摘要：某燃氣電廠采用地表水作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補充水水源，為保證該系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，并進行節(jié)水減排，根據水質特點提出了一種高濃縮倍率運行控制方案。本文通過動態(tài)模擬試驗驗證該方案的運行效果，并確定運行參數。結果表明，采用CN-101阻垢緩蝕劑（投加量14 mg/L），循環(huán)水濃縮倍率控制在7.0倍左右，Cl-濃度不大于250 mg/L，鈣硬度不大于5.27 mmol/L，總堿度不大于4.9 mmol/L，循環(huán)水動態(tài)模擬試驗的換熱管、填料塔均未發(fā)生結垢現象，表明該條件下循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可穩(wěn)定運行。

關鍵詞：循環(huán)冷卻水；阻垢緩蝕劑；動態(tài)模擬；腐蝕；殺菌

中圖分類號：TM621.8 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）02-000-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.02.002

Dynamic Simulation Test Research on Circulating Water with High Concentration Ratio in Gas Power Plant

JIN Yiqun1， LI Xiaodong1， LIU Chuan1， LIU Gang1， LUO Zhibin1， LI Ruirui2， GUO Yan2， XIE Zhouhua2， HUANG Shanfeng2

（1. China Power （Sihui） Thermal Power Co.， Ltd.， Zhaoqing 526000， China;"2. Xi'an Thermal Power Research Institute Co.， Ltd.， Xi'an 710032， China）

Abstract： A gas power plant uses surface water as the make-up water source of the circulating cooling water system， in order to ensure the safe and stable operation of the system and to save water and reduce emissions， a high concentration ratio operation control scheme is proposed according to the characteristics of water quality. This paper verifies the operation effect of the scheme through dynamic simulation test， and determines the operation parameters. The results show that using CN-101 scale and corrosion inhibitor （dosage 14 mg/L）， the concentration ratio of circulating water is controlled at about"7.0 times， the concentration of Cl- is not more than 250 mg/L， the calcium hardness is not more than 5.27 mmol/L， and the total alkalinity is not more than 4.9 mmol/L， there is no scaling phenomenon in the heat exchange tube and packing tower of the circulating water dynamic simulation test， which indicates that the circulating cooling water system can operate stably under this condition.

Keywords： circulating cooling water; scale and corrosion inhibitor; dynamic simulation; corrosion; sterilization

近年來，國家及地方密集出臺一系列環(huán)境保護法律法規(guī)與政策，強化能源雙控和水資源三條紅線剛性約束。火力發(fā)電廠作為高水耗企業(yè)，循環(huán)冷卻水用量一般占全廠用水量的80%～90%，提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行時的濃縮倍率，是節(jié)水減排的關鍵[1-4]。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)易發(fā)生沉積物析出、附著，設備腐蝕及微生物滋生等現象，影響機組運行安全。添加阻垢緩蝕劑及殺菌劑是控制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結垢的主要手段[5-7]。某燃氣電廠總裝機容量為800 MW，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水水源為地表水（綏江水），補充水預處理工藝為：綏江水→混合→反應凝聚池→沉淀池。為最大限度節(jié)水，更好地保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，該燃氣電廠對CN-101阻垢緩蝕劑進行動態(tài)模擬試驗，為機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行控制提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗水樣

該燃氣電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補充水水源為地表水（綏江水），其主要水質指標如表1所示。表1數據顯示，試驗期間所取水樣的各指標均在電廠提供的地表水監(jiān)測水質變化范圍內。因此，試驗所取水樣具有代表性。

1.2 阻垢緩蝕劑

根據《火力發(fā)電廠循環(huán)水用阻垢緩蝕劑》（DL/T 806—2013），對該燃氣電廠提供的CN-101阻垢緩蝕劑的理化性能進行檢測，結果如表2所示。從表2可知，CN-101阻垢緩蝕劑的理化性能符合該標準無磷阻垢緩蝕劑A類產品的指標要求。

1.3 試驗方法

1.3.1 極限碳酸鹽硬度試驗方法

在循環(huán)水箱中注入50 L試驗用水，加入一定量的阻垢緩蝕劑，攪拌均勻，同時在補充水箱中加入相同劑量的阻垢緩蝕劑。開啟循環(huán)水泵，調節(jié)循環(huán)水流量（1 m3/h），流量穩(wěn)定后，啟動加熱器加熱，并開啟循環(huán)水溫控開關，調節(jié)循環(huán)冷卻水換熱管出口水溫（45 ℃±1 ℃）。試驗過程中，邊濃縮邊補入補充水，保持試驗裝置中循環(huán)水的總體積不變[8-10]。

在整個試驗過程中，計算濃縮倍率差值ΔK，并保證ΔK≤0.2（ΔK＝KCl-KCa≤0.2。其中，KCl為氯離子濃縮倍率；KCa為鈣離子濃縮倍率）。當ΔK大于0.2時，循環(huán)水開始出現結垢現象。

1.3.2 電化學腐蝕試驗方法

（1）點蝕判據。循環(huán)冷卻水運行條件下，測定不銹鋼的點蝕電位（Eb）與（析）氧平衡電位（φ）。如果點蝕電位不小于（析）氧平衡電位（Eb≥φ），則認為不銹鋼管在該循環(huán)冷卻水中不會發(fā)生點蝕[11-12]。

其中，（析）氧平衡電位根據試驗水樣的pH、溫度等條件，采用式（1）計算得出。

式中：φ為相對于飽和甘汞電極（SCE）的氧平衡電位，V；φ0為標準條件（pO2=1 atm，t=25 ℃，氫離子活度為1 mol/L）時相對于飽和甘汞電極的氧平衡電位，其值為0.987 5 V（SCE）；R為通用氣體常數，取8.315 J/（K·mol）；T為冷卻水的絕對溫度，K；F為法拉第常數，取96 484.6 C/mol；pO2為氧的絕對壓力，atm；t為冷卻水溫度，℃；pH為冷卻水的pH值。

（2）試驗溶液。試驗用水中投加CN-101阻垢緩蝕劑（投加量14 mg/L），水樣濃縮倍數提升至7.0倍，加入適量的NaCl，調整溶液的Cl-濃度分別為150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L和300 mg/L。

（3）試驗設備。PARSTAT 2273電化學工作站采用三電極體系。一是參比電極，采用飽和甘汞電極；二是輔助電極，采用鉑電極，面積大于2 cm2；三是工作電極，面積為1 cm2。

1.3.3 循環(huán)水動態(tài)模擬試驗方法

通過循環(huán)水動態(tài)模擬試驗，進一步驗證CN-101阻垢緩蝕劑的阻垢緩蝕效果。模擬試驗裝置的試驗參數如表3所示，試驗裝置如圖1所示。

2 試驗結果

2.1 極限濃縮倍率測定

控制循環(huán)水濃縮溫度45 ℃，CN-101阻垢緩蝕劑動態(tài)試驗結果如圖2所示。由圖2可知，以綏江水作為循環(huán)水補充水時，CN-101阻垢緩蝕劑的阻垢效果較好，加藥量為14 mg/L時，實驗室極限濃縮倍率為8.26倍。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，實驗室試驗條件下得到的極限濃縮倍率應乘以一定安全系數（0.85），該計算結果可作為現場工業(yè)應用值，因此循環(huán)水系統(tǒng)實際運行的濃縮倍率控制在7.0左右。

2.2 不銹鋼耐氯離子點蝕試驗

以濃縮倍率為7.0倍的循環(huán)水為基礎溶液，添加NaCl調整溶液Cl-濃度，溫度為45 ℃±1 ℃，不銹鋼耐氯離子點蝕的電位測定試驗結果如表4所示。

由表4可知，當Cl-濃度不大于250 mg/L時，TP304不銹鋼的點蝕電位均高于該溶液的氧平衡電位，說明該條件下TP304不銹鋼發(fā)生點蝕的傾向性較低。

2.3 循環(huán)水動態(tài)模擬試驗

2.3.1 水質監(jiān)測

循環(huán)水動態(tài)模擬試驗運行時間為481 h，循環(huán)水主要水質與濃縮倍率的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，運行穩(wěn)定后，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)濃縮倍率控制在6.9～7.1倍，堿度為5.39～5.54 mmol/L，總硬度為6.59～6.71 mmol/L，鈣硬度為5.15～5.27 mmol/L。試驗穩(wěn)定運行期間，ΔK值小于0.2，說明在該條件下，循環(huán)水水質穩(wěn)定，結垢風險較低。

2.3.2 殺菌試驗

為進一步驗證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)動態(tài)運行時的殺菌效果，試驗期間分階段進行殺菌試驗。第一階段投加60 mg/L NaClO，控制循環(huán)水余氯濃度在0.6 mg/L±0.1 mg/L，并維持2 h；第二階段投加90 mg/L CN-604非氧化性殺菌劑。試驗過程中，定期監(jiān)測循環(huán)冷卻水的異養(yǎng)菌菌落總數，結果如表5所示。

殺菌試驗中，當異養(yǎng)菌菌落總數大于1.0×105個/mL時，認為殺菌劑失效。

從表5可知，沖擊性投加60 mg/L NaClO時，控制循環(huán)冷卻水余氯濃度在0.6 mg/L±0.1 mg/L，維持2 h左右，24 h內循環(huán)冷卻水的異養(yǎng)菌菌落總數可維持在小于1×105個/mL的水平；沖擊性投加90 mg/L CN-604非氧化性殺菌劑時，72 h內循環(huán)冷卻水的異養(yǎng)菌菌落總數可維持在小于1×105個/mL的水平。

2.3.3 換熱管內表面情況

循環(huán)水動態(tài)模擬試驗結束后，對換熱管和填料進行檢查。換熱管內表面干凈無粘泥，填料表面有少量松軟黏附物，均未發(fā)現結垢現象，檢查結果如圖4、圖5所示。

2.3.4 掛片腐蝕情況

腐蝕掛片布置在換熱管出口，試驗結束后，檢查金屬試樣表面狀態(tài)。TP304不銹鋼試片保持光亮，未發(fā)現點腐蝕現象，20#碳鋼試片表面有局部潰瘍狀腐蝕，如圖6、圖7所示。

金屬材料的平均腐蝕速率如表6所示。從表6可知，TP304不銹鋼試片的平均腐蝕速率為0.001 2 mm/a，滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》（GB/T 50050—2017）中不銹鋼設備傳熱面水側腐蝕速率的要求（小于0.005 mm/a）；20#碳鋼試片的平均腐蝕速率為0.101 0 mm/a。二者的試驗結果處于《腐蝕數據手冊》[13]的“良好”等級范圍內。

2.4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行控制參數

以現場所取補充水為試驗水樣，進行動態(tài)模擬試驗，確定循環(huán)水濃縮倍率為7.0倍時的運行控制指標，如表7所示。

3 結論

極限碳酸鹽硬度試驗表明，循環(huán)水補充水添加CN-101阻垢緩蝕劑（投加量14 mg/L），實驗室極限濃縮倍率可達8.26倍。循環(huán)水中Cl-含量不大于

250 mg/L時，在換熱管表面清潔的情況下，TP304不銹鋼換熱管發(fā)生點蝕的傾向性低。循環(huán)水動態(tài)模擬試驗濃縮倍率控制在7.0倍左右，循環(huán)水水質穩(wěn)定，換熱管、填料塔均未發(fā)生結垢現象，TP304不銹鋼試片和20#碳鋼試片的平均腐蝕速率均滿足相關要求。循環(huán)水中單獨投加60 mg/L NaClO或90 mg/L CN-604非氧化性殺菌劑，均可獲得良好的殺菌效果。動態(tài)模擬試驗為燃氣電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行控制提供參數依據。CN-101阻垢緩蝕劑的應用可提高電廠循環(huán)水濃縮倍率，達到節(jié)水減排目標，更好地保證電廠安全經濟運行和今后的可持續(xù)發(fā)展。

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