摘要：受國家環保政策的影響，對于開采地下水作為生產用水的火電廠，引進城市再生水作為機組循環冷卻水的改造已是未來的發展趨勢。但火電廠的循環冷卻水使用城市再生水后，由于氯根離子和硫酸根離子的翻倍升高，使用銅材質冷卻管束的凝汽器和輔機設備的冷卻器，以及運行多年的冷卻水塔等設備會受到很大影響。為了保證以上主要設備的安全運行，本文將以張家口發電廠為例，從城市再生水的水質特點入手，分析其對相關設備的所產生的具體影響，通過比較論證，確定冷卻水塔防腐處理、凝汽器和主機潤滑冷油器不銹鋼冷卻管改造與增設閉式循環冷卻水系統相結合的改造方案，并提出了具體改造措施。

關鍵詞：火電廠  城市再生水  產生影響  采取措施


1 前言

　　我國是一個水資源短缺的國家，而可以利用的淡水資源更是很有限。地下水的過渡開采，水資源的污染，水資源利用不充分等問題已經成為阻礙我國經濟發展的絆腳石。而火電廠一直是工業用水里的用水大戶，火電廠對地下水的開采以及地表水的使用很大程度的影響著我國水資源的配置。近年來國家多次發布文件要求新建、擴建電廠禁止取用地下水，嚴格限制取用地表水，鼓勵利用城市污水處理廠的中水或其他廢水。為了適應國家環保政策的調整，建廠多年的老電廠引入城市再生水替代地下水已是未來的發展趨勢。

　　在火電廠耗水中，循環冷卻水的占比最大，約占總耗水量的八九成，因此目前引入城市再生水替代地下水大多是作為機組的循環冷卻水。不過雖說城市再生水經過各種水處理工藝 ，水質有了一定程度的改善，但是因其本身來自廢水污水，其水質與地下水相差很大，因此循環冷卻水水源改變后對火電廠的相關設備還是會造成很大影響。下面將以張家口發電廠為例，探討火電廠引進城市再生水后，會對相關設備產生的影響及相應的應對措施。

2 城市再生水水質情況及對火電廠生產設備產生的影響

2.1 城市再生水的處理工藝

目前主流的城市再生水處理方法分兩個工藝：

（a）城市污水 → 水解酸化+A2O(懸浮填料投加)+活性砂濾工藝 → 一級A排水。
（b）一級A排水 → 緩沖調節水池 → 硝化曝氣生物濾池 → 機械加速澄清池（投加石灰和硫酸亞鐵） → 酸化渠（投加濃硫酸） → 活性砂濾池清水池 → 外送。

2.2 城市再生水的水質特點

　　為了更準確的分析火電廠引進城市再生水后的影響，下面以張家口地區為例，調取了其城市再生水與地下水的重要水指標參數進行對比說明，見下表：


　　從上表可以看出城市再生水的水質氯根離子、硫酸根離子、生化需氧量等指標明顯比地下水的高許多，特別是氯根離子更是翻倍增加，這使的城市再生水的腐蝕性大大增強。而由于火電廠循環冷卻水是閉式循環，一般控制循環倍率為3—5倍，如果使用城市再生水作為循環冷卻水，其氯根離子、硫酸根離子、生化需氧量等指標的升高將嚴重影響到火電廠循環冷卻水系統的設備及冷卻器的壽命。

2.3 城市再生水對火電廠生產設備產生的具體影響

　　城市再生水的腐蝕性增強對火電廠設備的影響主要集中在使用銅材質冷卻管束的凝汽器和輔機設備的冷卻器，以及運行多年的冷卻水塔等。

（1）對于凝汽式汽輪機的凝汽器，建廠設計時一般都使用銅材質的冷卻管束，銅管厚度一般為0.8mm，銅管與管板脹接后會使脹口處的管板減薄并且增加了內應力，循環水會優先腐蝕銅管的脹接口處，導致凝汽器內漏，影響凝結水質。而使用城市再生水后，由于Cl－的大大升高，使得這一腐蝕過程大大加快，嚴重影響汽輪機的長期安全穩定運行。
（2）火電廠的輔機設備通過設置的冷卻器進行冷卻降溫，對于設計使用地下水的火電廠，為了提高冷卻器的換熱效率，冷卻器的換熱管一般采用銅管材質，銅管的管壁厚度一般為0.5mm—1mm，同樣采用脹接的方式與管板密封固定。城市再生水的Cl－過高，同樣會對冷卻器的銅管產生腐蝕，特別是脹口處容易產生腐蝕內漏。
（3）而對于一些老廠的冷卻塔等水工建構筑物，由于從建廠至今運行時間較長，長期處于C類環境運行，原混凝土結構的性能及外觀現狀是否滿足要求已不明確。同時由于再生水中有較高的Cl－，使得其在水、氧的環境下與鋼筋和金屬起化學反應，形成許多帶有陰極和陽極的小電池，最終生成氧化鐵和氯化鐵這兩種鐵銹。使得它對于鋼筋混凝土的鋼筋和金屬構件的腐蝕，比起地下水要嚴重的多。對金屬構件來說，腐蝕減少了結構斷面。降低了鋼材的強度。混凝土中的應力，導致鋼筋的保護層沿著已被銹蝕的鋼筋產生裂紋，從而形成滲入結構體內的通道，進一步加速鋼筋的銹蝕，形成惡性循環，直至保護層脫落。而水中的SO42－通過裂縫進入混凝土內部后，經過化學反應生成硫酸鈣，體積膨脹，還會使混凝土脹裂破壞。Cl－進入混凝土后與水泥中的水化硅酸鈣起作用，最后生成CaCl2、Al(OH)3等使水泥松散，減弱了膠結力。因此使用再生水作為循環冷卻水水源后，就必須提高鋼筋混凝土本身的抗腐蝕性能。

3 火電廠使用城市再生水后采取的措施論證

　　在使用城市再生水作為循環水補充水后，由于凝汽器的冷卻水水質的改變，為了提高防腐蝕性能，凝汽器的換熱部件管材需由銅管更換為TP317L不銹鋼管；膠球清洗系統設備需考慮整體更換或更換通流部分材料。而對于輔機冷卻器冷卻水系統除了更換管束管材外，增設一套輔機冷卻器用閉式循環冷卻水系統也是一個不錯的解決方案，下面將對這兩種方案進行論證比較。

3.1 為輔機冷卻器冷卻水系統增設閉式循環冷卻水系統方案

　　作為機組循環冷卻水補充水后，在汽機房內改造建設一套閉式循環冷卻水系統，已達到使冷卻器與城市再生水分離的目的。閉式循環水的補水采用凝結水或除鹽水，閉式循環水的冷卻水使用城市再生水（即從凝汽器冷卻水的入口管道取水）。這套系統的主要設備有開式循環水泵、閉式循環水泵、板式換熱器及配套系統等。通過與城市再生水換熱向汽機房（主機冷油器除外）、鍋爐房、空壓機、化學汽水取樣裝置設備冷卻器提供冷卻水源。

　　由于主機冷油器所需的冷卻水量較大，為了盡量減少閉式循環冷卻水系統的容量，采用對主機冷油器進行冷卻管和管板改造為316材質，改造后主機冷油器的冷卻水直接使用循環冷卻水。

　　采用閉式循環冷卻水后水溫相對增高，閉式循環冷卻水流量要進一步增加，為了保證有足夠的閉式冷卻水循環流動，需相應增加100%容量的閉式循環水泵2臺(1臺運行、1臺備用)和75%容量的換熱器2臺，由于板式換熱器具有換熱效率高、占地面積小的特點，所以閉式循環水系統換熱器采用板式換熱器，保證閉式循環水溫相對開式循環水溫升高的溫度盡量低，換熱器溫差設計5℃。由于夏季開式循環水溫偏高，會使閉式循環水溫升高，以及再生水容易在板式換熱器集聚絮狀污泥，因此增設100%容量的開式循環水泵2臺（一臺運行，一臺備用），提高開式水的流速。

3.2 更換管束為316L不銹鋼材質的輔機冷卻器方案

　　對機側、爐側、空壓機、化學取樣等輔機設備冷卻器和部分管道進行改造，汽機側的輔機設備冷卻器，使用冷卻水為水塔的循環水，在夏季循環水溫度太高時要進行摻入溫度較低的地下生水，緩解設備溫度的升高。利用城市再生水作為循環冷卻水補充水后，需要對全部主機、輔機冷卻器的冷卻管由銅管改造為316L不銹鋼管，管板改造為304不銹鋼材質。

　　而鍋爐房輔機設備冷卻器、除灰空壓機、儀用空壓機、化學汽水取樣等的冷卻器本身使用的溫度較低的地下生水，使用城市中水作為冷卻水后，因水質變差、氯根增高、水溫與地下生水相比升高約20℃左右，因此需要對所有冷卻器的冷卻管由銅管改造為316L不銹鋼管，管板改造為304不銹鋼材質，吸風機和空壓機的冷卻器由于冷卻水溫升高還需增容改造。

3.3 兩種改造方案措施論證比較

（1）增設閉式循環冷卻水系統方案：

　　優點：由于采用了閉式循環冷卻水系統，冷卻水為凝結水或除鹽水，不容易在冷卻器的換熱管結垢和集聚絮狀污泥，保證了冷卻器的換熱效率高，冷卻管的清洗頻率大幅度的降低。

　　缺點：由于增加了閉式循環冷卻水系統，汽機側冷卻水系統較復雜，增加了電氣設備和熱工控制設備。

（2）改造所有輔機冷卻器方案：

　　優點：不需要新增加冷卻水系統，只對原冷卻器的冷卻管束和管板進行改造，系統簡單。

　　缺點：所有汽機側輔機、鍋爐側輔機、空壓機等的冷卻器均需要更換。由于冷卻水變為城市再生水，容易在冷卻器的換熱管內集聚絮狀污泥，每年都必須在夏季高峰用電前對所有的冷卻器進行一次水沖洗，特別是發電機氫氣冷卻器需要每年在夏季高峰用電前申請停機進行氫氣冷卻器換熱管沖洗。

（3）兩種方案的比較論證：

　　兩種方案對于再生水消納影響不大，且投資相近。通過上面分析，增設閉式循環冷卻水系統方案的冷卻水為凝結水或除鹽水，基本在冷卻管無淤泥附著，冷卻管為傳熱高的銅管，傳熱效率高，設備使用壽命長；改造所有輔機冷卻器方案需每年清洗所有的冷卻器，日常維護工作量大，并且每年夏季前需申請停機一次清洗發動機氫氣冷卻器。
綜合比較推薦增設閉式循環冷卻水系統方案為建議改造方案。

4 使用城市再生水后火電廠的具體改造方案

　　以張家口發電廠為例，將循環冷卻水的補水替換為城市再生水后，選用增設閉式循環冷卻水系統的改造方案，需對火電廠各系統進行以下改造。

4.1 汽機側改造

　　每臺機組改造增設一套閉式循環冷卻水系統，主要設備有開式循環水泵、閉式循環水泵、板式換熱器及配套系統等。通過該系統向汽機房（主機冷油器除外）、鍋爐房、空壓機、化學汽水取樣裝置設備的冷卻器提供冷卻水源。拆除工業水泵和氫冷升壓泵，保留射水泵及射水抽氣器。同時增加再生水向射水池補水系統，裝設小流量低揚程射水池水循環水泵，泵出口水接入到開式循環泵入口母管處，保證了射水池內的水能夠循環，防止了射水池水溫升高降低射水抽氣器的效率。

　　凝汽器的換熱部件管材由銅管更換為TP317L不銹鋼管；將膠球清洗系統設備進行整體更換。

　　主機冷油器繼續采用開式水冷卻，并按照再生水水質的要求，對冷油器的換熱管由銅管改造為管材為TP317L不銹鋼，管板改造復合材質，并且增加冷油器的冷卻面積。

　　其他汽機側設備采用閉式循環水系統冷卻，水質好，不需更換換熱管材。

4.2 鍋爐側和空壓機的改造

　　由于開式循環水夏季水溫最高可達33℃，按板換5℃的端差計算，閉式冷卻水水溫將達到38℃，需要將儀用空壓機、除灰空壓機以及吸風機潤滑油站冷卻器進行增容改造。對原冷卻水管道直徑進行重新核算，必要時對冷卻水管道進行改造更換。

4.3 化學設備的改造

　　機組爐內汽水取樣設備冷卻器的冷卻水由地下生水改為閉式循環冷卻水，由于冷卻水水溫的提高超出了設計時的溫度，影響到取樣水冷卻效果和儀表監測數據，需改造再增加一級冷卻器，以及部分高溫樣水在預冷器后增設10P壓縮機恒溫裝置，提高冷卻效果，滿足機組采用準確要求。

　　由于新增設閉式循環冷卻水系統，水汽取樣系統相應增加閉式循環冷卻水取樣裝置，樣水接至原有機組爐內水汽取樣間，并配置pH表、電導表及人工取樣。需增設閉式循環冷卻水加藥設施，設置1套加藥裝置，按1箱3泵配置。加藥泵設置變頻，控制信號進入輔控DCS。考慮到原有輔機設備部件含銅，閉式循環冷卻水加藥不能采用加氨方式調節，藥品推薦選用聯氨、磷酸鹽或其他緩蝕劑。

4.4 儀表和控制部分改造

　　增設閉式循環冷卻水系統后，汽機房內閉式循環冷卻水系統以及其他配套的冷卻系統的控制要進行熱控設計，還包括新增的動力電纜、控制電纜及相關的敷設電纜附件。汽機房內機組閉式循環冷卻水系統的改造控制部分要在機組DCS系統中實現，但不占用之前的備用點，新配置插件完成增加控制及監測點。

4.5 電氣部分改造

　　每臺機組新增2臺閉式循環水泵和2臺開式循環水泵，根據泵配置的電機功率大小確定采用的電源電壓，電機功率大于等于200kW時采用6kV的電源，電機功率小于200kW時采用380V的電源。其中6kV電源取自機組主廠房6kV工作段，380V電源取自機組主廠房380V工作段。

4.6冷卻水塔的改造

　　對冷卻水塔進行防腐處理，冷卻塔防腐范圍包括塔筒內壁、外壁，淋水槽，水池，人字柱等，混凝土表面保護涂料體系的主要技術要求有：附著力、耐化學腐蝕、耐沖刷、抗滲透性、耐老化、耐候性、耐久性、保光保色、施工方便等等。在改造前對與再生水接觸的原混凝土結構進行進一步的檢查和性能檢測，以判定對原混凝土結構適宜的防腐工藝。


參考文獻：

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作者簡介：
王亞南（1994—），男，本科，助理工程師，從事火電廠汽機專業設備檢修工作。
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