and when the mixed bed processes 1 m3condensate water per time, amount of demineralized water and acid-base amount both decreases about 70%.

condensate water precision processing; hydrogen-type mixed bed;resin separation; resin proportioning; process step; energy conservation and consumption reduction

2016-03-03

2016-06-07

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.007

TM621.8

A

1007-290X(2016)09-0032-05

鐘建輝(1975)，男，廣東茂名人。工程師，工學(xué)學(xué)士，從事火電廠技術(shù)管理工作。

陳宇(1967)，男，廣西貴港人。助理工程師，從事電廠化學(xué)設(shè)備管理工作。

陳文中(1973)，男，廣東陽春人。高級工程師，工學(xué)學(xué)士，從事電廠化學(xué)技術(shù)監(jiān)督工作。