周 嵐

（南京汽輪電力工程設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 210000）

冷卻水系統(tǒng)通常是熱力發(fā)電中比較重要的一個組成部分，與發(fā)電效率息息相關(guān)。而冷卻水的用水量巨大，為了節(jié)約用水，在使用淡水作為水源的內(nèi)陸地區(qū)，將換熱過后的冷卻水經(jīng)冷卻塔冷卻后再循環(huán)使用，形成循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。而在冷卻水的循環(huán)過程中，也會因風(fēng)吹、蒸發(fā)、排污等因素產(chǎn)生不小的水量損失。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水設(shè)計可以從這些產(chǎn)生水量損失的因素出發(fā)，通過不同的方式，達到節(jié)水設(shè)計的目的。

1 減少冷卻水量的技術(shù)措施

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)各種因素所產(chǎn)生的水量損失均與冷卻水量成正比關(guān)系。因此在保證機組安全運行的情況下，盡可能地減少冷卻水的耗量，是電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水設(shè)計需要考慮的第一要素。

冷卻水量的確定首先需要對電廠所在地的環(huán)境氣候條件進行分析，再根據(jù)發(fā)電機組的運行參數(shù)確定合適的循環(huán)倍率，最終確定合適的冷卻水量。同一地區(qū)，在不同季節(jié)具有不同的環(huán)境氣候條件，可以采用不同的循環(huán)倍率，如果各季節(jié)均采用統(tǒng)一循環(huán)倍率來確定冷卻水量，就會導(dǎo)致設(shè)計冷卻水量過大，導(dǎo)致水資源的浪費。因此，在進行循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供水設(shè)計時，可以通過大小泵組合的方式或者采用變頻技術(shù)，根據(jù)實時環(huán)境氣候條件合理地調(diào)整冷卻水量，從而盡可能地減少冷卻水用量，達到節(jié)水設(shè)計的目的。

2 減少風(fēng)吹損失的技術(shù)措施

風(fēng)吹損失的水量與進塔風(fēng)速、冷卻塔的類型、淋水填料以及冷卻水量有關(guān)。在造成系統(tǒng)水量損失的3種因素中，風(fēng)吹損失率的占比較小。在冷卻塔上加裝收水器是減少風(fēng)吹損失的有效措施。

弧形收水器是目前在方形冷卻塔中最普遍使用的收水器形式。其材質(zhì)為玻璃鋼或PVC。2.5 m/s風(fēng)速時的收水效率可達99%。而在中小型的圓形逆流式冷卻塔中，由于周邊圓弧形邊界不適合使用弧形收水器，因此多采用小波斜交叉薄膜填料作為收水器，這種收水器效果較弧形收水器差。在設(shè)計時可以通過加裝收水器將循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的風(fēng)吹損失率控制在0.1%以下。

3 減少蒸發(fā)損失的技術(shù)措施

在開式冷卻水系統(tǒng)中，冷卻過程中的蒸發(fā)損失在整個水量損失中的占比最大。以設(shè)計循環(huán)倍率N=5為例，蒸發(fā)損失的水量占整個水量損失的80%。采取干式封閉式冷卻可以將這部分損失降至0。

閉式冷卻塔主要應(yīng)用于干式封閉式冷卻過程中，其將冷卻水封閉在塔內(nèi)的換熱盤管內(nèi)，與開式機械通風(fēng)冷卻塔一樣，采用風(fēng)機將室外的冷空氣抽入塔中，在塔內(nèi)冷空氣與熱冷卻水以換熱盤管作為導(dǎo)熱介質(zhì)進行接觸傳熱。與開式冷卻塔相比，密閉式冷卻塔中冷卻水不直接與空氣接觸，只能通過盤管表面將熱量傳到進入塔內(nèi)的冷空氣，而不存在蒸發(fā)散熱，因此不需要因為蒸發(fā)濃縮水質(zhì)變差而進行排污，系統(tǒng)的水量損失只可能發(fā)生在設(shè)備管道的泄漏情況下。由于缺少蒸發(fā)散熱，因此該種冷卻形式的冷卻效率很低。對于同樣的冷卻水量來說，需要更多的冷卻面積，需要耗費大量的換熱盤管，設(shè)備費用大大高于同等冷卻能力的開式冷卻塔，且冷卻極限無法達到開式冷卻的程度。

由于這些缺點，閉式冷卻塔對于運行環(huán)境條件的要求更為苛刻，而且應(yīng)用在冷卻水量規(guī)模較大的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時，耗費巨大。目前通常僅在冷卻水量不大于1 000 m3/h的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中采用閉式冷卻塔。對于純凝式的熱力發(fā)電廠來說，這樣的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)規(guī)模是遠遠不能滿足要求的。對于整個生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)來說，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中蒸發(fā)損失的水量轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水進入自然循環(huán)，水質(zhì)純凈，沒有生態(tài)環(huán)境污染。因此，在一些常年干旱、地表及地下資源都缺乏地區(qū)的電廠采用干式封閉式冷卻系統(tǒng)可以在一定程度上滿足缺水情況下電廠的運行需要。但是在水資源并不十分缺乏地區(qū)的電廠，如果一味地考慮減少蒸發(fā)損失，不僅經(jīng)濟上難以承受，對于水資源環(huán)境保護這個節(jié)水設(shè)計的初衷來說實際意義不大。

4 減少排污損失的技術(shù)措施

電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中針對系統(tǒng)排污損失這一塊的節(jié)水設(shè)計是真正實現(xiàn)水資源良性循環(huán)的有效途徑。

在循環(huán)水系統(tǒng)冷卻過程中的水量蒸發(fā)導(dǎo)致水中雜質(zhì)及離子含量的濃縮增長。為了防止循環(huán)水中雜質(zhì)及離子含量濃縮增長到一定程度后，對電廠的生產(chǎn)安全產(chǎn)生影響，就需要將濃縮后的循環(huán)水排出，并補充生水使其中離子含量維持在一定范圍內(nèi)。循環(huán)水系統(tǒng)的排污是應(yīng)對系統(tǒng)冷卻過程中水量蒸發(fā)后導(dǎo)致水質(zhì)惡化而采取的措施。排污損失率與系統(tǒng)蒸發(fā)損失率和系統(tǒng)允許的水質(zhì)濃縮程度（以濃縮倍數(shù)表征）息息相關(guān)。一定環(huán)境和運行條件下，當(dāng)蒸發(fā)損失率一定時，要減少系統(tǒng)的排污損失率，就要盡可能地提高系統(tǒng)濃縮倍數(shù)。下面是提高排污系統(tǒng)濃縮倍數(shù)重點流程圖，如圖1所示。

圖1 提高排污系統(tǒng)濃縮倍數(shù)流程圖

根據(jù)GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》，采用非海水水源時，濃縮倍率設(shè)計值宜為3.0～5.0，當(dāng)水質(zhì)較好時，濃縮倍率可以進一步提高。由此可知，改善循環(huán)水水質(zhì)條件可以在一定程度上提高濃縮倍率，進而減少系統(tǒng)排污損失。

改善循環(huán)水水質(zhì)可以從以下幾個方面著手：改善處理循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補水水質(zhì)、改善循環(huán)冷卻水水質(zhì)條件、循環(huán)冷卻水旁濾處理。除此之外，還可以通過一些循環(huán)冷卻水節(jié)水成套的技術(shù)的應(yīng)用以及對排污水進一步處理提純等技術(shù)來減少循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水的排放。

例如，在某個大型電廠，其每年在生產(chǎn)過程中所需要的水資源為3 500 t，循環(huán)水資源是由廠邊的2個大型水庫所提供的。在對其用水來源進行分析時，發(fā)現(xiàn)生活用水主要來自于城市用水管道，每年的需求量大約為650 t。尤其是近2年來， 國家對電能的需求量越來越多，為了滿足社會發(fā)展的要求，該大型電廠增設(shè)了發(fā)電機，并且將其納入到以前的發(fā)電機組當(dāng)中。

相關(guān)的技術(shù)人員仔細地分析后，此大型電廠的工作人員對其中的問題進行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)如果按照以前的的生產(chǎn)方式，對水資源進行利用，其每年的生產(chǎn)所需要的水資源就會增加到1 400 t， 然而生產(chǎn)成本也會提高，要比原來多29.5%。這對于電力企業(yè)的發(fā)展來說，其情況是非常不樂觀的。

為了更有效地降低電力生產(chǎn)過程中的成本，該大型電廠中的技術(shù)人員需要從循環(huán)冷卻水等多個方面入手，合理地采用化學(xué)處理法和交換處理法，對循環(huán)水進行了相關(guān)的處理。同時，他們還需要按照照循環(huán)冷卻水中的實際情況，制定周期性的處理目標(biāo)和方案，優(yōu)化對循環(huán)水的處理流程。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在1年的時間內(nèi)，這種大型電廠為了提高處理質(zhì)量，對循環(huán)冷卻水進行了8次處理。對生產(chǎn)水資源進行整體分析，在該年度中，用于生產(chǎn)的水資源已經(jīng)達到了3 040 t，與之前相比，下降了37%，對循環(huán)冷卻水的利用率提高了37.6%。

如果從生產(chǎn)成本的角度對其進行分析，會發(fā)現(xiàn)在該年度內(nèi)，因為循環(huán)冷卻水利用率得到了提高，所以該大型電廠的生產(chǎn)成本與以前相比，在一定程度上下降了29.3%。因此，該大型電廠在對循環(huán)冷卻水進行前，需要按照相關(guān)的要求，調(diào)整處理措施，通過對相關(guān)措施的合理應(yīng)用，不斷地提高節(jié)水效果，為該企業(yè)的發(fā)展提供更多的經(jīng)濟效益。

在當(dāng)前背景下，為了進一步提高電廠水資源的利用率，避免造成大量資源損失，需要對生產(chǎn)成本進行合理控制。在此過程中，我國的各大電廠需要按照其生產(chǎn)過程中的實際要求以及建廠規(guī)模的大小，選擇合理的循環(huán)冷卻水處理措施，對循環(huán)冷卻水進行處理，優(yōu)化處理流程，減少排污損失，進一步完善循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

5 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水處理

對進入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水源補水進行處理，即從源頭上減少了進入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的雜質(zhì)及離子含量的濃度，從而可以提升設(shè)計濃縮倍數(shù)。

進入電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補水懸浮物濃度不應(yīng)大于50 mg/L，水源水懸浮物濃度不滿足此要求時，可以采用澄清、過濾等方法進行處理。

在系統(tǒng)補水懸浮物濃度滿足要求的情況下，根據(jù)水質(zhì)情況，可以采用以下的化學(xué)處理方式進一步改善補水水質(zhì)。

5.1 穩(wěn)定劑及加酸處理

在對電廠循環(huán)水進行處理的過程中，如果循環(huán)水補充水碳酸鹽硬度及堿度不高時，可以只添加化學(xué)穩(wěn)定劑對其進行處理。這種方式具有系統(tǒng)簡單和基建投資少等特點，保證了運行操作的有效性[3]。而如果原水堿度比較高，就可以通過向補充水中加硫酸，降低其中一部分的堿度，從而提高循環(huán)水濃縮倍率。但是在此過程中我們一定要控制加酸量，如果此量過大，會引起 CaSO4等物質(zhì)對混凝土建筑物的侵蝕，避免引起水中的中性鹽含量增多對電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行的影響。此外，由于 pH 偏低以及水質(zhì)波動會給金屬材質(zhì)的防腐性帶來影響，需要合理地應(yīng)用此方式，優(yōu)化電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水設(shè)計的流程，循環(huán)冷卻水合適的pH值控制在6.5～9.5為宜。

5.2 石灰處理

當(dāng)補充水中碳酸鹽硬度較高時，可以采用石灰處理。該方式是向原水處理的澄清池中加入一定的石灰乳，這種方式可以有效地除去水中游離的 CO2、碳酸鹽硬度和堿度還可以去除一部分有機物和微生物，在一定程度上大大減少了結(jié)垢對電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響，提高了濃縮倍率，這種方式具有運行費用低的特點。但是需要配套建設(shè)石灰乳制備系統(tǒng)，需要耗費一定的一次建設(shè)費用，且后期運行時石灰粉儲存投加設(shè)備維護起來也比較困難，容易出現(xiàn)管道堵塞和流通不暢等問題，影響了運行環(huán)境的安全性[1]。

5.3 加強弱酸氫離子交換處理

去除水中硬度還可以采用離子交換的方式進行處理。在進行弱酸處理時，一般利用弱酸陽離子交換樹脂的交換容量，將水中的碳酸鹽硬度以及堿度進行置換清除。該處理法技術(shù)比較成熟，操作起來也比較方便，非常容易實現(xiàn)自動化和環(huán)境清潔，提高了循環(huán)水處理水平，保證濃縮倍率的有效性。同時，這種方式在實際中的應(yīng)用能夠保證水質(zhì)穩(wěn)定劑的有效性。

5.4 膜法處理

納濾膜可以實現(xiàn)對二價離子的去除，因此可以用來去除水中的硬度。相較于前述的軟化處理方法，該方法具有自動化程度高、去硬效果好等優(yōu)點。但是該處理方法設(shè)備費用投資較大，相對于其能達到的節(jié)水效果來說并不經(jīng)濟，因此目前實際應(yīng)用較少。

6 循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定處理

循環(huán)水冷卻水的水質(zhì)穩(wěn)定處理可以通過在補充水中投加，也可以直接加入循環(huán)冷卻水集水池中。通常采用投加緩蝕阻垢劑、殺菌劑等藥劑來保證循環(huán)冷卻水在循環(huán)過程中的水質(zhì)穩(wěn)定，使系統(tǒng)可以在一定的濃縮倍數(shù)下安全運行。

7 循環(huán)冷卻水旁濾處理

經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)循環(huán)冷卻水的懸浮物含量對凝汽器管道及輔機冷卻器管道的腐蝕和結(jié)垢有一定影響。較高的懸浮物含量可促使沖擊腐蝕，并影響加藥的效果。此外，懸浮物在管道內(nèi)的沉積可以導(dǎo)致管道的沉積物下腐蝕，還有可能在冷卻塔填料中沉積而影響冷卻效率。因此，對循環(huán)冷卻水進行旁濾處理，及時清除循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在運行過程中增加的懸浮物，對于提高系統(tǒng)運行濃縮倍數(shù)具有重要的意義。

目前在實際應(yīng)用中，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的旁濾處理通常采用自帶反洗功能的過濾裝置，如重力式無閥過濾器、自清洗過濾器等。這些設(shè)備在日常運行中不需要人工反洗操作，具有生產(chǎn)運行步驟簡單的優(yōu)點。裝設(shè)循環(huán)冷卻水旁濾裝置的系統(tǒng)濃縮倍數(shù)基本可以達到≥5。

8 高濃縮倍數(shù)循環(huán)冷卻水節(jié)水成套的技術(shù)應(yīng)用

相關(guān)技術(shù)人員對電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行方式和特點進行了研究，設(shè)計了高濃縮倍數(shù)循環(huán)冷卻水節(jié)水成套的技術(shù)。該技術(shù)安裝了節(jié)水示范裝置，裝置對冷卻水中阻垢的分散劑劑量和電導(dǎo)率等多種項內(nèi)容進行自動監(jiān)控，然后再根據(jù)監(jiān)控信息進行穩(wěn)定性運轉(zhuǎn)考核，使碳鋼腐蝕率＜0.03 mm/a，并控制污垢黏附速率使其在低于10 mcm的基礎(chǔ)上盡可能地減少提高濃縮倍數(shù)。有數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)在各大電廠中的應(yīng)用，每年可節(jié)省3.0×107t的水資源損耗，極大地減少了污水排放量，保證了節(jié)水設(shè)計的有效性[2]。

9 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水的重復(fù)利用

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水具有含有一定的懸浮物雜質(zhì)、鹽分高等特點。對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的排污水進行重復(fù)利用是該系統(tǒng)節(jié)水設(shè)計終極手段。根據(jù)不同的重復(fù)利用去向，可以采用不同的復(fù)用處理工藝。

對于采用濕法脫硫的燃煤電廠來說，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水可以經(jīng)過簡單的澄清后直接進入濕法脫硫系統(tǒng)作為脫硫用水，也可以直接復(fù)用作為灰場沖灰水及道路澆撒水等。這些是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水復(fù)用首選途徑。

當(dāng)無濕法脫硫工藝的電廠或者濕法脫硫用水量遠遠小于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水量時，排污水無法進行充分復(fù)用，對系統(tǒng)排污水進行進一步處理，以達到其他用水的水質(zhì)需求。

以下是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水處理的1個典型流程，如圖2所示。系統(tǒng)排污水經(jīng)過混凝沉淀過濾等預(yù)處理步驟后，再經(jīng)過反滲透單元進行除鹽處理，經(jīng)過除鹽過后的清水水質(zhì)既可以達到循環(huán)水系統(tǒng)補水水質(zhì)的要求，又可以作為循環(huán)冷卻水補水進入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)重復(fù)使用。反滲透系統(tǒng)排放的濃水相當(dāng)于原有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的排污，但是在該種情況下的排污水含鹽量更高，即將循環(huán)冷卻水系統(tǒng)所需要排放的污染物濃縮至更少量的水當(dāng)中排放，大大減少了系統(tǒng)的排污水量[3]。

圖2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水處理示意圖

盡管如此，為了將水資源利用到極致，已經(jīng)經(jīng)過濃縮的排污水還可以通過結(jié)晶蒸發(fā)的工藝進一步與水中的污染物分離，實現(xiàn)排水的全部回用。分離出來的污染物也可以經(jīng)過提純處理后實現(xiàn)工業(yè)回用，變廢為寶，最終實現(xiàn)生產(chǎn)的良性循環(huán)。

10 結(jié)語

目前，優(yōu)質(zhì)水資源日益缺乏，人們需要在各種生產(chǎn)活動中進行更多的設(shè)計，以減少水資源的浪費，防止水資源的污染。電廠作為與經(jīng)濟發(fā)展、人民生活息息相關(guān)的1種生產(chǎn)活動，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是其生產(chǎn)工藝中的主要耗水點，對該系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)采取節(jié)水，對整個電廠的節(jié)水設(shè)計具有重要的意義。在生產(chǎn)過程中，各種新興技術(shù)的應(yīng)用也為該系統(tǒng)的節(jié)水設(shè)計提供了更多的可能。在日常的實際工作中，需要對這些技術(shù)進行探索研究，仔細分析并予以總結(jié)，這樣就可以在工程和生產(chǎn)實踐中靈活地加以運用，更好地完成電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水設(shè)計。