欣格瑞（山東）環(huán)境科技有限公司 姚飛飛 田民格 宋 旗

內(nèi)蒙某10萬千瓦槽式導(dǎo)熱油光熱發(fā)電項(xiàng)目為中國最大的百兆級(jí)槽式國家光熱發(fā)電示范項(xiàng)目，通過配置的10小時(shí)熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)發(fā)電。項(xiàng)目全面投運(yùn)后年發(fā)電量約3.92億千瓦時(shí)，每年可節(jié)省標(biāo)煤約12萬噸、減排二氧化碳約30萬噸，對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、助力碳中和及碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。

在光熱發(fā)電機(jī)組中，其常規(guī)島與熱傳儲(chǔ)熱島的作用是為蒸汽輪機(jī)提供合格的蒸汽，類似于火力發(fā)電機(jī)組中的“鍋”，遂需要對(duì)常規(guī)島以及熱傳儲(chǔ)熱島所有汽水系統(tǒng)采用化學(xué)清洗，對(duì)太陽島以及熱傳儲(chǔ)熱島所有導(dǎo)熱油系統(tǒng)則可以采用物理方式清洗。本文將對(duì)該槽式導(dǎo)熱油光熱發(fā)電機(jī)組中的常規(guī)島及熱傳儲(chǔ)熱島汽水系統(tǒng)的化學(xué)清洗工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行比選和優(yōu)化。

光熱發(fā)電機(jī)組的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)不同于一般的火力發(fā)電機(jī)組的“爐”和“鍋”，其本質(zhì)是高溫導(dǎo)熱油與爐水進(jìn)行熱量交換的換熱器。為了控制蒸汽品質(zhì)和熱交換部位的安全、清潔，就需要對(duì)其汽水系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗，然后再進(jìn)行吹管，以避免熱力系統(tǒng)中的銹蝕產(chǎn)物、灰垢等污垢對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)生危害。但光熱發(fā)電機(jī)組在附屬設(shè)施配套和熱力系統(tǒng)方面與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組不同，這就要求在其化學(xué)清洗工作開展前，需深入了解項(xiàng)目自身的條件和設(shè)備、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合各種化學(xué)清洗工藝的藥品特性、可達(dá)到的清洗效果及其公用工程的要求等方面進(jìn)行確定。

1 工藝比選

1.1 工藝概選

本次化學(xué)清洗范圍內(nèi)的金屬材質(zhì)包括合金鋼及碳鋼，在選擇化學(xué)清洗工藝時(shí)，首先排出無機(jī)酸化學(xué)清洗工藝，宜優(yōu)先選擇有機(jī)酸作為化學(xué)清洗主劑。本項(xiàng)目配置有額定蒸發(fā)量為10噸/小時(shí)的蒸汽鍋爐，其額定蒸汽壓力為1.3MPa，在化學(xué)清洗過程中利用表面換熱器加熱清洗液，可滿足有機(jī)酸清洗工藝的溫度要求。

常用的有機(jī)酸有檸檬酸、EDTA 及羥基乙酸與甲酸的復(fù)合酸。其中檸檬酸與復(fù)合酸的化學(xué)清洗工藝包含有酸洗后的水沖洗、漂洗、鈍化等工序，對(duì)除鹽水供應(yīng)量要求較大，且其可達(dá)到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本相同。其中檸檬酸為食品添加劑，安全性較高；而復(fù)合酸主要是針對(duì)垢下腐蝕較嚴(yán)重的運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行清洗，其藥品價(jià)格較昂貴。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益及安全性后，排除復(fù)合酸的化學(xué)清洗工藝。其中EDTA 清洗工藝以EDTA 或EDTA 二鈉作為清洗主劑，在酸洗完成后，通過在酸洗液中添加部分助劑和調(diào)節(jié)pH 工作即可實(shí)現(xiàn)鈍化效果，可大大節(jié)省后續(xù)用水量且鈍化質(zhì)量較好。本次化學(xué)清洗工藝在檸檬酸化學(xué)清洗工藝及EDTA 化學(xué)清洗工藝中進(jìn)行比選。

1.2 工藝選擇

由于檸檬酸清洗工藝中包括最少兩次的水沖洗且單次用水量較大，約在清洗系統(tǒng)水容積的2～3倍。其中酸洗后的水沖洗工序較重要，如受限于供水條件該工序的沖洗時(shí)間延長，極易引起已清潔的金屬表面產(chǎn)生二次浮繡，進(jìn)而影響后續(xù)的鈍化效果。經(jīng)考察，現(xiàn)場除鹽水車間采用的原水為當(dāng)?shù)匚鬯畯S的中水，補(bǔ)水量為32m3/h，除鹽水產(chǎn)水量滿負(fù)荷下約在30m3/h，但原水供應(yīng)量不穩(wěn)定，且存在長時(shí)間無法供水的情況，實(shí)際的除鹽水產(chǎn)水量即會(huì)存在較大波動(dòng)。且除鹽水泵向熱傳儲(chǔ)熱島區(qū)域供水流量較小，最大供水流量約在70m3/h。整個(gè)清洗系統(tǒng)的水容積在230m3左右，除鹽水泵供水流量不足的情況、可通過安裝臨時(shí)管道泵作為流量補(bǔ)充的方式進(jìn)行解決。

檸檬酸清洗工藝包含了水沖洗、檸檬酸酸洗、水沖洗、漂洗、置換、鈍化。其過程較復(fù)雜，清洗過程中的連續(xù)用水量較大。首次水沖洗至酸洗后水沖洗的間隔時(shí)間一般為升溫時(shí)間加酸洗時(shí)間，其中升溫時(shí)間約在5小時(shí)，酸洗時(shí)間約在7小時(shí)，其中再加上1小時(shí)的工序操作時(shí)間，則總的間隔時(shí)間在13小時(shí)。若原水供應(yīng)充足，除鹽水產(chǎn)水處于滿負(fù)荷狀態(tài)，13個(gè)小時(shí)可產(chǎn)水約390m3，該水量不足以滿足清洗泵對(duì)化學(xué)清洗系統(tǒng)進(jìn)行兩次以上的水沖洗。考慮到原水供應(yīng)條件的現(xiàn)實(shí)情況，實(shí)際產(chǎn)生量會(huì)低于390m3。另外，若產(chǎn)水量、儲(chǔ)水量可滿足酸洗后水沖洗的要求，沖洗用水完成后即開始進(jìn)行漂洗工序的切換，包括工序切換在內(nèi)的操作時(shí)間一般在3小時(shí)，此時(shí)僅可生產(chǎn)合格的除鹽水約90m3，并不足以置換出清洗系統(tǒng)中的漂洗液。由于檸檬酸清洗工藝介質(zhì)的特點(diǎn)，如出現(xiàn)除鹽水供水量不足則會(huì)對(duì)檸檬酸工藝的執(zhí)行產(chǎn)生較大影響。

EDTA 清洗工藝包含了水沖洗、EDTA 酸洗鈍化，此清洗工藝僅在酸洗前有一步水沖洗，對(duì)用水總量要求較小，除鹽水供水量對(duì)EDTA 清洗工藝的執(zhí)行影響較小。根據(jù)除鹽水供水條件的實(shí)際情況來看，本次化學(xué)清洗應(yīng)優(yōu)先選用EDTA 化學(xué)清洗工藝。

2 工藝優(yōu)化

2.1 水沖洗工序優(yōu)化

在一般化學(xué)清洗工藝中，對(duì)于第一步的水沖洗一般采用開式?jīng)_洗，利用大流量的除鹽水沖洗系統(tǒng)，以較快的流速和較大的流量將系統(tǒng)及設(shè)備中的固體雜質(zhì)沖出系統(tǒng)。本次化學(xué)清洗由于現(xiàn)場供水量及儲(chǔ)水量較小，采用循環(huán)沖洗及開式?jīng)_洗相結(jié)合的步驟進(jìn)行。在循環(huán)沖洗中，以臨時(shí)循環(huán)泵最大負(fù)荷進(jìn)行循環(huán)，使系統(tǒng)及設(shè)備中的固體雜質(zhì)松動(dòng)，隨液體流動(dòng)，停止循環(huán)后利用壓縮空氣快速頂排循環(huán)沖洗水。通過多次的循環(huán)沖洗及排放，使被清洗設(shè)備及系統(tǒng)達(dá)到初步清潔的狀態(tài)。

多次循環(huán)沖洗結(jié)束后采用開式?jīng)_洗，在開式?jīng)_洗中包括恒流量開式?jīng)_洗及變流量開式?jīng)_洗。由于供水量較小，首先以較小的流量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的開式?jīng)_洗，沖洗至排放水較澄清。然后以清洗箱為容器，在積存較高液位后調(diào)整清洗泵負(fù)荷，以短時(shí)間較大流量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，利用短時(shí)間、多次的較大擾動(dòng)使系統(tǒng)中的較大雜質(zhì)流動(dòng)起來，進(jìn)一步清潔系統(tǒng)。本項(xiàng)目水沖洗工序用時(shí)12天，最終將系統(tǒng)渾濁發(fā)黃的排放水質(zhì)沖洗至透明澄清、無機(jī)械雜質(zhì)。

2.2 酸洗鈍化工藝優(yōu)化

常用的EDTA 化學(xué)清洗工藝所使用的清洗介質(zhì)一般包括EDTA 銨鹽清洗和EDTA 鈉鹽清洗。本項(xiàng)目主蒸汽設(shè)計(jì)壓力為12.7MPa，參考DL/T794-2012《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》的建議，對(duì)于壓力不大于15.6MPa 的鍋爐可采用EDTA 鈉鹽進(jìn)行清洗。所以本次化學(xué)清洗介質(zhì)可采用EDTA 鈉鹽或EDTA 銨鹽。下面對(duì)兩種工藝的特性進(jìn)行評(píng)價(jià)和選擇。被清洗設(shè)備中的預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器、再熱器均為管殼式換熱器，其清洗流程如圖1。

表1 EDTA 鈉鹽與EDTA 銨鹽工藝對(duì)比

圖1 化學(xué)清洗流程圖

其中清洗液在預(yù)熱器、過熱器、再熱器中均在管程流動(dòng)，其流動(dòng)性較好。但被清洗設(shè)備中的蒸發(fā)器為管殼式換熱器，水平橫向布置，其管程介質(zhì)為導(dǎo)熱油，殼程介質(zhì)為水汽混合物，清洗液在其殼層流動(dòng)，且設(shè)備底部化學(xué)清洗回水口較小，清洗介質(zhì)在其殼程流動(dòng)較慢，且由于殼程結(jié)構(gòu)的特殊性，其清洗介質(zhì)的分散均勻性較其他部位差。為實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)器更好的清洗效果，對(duì)兩種EDTA 清洗藥劑的溶解速度及靜態(tài)下的分散效果進(jìn)行了試驗(yàn)。通過在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室配置兩種清洗液的過程，檢驗(yàn)藥劑溶解效果。取常用的工業(yè)級(jí)EDTA 及EDTA 二鈉鹽配置清洗液，兩種藥劑均為白色晶體。對(duì)所配置清洗液的頂部和底部pH 進(jìn)行檢測，判定藥劑的分散性如下。

EDTA 二鈉鹽：溶解性。易溶，在90℃的除鹽水中溶解度較高。在加入過程中即可看到溶解現(xiàn)象。15g 固體藥劑溶解于500mL 除鹽水中用時(shí)30s；分散性。較好，清洗液頂部及底部的pH 值相同。EDTA：溶解性。難溶，目測在90℃的除鹽水中溶解度較小或者不溶。在加入氨水后可看到少量的溶解，需不斷攪拌才可繼續(xù)溶解。15g 固體藥劑在加入氨水及不斷攪拌條件下溶解于500mL 除鹽水中用時(shí)60s；分散性。較差，在不斷攪拌下藥劑才可溶解分散，靜態(tài)下清洗液頂部及底部的pH 值不同，溶解分散性較差。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可看出，作為溶解分散性均較好的EDTA 二鈉鹽更適合本項(xiàng)目中設(shè)備結(jié)構(gòu)的清洗，遂本次酸洗鈍化采用EDTA 二鈉鹽。該化學(xué)清洗工藝在鈍化工序操作時(shí)僅需利用少量片狀氫氧化鈉調(diào)節(jié)清洗液pH 即可，操作方便。且由于蒸發(fā)器循環(huán)較慢，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)清洗時(shí)間的延長，選用清洗速度較慢，清洗時(shí)間較長的EDTA 二鈉鹽更有利于化學(xué)清洗的安全進(jìn)行。

針對(duì)EDTA 二鈉鹽的清洗工藝優(yōu)化包括了控制較高溫度、延長加藥時(shí)間、分區(qū)加強(qiáng)循環(huán)等方式。酸洗加藥前，控制維持系統(tǒng)溫度在90～95℃。酸洗初期加藥過程中采用少量、多次的方式，防止局部藥劑濃度過高，超過藥劑的溶解度，避免限制EDTA 二鈉鹽的溶解。在循環(huán)過程中，通過多次暫時(shí)調(diào)小其他循環(huán)回路流量和關(guān)閉其他循環(huán)回路的方式，加大蒸發(fā)器循環(huán)回路的循環(huán)清洗壓力及流量，加快蒸發(fā)器循環(huán)回路的清洗液循環(huán)速度。在分回路進(jìn)行循環(huán)時(shí)，加大化驗(yàn)分析頻率，通過檢測各回路化學(xué)清洗介質(zhì)濃度和總鐵濃度判斷EDTA 二鈉清洗劑在清洗系統(tǒng)的分布情況和化學(xué)清洗進(jìn)度。

根據(jù)以上化學(xué)清洗工藝的比選和工藝優(yōu)化，在該項(xiàng)目汽水系統(tǒng)化學(xué)清洗工作中執(zhí)行了優(yōu)化后的EDTA 二鈉鹽化學(xué)清洗工藝。經(jīng)過縝密的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的執(zhí)行，化學(xué)清洗完成后，通過對(duì)汽包、監(jiān)視管、蒸發(fā)器及過熱器進(jìn)行的檢查，判斷清洗效果良好。

圖2 化學(xué)清洗前、后汽包內(nèi)部狀態(tài)

圖3 化學(xué)清洗前、后監(jiān)視管

3 結(jié)語

針對(duì)光熱發(fā)電機(jī)組常規(guī)島及熱傳儲(chǔ)熱島汽水系統(tǒng)與常規(guī)熱力機(jī)組系統(tǒng)的差異，結(jié)合各化學(xué)清洗工藝及化學(xué)清洗藥品的特點(diǎn)，初步篩選了適用于該光熱發(fā)電機(jī)組汽水系統(tǒng)的清洗工藝。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)化學(xué)清洗工藝進(jìn)行了優(yōu)化，據(jù)此可得出以下結(jié)論：

根據(jù)公用工程條件和被清洗系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，槽式導(dǎo)熱油光熱發(fā)電機(jī)組的常規(guī)島和熱傳儲(chǔ)熱島汽水系統(tǒng)化學(xué)清洗宜優(yōu)先選用EDTA 二鈉鹽為介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)清洗；通過循環(huán)沖洗、帶壓頂排和變流量開式?jīng)_洗優(yōu)化水沖洗工序可為下一步的酸洗鈍化創(chuàng)造良好的條件。但受限于現(xiàn)場除鹽水產(chǎn)水能力的限值，該沖洗方式需較長的沖洗時(shí)間。在制定工期計(jì)劃和進(jìn)度安排時(shí)，需區(qū)別于一般火力發(fā)電機(jī)組的化學(xué)清洗情況，預(yù)留出較長的水沖洗時(shí)間；通過控制較高溫度、延長加藥時(shí)間、分區(qū)加強(qiáng)循環(huán)的方式優(yōu)化EDTA 的酸洗鈍化工序，可使被清洗金屬表面達(dá)到清潔、鈍化良好的狀態(tài)。