摘要：受國(guó)家環(huán)保政策的影響，對(duì)于開(kāi)采地下水作為生產(chǎn)用水的火電廠，引進(jìn)城市再生水作為機(jī)組循環(huán)冷卻水的改造已是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。但火電廠的循環(huán)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(zhì)冷卻管束的凝汽器和輔機(jī)設(shè)備的冷卻器，以及運(yùn)行多年的冷卻水塔等設(shè)備會(huì)受到很大影響。為了保證以上主要設(shè)備的安全運(yùn)行，本文將以張家口發(fā)電廠為例，從城市再生水的水質(zhì)特點(diǎn)入手，分析其對(duì)相關(guān)設(shè)備的所產(chǎn)生的具體影響，通過(guò)比較論證，確定冷卻水塔防腐處理、凝汽器和主機(jī)潤(rùn)滑冷油器不銹鋼冷卻管改造與增設(shè)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相結(jié)合的改造方案，并提出了具體改造措施。

關(guān)鍵詞：火電廠  城市再生水  產(chǎn)生影響  采取措施


1 前言

　　我國(guó)是一個(gè)水資源短缺的國(guó)家，而可以利用的淡水資源更是很有限。地下水的過(guò)渡開(kāi)采，水資源的污染，水資源利用不充分等問(wèn)題已經(jīng)成為阻礙我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的絆腳石。而火電廠一直是工業(yè)用水里的用水大戶，火電廠對(duì)地下水的開(kāi)采以及地表水的使用很大程度的影響著我國(guó)水資源的配置。近年來(lái)國(guó)家多次發(fā)布文件要求新建、擴(kuò)建電廠禁止取用地下水，嚴(yán)格限制取用地表水，鼓勵(lì)利用城市污水處理廠的中水或其他廢水。為了適應(yīng)國(guó)家環(huán)保政策的調(diào)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　在火電廠耗水中，循環(huán)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(jī)組的循環(huán)冷卻水。不過(guò)雖說(shuō)城市再生水經(jīng)過(guò)各種水處理工藝 ，水質(zhì)有了一定程度的改善，但是因其本身來(lái)自廢水污水，其水質(zhì)與地下水相差很大，因此循環(huán)冷卻水水源改變后對(duì)火電廠的相關(guān)設(shè)備還是會(huì)造成很大影響。下面將以張家口發(fā)電廠為例，探討火電廠引進(jìn)城市再生水后，會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的影響及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

2 城市再生水水質(zhì)情況及對(duì)火電廠生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)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(gè)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(jí)A排水。
（b）一級(jí)A排水 → 緩沖調(diào)節(jié)水池 → 硝化曝氣生物濾池 → 機(jī)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(zhì)特點(diǎn)

　　為了更準(zhǔn)確的分析火電廠引進(jìn)城市再生水后的影響，下面以張家口地區(qū)為例，調(diào)取了其城市再生水與地下水的重要水指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明，見(jiàn)下表：


　　從上表可以看出城市再生水的水質(zhì)氯根離子、硫酸根離子、生化需氧量等指標(biāo)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(qiáng)。而由于火電廠循環(huán)冷卻水是閉式循環(huán)，一般控制循環(huán)倍率為3—5倍，如果使用城市再生水作為循環(huán)冷卻水，其氯根離子、硫酸根離子、生化需氧量等指標(biāo)的升高將嚴(yán)重影響到火電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備及冷卻器的壽命。

2.3 城市再生水對(duì)火電廠生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的具體影響

　　城市再生水的腐蝕性增強(qiáng)對(duì)火電廠設(shè)備的影響主要集中在使用銅材質(zhì)冷卻管束的凝汽器和輔機(jī)設(shè)備的冷卻器，以及運(yùn)行多年的冷卻水塔等。

（1）對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)的凝汽器，建廠設(shè)計(jì)時(shí)一般都使用銅材質(zhì)的冷卻管束，銅管厚度一般為0.8mm，銅管與管板脹接后會(huì)使脹口處的管板減薄并且增加了內(nèi)應(yīng)力，循環(huán)水會(huì)優(yōu)先腐蝕銅管的脹接口處，導(dǎo)致凝汽器內(nèi)漏，影響凝結(jié)水質(zhì)。而使用城市再生水后，由于Cl－的大大升高，使得這一腐蝕過(guò)程大大加快，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。
（2）火電廠的輔機(jī)設(shè)備通過(guò)設(shè)置的冷卻器進(jìn)行冷卻降溫，對(duì)于設(shè)計(jì)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(zhì)，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(guò)高，同樣會(huì)對(duì)冷卻器的銅管產(chǎn)生腐蝕，特別是脹口處容易產(chǎn)生腐蝕內(nèi)漏。
（3）而對(duì)于一些老廠的冷卻塔等水工建構(gòu)筑物，由于從建廠至今運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)期處于C類環(huán)境運(yùn)行，原混凝土結(jié)構(gòu)的性能及外觀現(xiàn)狀是否滿足要求已不明確。同時(shí)由于再生水中有較高的Cl－，使得其在水、氧的環(huán)境下與鋼筋和金屬起化學(xué)反應(yīng)，形成許多帶有陰極和陽(yáng)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(duì)于鋼筋混凝土的鋼筋和金屬構(gòu)件的腐蝕，比起地下水要嚴(yán)重的多。對(duì)金屬構(gòu)件來(lái)說(shuō)，腐蝕減少了結(jié)構(gòu)斷面。降低了鋼材的強(qiáng)度。混凝土中的應(yīng)力，導(dǎo)致鋼筋的保護(hù)層沿著已被銹蝕的鋼筋產(chǎn)生裂紋，從而形成滲入結(jié)構(gòu)體內(nèi)的通道，進(jìn)一步加速鋼筋的銹蝕，形成惡性循環(huán)，直至保護(hù)層脫落。而水中的SO42－通過(guò)裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部后，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鈣，體積膨脹，還會(huì)使混凝土脹裂破壞。Cl－進(jìn)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(jié)力。因此使用再生水作為循環(huán)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(huán)水補(bǔ)充水后，由于凝汽器的冷卻水水質(zhì)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(tǒng)設(shè)備需考慮整體更換或更換通流部分材料。而對(duì)于輔機(jī)冷卻器冷卻水系統(tǒng)除了更換管束管材外，增設(shè)一套輔機(jī)冷卻器用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案，下面將對(duì)這兩種方案進(jìn)行論證比較。

3.1 為輔機(jī)冷卻器冷卻水系統(tǒng)增設(shè)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)方案

　　作為機(jī)組循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水后，在汽機(jī)房?jī)?nèi)改造建設(shè)一套閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，已達(dá)到使冷卻器與城市再生水分離的目的。閉式循環(huán)水的補(bǔ)水采用凝結(jié)水或除鹽水，閉式循環(huán)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(tǒng)的主要設(shè)備有開(kāi)式循環(huán)水泵、閉式循環(huán)水泵、板式換熱器及配套系統(tǒng)等。通過(guò)與城市再生水換熱向汽機(jī)房（主機(jī)冷油器除外）、鍋爐房、空壓機(jī)、化學(xué)汽水取樣裝置設(shè)備冷卻器提供冷卻水源。

　　由于主機(jī)冷油器所需的冷卻水量較大，為了盡量減少閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的容量，采用對(duì)主機(jī)冷油器進(jìn)行冷卻管和管板改造為316材質(zhì)，改造后主機(jī)冷油器的冷卻水直接使用循環(huán)冷卻水。

　　采用閉式循環(huán)冷卻水后水溫相對(duì)增高，閉式循環(huán)冷卻水流量要進(jìn)一步增加，為了保證有足夠的閉式冷卻水循環(huán)流動(dòng)，需相應(yīng)增加100%容量的閉式循環(huán)水泵2臺(tái)(1臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用)和75%容量的換熱器2臺(tái)，由于板式換熱器具有換熱效率高、占地面積小的特點(diǎn)，所以閉式循環(huán)水系統(tǒng)換熱器采用板式換熱器，保證閉式循環(huán)水溫相對(duì)開(kāi)式循環(huán)水溫升高的溫度盡量低，換熱器溫差設(shè)計(jì)5℃。由于夏季開(kāi)式循環(huán)水溫偏高，會(huì)使閉式循環(huán)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(shè)100%容量的開(kāi)式循環(huán)水泵2臺(tái)（一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用），提高開(kāi)式水的流速。

3.2 更換管束為316L不銹鋼材質(zhì)的輔機(jī)冷卻器方案

　　對(duì)機(jī)側(cè)、爐側(cè)、空壓機(jī)、化學(xué)取樣等輔機(jī)設(shè)備冷卻器和部分管道進(jìn)行改造，汽機(jī)側(cè)的輔機(jī)設(shè)備冷卻器，使用冷卻水為水塔的循環(huán)水，在夏季循環(huán)水溫度太高時(shí)要進(jìn)行摻入溫度較低的地下生水，緩解設(shè)備溫度的升高。利用城市再生水作為循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水后，需要對(duì)全部主機(jī)、輔機(jī)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(zhì)。

　　而鍋爐房輔機(jī)設(shè)備冷卻器、除灰空壓機(jī)、儀用空壓機(jī)、化學(xué)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(zhì)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(duì)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(zhì)，吸風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)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(shè)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)方案：

　　優(yōu)點(diǎn)：由于采用了閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻水為凝結(jié)水或除鹽水，不容易在冷卻器的換熱管結(jié)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(diǎn)：由于增加了閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，汽機(jī)側(cè)冷卻水系統(tǒng)較復(fù)雜，增加了電氣設(shè)備和熱工控制設(shè)備。

（2）改造所有輔機(jī)冷卻器方案：

　　優(yōu)點(diǎn)：不需要新增加冷卻水系統(tǒng)，只對(duì)原冷卻器的冷卻管束和管板進(jìn)行改造，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

　　缺點(diǎn)：所有汽機(jī)側(cè)輔機(jī)、鍋爐側(cè)輔機(jī)、空壓機(jī)等的冷卻器均需要更換。由于冷卻水變?yōu)槌鞘性偕?，容易在冷卻器的換熱管內(nèi)集聚絮狀污泥，每年都必須在夏季高峰用電前對(duì)所有的冷卻器進(jìn)行一次水沖洗，特別是發(fā)電機(jī)氫氣冷卻器需要每年在夏季高峰用電前申請(qǐng)停機(jī)進(jìn)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(duì)于再生水消納影響不大，且投資相近。通過(guò)上面分析，增設(shè)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)方案的冷卻水為凝結(jié)水或除鹽水，基本在冷卻管無(wú)淤泥附著，冷卻管為傳熱高的銅管，傳熱效率高，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)；改造所有輔機(jī)冷卻器方案需每年清洗所有的冷卻器，日常維護(hù)工作量大，并且每年夏季前需申請(qǐng)停機(jī)一次清洗發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣冷卻器。
綜合比較推薦增設(shè)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(fā)電廠為例，將循環(huán)冷卻水的補(bǔ)水替換為城市再生水后，選用增設(shè)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的改造方案，需對(duì)火電廠各系統(tǒng)進(jìn)行以下改造。

4.1 汽機(jī)側(cè)改造

　　每臺(tái)機(jī)組改造增設(shè)一套閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，主要設(shè)備有開(kāi)式循環(huán)水泵、閉式循環(huán)水泵、板式換熱器及配套系統(tǒng)等。通過(guò)該系統(tǒng)向汽機(jī)房（主機(jī)冷油器除外）、鍋爐房、空壓機(jī)、化學(xué)汽水取樣裝置設(shè)備的冷卻器提供冷卻水源。拆除工業(yè)水泵和氫冷升壓泵，保留射水泵及射水抽氣器。同時(shí)增加再生水向射水池補(bǔ)水系統(tǒng)，裝設(shè)小流量低揚(yáng)程射水池水循環(huán)水泵，泵出口水接入到開(kāi)式循環(huán)泵入口母管處，保證了射水池內(nèi)的水能夠循環(huán)，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(tǒng)設(shè)備進(jìn)行整體更換。

　　主機(jī)冷油器繼續(xù)采用開(kāi)式水冷卻，并按照再生水水質(zhì)的要求，對(duì)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(fù)合材質(zhì)，并且增加冷油器的冷卻面積。

　　其他汽機(jī)側(cè)設(shè)備采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)冷卻，水質(zhì)好，不需更換換熱管材。

4.2 鍋爐側(cè)和空壓機(jī)的改造

　　由于開(kāi)式循環(huán)水夏季水溫最高可達(dá)33℃，按板換5℃的端差計(jì)算，閉式冷卻水水溫將達(dá)到38℃，需要將儀用空壓機(jī)、除灰空壓機(jī)以及吸風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑油站冷卻器進(jìn)行增容改造。對(duì)原冷卻水管道直徑進(jìn)行重新核算，必要時(shí)對(duì)冷卻水管道進(jìn)行改造更換。

4.3 化學(xué)設(shè)備的改造

　　機(jī)組爐內(nèi)汽水取樣設(shè)備冷卻器的冷卻水由地下生水改為閉式循環(huán)冷卻水，由于冷卻水水溫的提高超出了設(shè)計(jì)時(shí)的溫度，影響到取樣水冷卻效果和儀表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，需改造再增加一級(jí)冷卻器，以及部分高溫樣水在預(yù)冷器后增設(shè)10P壓縮機(jī)恒溫裝置，提高冷卻效果，滿足機(jī)組采用準(zhǔn)確要求。

　　由于新增設(shè)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，水汽取樣系統(tǒng)相應(yīng)增加閉式循環(huán)冷卻水取樣裝置，樣水接至原有機(jī)組爐內(nèi)水汽取樣間，并配置pH表、電導(dǎo)表及人工取樣。需增設(shè)閉式循環(huán)冷卻水加藥設(shè)施，設(shè)置1套加藥裝置，按1箱3泵配置。加藥泵設(shè)置變頻，控制信號(hào)進(jìn)入輔控DCS?？紤]到原有輔機(jī)設(shè)備部件含銅，閉式循環(huán)冷卻水加藥不能采用加氨方式調(diào)節(jié)，藥品推薦選用聯(lián)氨、磷酸鹽或其他緩蝕劑。

4.4 儀表和控制部分改造

　　增設(shè)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)后，汽機(jī)房?jī)?nèi)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以及其他配套的冷卻系統(tǒng)的控制要進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)，還包括新增的動(dòng)力電纜、控制電纜及相關(guān)的敷設(shè)電纜附件。汽機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)組閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的改造控制部分要在機(jī)組DCS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，但不占用之前的備用點(diǎn)，新配置插件完成增加控制及監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4.5 電氣部分改造

　　每臺(tái)機(jī)組新增2臺(tái)閉式循環(huán)水泵和2臺(tái)開(kāi)式循環(huán)水泵，根據(jù)泵配置的電機(jī)功率大小確定采用的電源電壓，電機(jī)功率大于等于200kW時(shí)采用6kV的電源，電機(jī)功率小于200kW時(shí)采用380V的電源。其中6kV電源取自機(jī)組主廠房6kV工作段，380V電源取自機(jī)組主廠房380V工作段。

4.6冷卻水塔的改造

　　對(duì)冷卻水塔進(jìn)行防腐處理，冷卻塔防腐范圍包括塔筒內(nèi)壁、外壁，淋水槽，水池，人字柱等，混凝土表面保護(hù)涂料體系的主要技術(shù)要求有：附著力、耐化學(xué)腐蝕、耐沖刷、抗?jié)B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(duì)與再生水接觸的原混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的檢查和性能檢測(cè)，以判定對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)適宜的防腐工藝。


參考文獻(xiàn)：

[1] 郭延秋.大型火電機(jī)組檢修實(shí)用技術(shù)叢書(shū) 汽輪機(jī)分冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2003.
[2] 王殿武.汽輪機(jī)設(shè)備檢修[M].北京:中國(guó)電力出版社，2005.
[3] 《火力火電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》DL/T 438-2016.
[4] 《火力火電廠鍋爐機(jī)組檢修導(dǎo)則第3部分：閥門與汽水系統(tǒng)檢修》DL/T 748.3-2001.
[5] 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG 21-2016.

作者簡(jiǎn)介：
王亞南（1994—），男，本科，助理工程師，從事火電廠汽機(jī)專業(yè)設(shè)備檢修工作。
電話： 15612322146
電子郵箱：710088726@qq.com
郵寄地址：河北省張家口市宣化區(qū)天泰寺街道解放路30號(hào)院明宇小區(qū)。
郵政編碼：075100