循环水的电子—化学协合处理

王栋坤，施中良

（1.山东电力研究院，山东 济南 250002；2.山东电力集团公司，山东 济南 250001）

循环水的电子—化学协合处理

王栋坤，施中良

（1.山东电力研究院，山东 济南 250002；2.山东电力集团公司，山东 济南 250001）

简述循环水电子-化学协合处理的基本原理及应用现状，通过电厂的应用实例，分析节能减排降耗的成效，对取得的经济效益进行了比较。

循环水；协和处理；节能减排

0 引言

发电厂循环水处理的优劣会涉及系统和凝汽器的清洁程度。若结垢，生物污泥影响凝汽器真空度下降1%，就会造成机组发电煤耗上升1%，这在很大程度上影响着发电机组的运行经济性。

发电厂中循环水的用水量占了全厂用水的75%～80%，因此循环水系统的节水在发电厂节水中有着举足轻重的意义。传统的循环水化学处理中的阻垢剂及分散剂是含磷含氮的化学物质，杀生剂也是有毒的或剧毒的化学药剂及重金属，当它们随排污水排入环境或国家水道后将会污染环境引起公害。

为维持在循环水中一定浓度的药剂，化学处理要不断地补充药剂和不断地排出，用药量相对较大，经济性较差。由于阻垢剂的稳定值较低，循环水浓缩倍数不能提高，补充水量较大，杀生剂解决不了凝汽器传热面上生物污垢，依然影响着有效的传热过程。电子-化学协合处理正好弥补化学处理的不足，因此，它堪称是发电厂节能、减排、降耗的新选择。

1 电子-化学协合处理稳定水质及杀生的基本原理

电子处理是指采用高频电场来处理循环水，将循环水通过有高频电场的空间，高频电场对循环水的影响可从两方面来说，一是对水分子结构产生了影响，水分子本身就是极性分子，是个偶极子，在高频电场的作用下极性变大，偶极矩增大。二是，循环水中的成垢离子例如Ca2+和Ca32-，在高频电场的作用下其相互碰撞的机率比在常态下的热运动碰撞机率大大增加，因此能在短时间内产生数量多而颗粒小的CaCO3微晶粒。这些微晶颗粒上大约有4%～5%的活性表面，它能吸附水中的有机阴离子，甚至是极化后的水分子，从而使得CaCO3微晶粒成为带负电荷的小颗粒，这些微晶CaCO3小颗粒因带同种电荷而互相排斥，分散于水中，从而使它们不能再聚集成大的CaCO3晶粒。由于荷电阴离子吸附在活性面上，阻挡Ca2+和Ca32-离子向活性面上聚集使微晶不能长大。但是随着循环水浓缩倍数的增大，水中的Ca2+和 离子的浓度也增大，逐渐在微晶的非活性慢发育面上集聚生长，从而遮盖住阴离子导致CaCO3颗粒继续长大，所以单电子处理只有较小的极限碳硬值。

如果在循环水中加入少量阻垢剂，例如HEDP（羟基乙叉二膦酸）、PAA（聚丙烯酸）或ATMP（氨基三甲义膦酸），它们的分子或离子中都含有大量负电荷的官能团，一旦被CaCO3微晶颗粒的活性格点吸附后，使微晶颗粒负荷电量更大，颗粒间的排斥力更大、分散性更好、稳定性也更好、极限碳硬也更高。如果再适当用酸中和部分碱度，可使循环水稳定碳硬提得很高，从而适应循环水的高浓缩倍数下运行。

例如，在循环水模拟系统上用地下水所做单电子处理极限稳定值时的循环水水质为:φ（循环水浓缩倍数）=2.89倍，HCa（钙硬度）=11.6 mmol/L（毫克分子/升），MA（全碱度）=9.2 mmol/L（毫克分子/升），DD（导电率）=1 160 μS/cm（微西/厘米），pH=8.69，水温34.7℃。

当采用阻垢剂（MD蒙达288型）1 mg/L，加酸调MA（全碱度）=7.0 mmol/L协合处理时，其极限值时的水质则为:φ=7.88倍，HCa=32 mmol/L，MA=7.0 mmol/L，DD=2 800 μS/cm，水温35℃。

可以看到，通过电子—化学（加MD 288 1 mg/L，加酸调碱度=7.0 mmol/L）协合处理可将循环水浓缩倍数提得很高，从而满足节约补充水的要求。

其次电子处理不仅具有稳定碳硬的作用，同时还具有很强的杀菌灭藻作用。不仅能杀灭循环水中的浮游微生物，还能杀灭传热面上生物膜中的菌类，从而使凝汽器长期保持高清洁度。

由于菌藻细胞质中都含有蛋白质、水、无机盐份及一些维生素类物质，它们多数都是极性高分子化合物，在高频电场作用下会随电场极性变动而转动，由于分子量的不同而互相磨擦产生内热，使细胞生理过程无法正常进行而死亡。实际的应用证明杀菌效果很好，可以不再用化学杀生剂。由于电子处理连续不断的作着杀生处理（每小时可作2～4次处理）所以效果一般很好，凝汽器传热面上无粘性感觉，可使凝汽器长期保持高清洁度。

2 电子—化学协合处理应用现状

已投运10台机组的电子—化学协合循环水处理，机组容量从125 MW到660 MW。从水质来看，有水库水、城市排水和井水混合水、地下水和黄河水。根据水质不同，对水质较好的水库水仅单纯电子处理，不添加任何化学药剂也取得了很好的效果。水质较差的地下水和黄河水则采用了电子-化学协合处理，阻垢剂剂量一般只保留原化学处理剂量的1/2～1/3，并以加酸调整碱度至6～7 mmol/L或5～6 mmol/L，使循环水浓缩倍数提高到4～5或5～6倍，不再进行化学杀生处理。这样能使凝汽器管上无硬垢，也无生物粘泥，可使凝汽器清洁度（β）从化学处理时的0.72～0.8提高到0.9～0.95，并长期保持于高清洁度运行。

电子处理器杀生效果可使循环水中异养菌总数达到国标GB50050-95（≤5×105个/ml）。

对于采用一般地表水和地下水作补充水水源的机组，若循环水浓缩倍数在4～5或5～6时，Cl-浓度在0～200 mg/L，凝汽器铜管HSn70-1A腐速一般在0.0017～0.0048 mm/a。国产304不锈钢的腐速也均能达国标<0.005 mm/a的要求，不需作任何其他处理。但对于使用黄河水作补充水的循环水，当Cl-在500～1 000 mg/L的高腐蚀性水时应适当作缓蚀剂保护处理。

3 节能减排降耗成效及与化学处理的技术经济比较

3.1 山东莱芜电厂应用

山东莱芜电厂1号机组容量为125 MW，循环水系统为敞开式，凝汽器为双行表面式，型号为N-7000-1型。循环水流量额定值为16 000 t/h。循环水处理一直沿用化学处理，补充水为水库水，阻垢剂采用HEDP（羟基乙叉二膦酸）和ATMP（氨基三甲叉膦酸）的对半混合液年使用量42 t（1.2万元/ t），杀生剂（季胺盐）年使用量为4 t（1.5万元/t）。阻垢剂费每年为50.4万元，杀生剂费用每年约6万元，两项费用共为56.4万元。

电子处理器的功率为8 kW，设1年工作时数为5 500 h，年耗电量44 000 kW·h。若厂用电电费为0.35元/kW·h，则1年电费为15 400元。

化学处理时，循环水浓缩倍数只能维持1.7～1.9（平均1.84倍）其循环水系统补充水量

式中：E为冷却塔蒸发损失率 （取1.4%）；φ为循环水浓缩倍数；R为循环水流量（取12 000 t/h）；计算得m化＝368 t/h。

单电子处理时，循环水浓缩倍数可提到2.5～3.0倍（平均2.69倍），按（1）式计算其补充水量为m电＝267.4 t/h，节约补充水量368-267.4＝100.6 t/h。因此1年可节约补充水100.6t/h×5500h/年＝553300 t/年，补充水0.9元/t，则1年可节约补充水费49.80万元。

系统排污水量β

式中：β为循环水系统排污水量，t/h；W为冷却塔风吹损失率（取0.1%）；φ为循环水浓缩倍数；R为循环水流量，t/h（取12 000 t/h）。

化学处理时循环水的平均φ值为1.84倍，按（2）式计算β化＝188 t/h；电子处理时φ值平均为2.69倍计算β电＝99.2 t/h。采用电子处理可减少排污水量（188-99.2）＝88.8 t/h，而1年（设工作时数为5 500 h）可减少排污水48.84万t，每年减少排污费36.63万元。

从节约能源角度来看，由于采用电子处理后，凝汽器清洁度从0.72上升为0.82，机组的发电汽耗率由3.182 kg/kW·h下降为3.127 kg/kW·h，机组的平均负荷为112.35 MW，若机组1年的有效工作时数为5 500 h，则1年可节约发电蒸汽量 G＝（3.182-3.127）×112 350 kW×5 500 h/a＝33 985 875 kg/a（即33 985.875 t发电蒸汽）。125 MW机组发1 kW·h电需3.2 kg蒸汽，因此，相当于1年可多发电10 620 585 kW·h，发电煤耗率为360 g/kW·h，每年可节约燃煤3 823.41 t。若每吨煤价为650元，则相当于每年节约了248.52万元。

莱芜电厂1号机组循环水采用电子处理后共计节约 （50.4+6+49.8+36.63+248.52）-1.54＝389.81万元，节能效益占了总效益的64%，由于1年可节约煤炭3 823.41 t。即每小时节煤0.695 165 t，按额定负荷125 000 kW计算，每度电降低煤耗695 165 g/125 000 kW·h＝5.56 g/kW·h。

3.2 内蒙达拉特电厂应用

内蒙达拉特电厂5号机组容量为330 MW，2003年投产。循环水系统为敞开式，凝汽器为双侧单流程，补充水主要为黄河水。采用达拉特电厂自己生产的MD III K型阻垢剂，其剂量为150 kg/d，一年耗阻垢剂约45 t。每吨为1.2万元，合人民币54万元。采用外购杀生剂每月处理2次，每次耗杀生剂2 t，一年耗杀生剂约24 t，按1.5万元/t，合人民币36万元。厂方认为化学处理可以维持凝汽传热面不结硬垢，端差（根据2006年6-8月平均值）4.26℃，真空89.64%，但铜管表面仍有一定的生物粘泥。2007年3月为防止铜管腐蚀进行了凝汽器的酸洗和硫酸亚铁的成膜保护。同年6月4日正式投入电子－化学协合处理，MD III K （阻垢剂型号，蒙达三K型阻垢剂）采用原剂量的1/3（50 kg/d），加酸调节碱度维持为6～7 mmol/L。MD III K（阻垢剂型号，蒙达三K型阻垢剂）阻垢剂年用量15 t，合人民币18万元。

加酸量每年400 t，浓度为98%的硫酸，硫酸1 000元/t，则年耗酸费为40万元。这时杀生剂可不再使用，但由于浓缩倍数提升到4～5倍，循环水Cl-达到750～850 mg/L，需加少量BTA缓蚀剂，每天剂量为3.3 kg，大约每年需1 t BTA （苯并三氮唑, BTA为5万元/t）。其次电子处理的功率为30 kW，每年需耗电30 kW·h×5 500 h/a＝165 000 kW·h，厂用电价为0.35元/kW·h，则电费为每年5.8万元。因此采用电子－化学协合处理后其总的处理费用为：

18万元（阻垢剂15 t）+40万元（酸400 t）+5万元（BTA 1 t）+5.8万元=68.8万元；

而化学处理时共需MD III K阻垢剂45 t（合人民币54万元），杀生剂24 t（合人民币36万元），共90万元。

因此5号机采用电子－化学协合处理后的处理费用可节约：90-68.8＝21.2（万元）。

化学处理时循环水浓缩倍数维持2.5～3.5倍（平均φ＝3倍），按（1）式计算其补充水量m化＝630 t/h；而采用电子－化学协合处理时循环水φ值维持4～5倍（平均φ＝4.5），计算其补充水量为m电＝540 t/h。采用电子－化学协合处理时每小时可节约水量90 t，每年可节约（90×5 500 h/年）=54万t补充水。每吨补充水价仍为0.9元，则合人民币44.55万元。另外，化学处理时循环水系统排污量 β化按（2）式计算为180 t/h。电子－化学协合处理时β电计算为90 t/h。当采用电子协合处理时可减少向环境水道排放180-90＝90 t/h的污水，可少排放90 t/h×5 500 h/a＝495 000 t/a污水，这就大大减少了对环境的污染。并且可减少排污费 495 000 t/a×0.75元/t= 37.125万元/a。

2007年6月4日，5号机组电子－化学协合处理投入运行后，真空度逐渐好转，为避免气温影响，取6-8月的平均值91.49%作为电子处理后的凝汽器真空度。达拉特地方大气压β＝986.568 kPa，当凝汽器真空度为91.49%时，凝汽器真空H＝980.65× 91.49/100-980.65+986.568＝903.115 kPa。

若以2007年5月的凝汽器工况来代表化学处理时工况，考虑到5月离3月的酸洗只差1个月，这时的数据缺乏代表性，因此用2006年6-8月的平均值来代替化学处理的工况比较合适。此时真空度为89.64%，凝汽器真空H＝980.65×89.64/100-980.65+986.57＝884.97 kPa，由此可见电子－化学协合处理后凝汽器真空升高了903.115-884.97＝18.14 kPa。根据（3）式将可多发：

式中：ΔN为汽轮机多发电功率，kW；ΔP为投入电子－化学协合处理改善凝汽器清洁度后所升高真空，kPa；Ne为汽轮机额定功率（取330 000 kW）；K为汽轮机因真空提高而多发电值ΔN占额定功率Ne的百分值，一般取K＝0.9。

每年工作小时数C＝5 500 h，1年可多发电

可节省的标准煤量

式中：q为汽轮机的热耗率，kcal/kW·h（330 MW机组取q＝1 930 kcal/kW·h）；ΔW为1年多发电量，kW·h；每千克标煤的发热量为7 000 kcal/kg标煤；ηL为锅炉热效率；ηg为管道热效率 （一般情况下 ηL×ηg＝0.9）。

若1 t标煤以650元计，即一年可节约人民币601.91万元，因此达电5号机组在采用电子－化学协合处理后总的收益可达704.29万元。节能效益相当于占了总效益的85.46%，根据1年的节煤量，可计算得5号机组每小时节煤1 683.66 kg，可降低煤耗率5.10 g/kW·h。

3.3邯峰电厂应用

河北邯峰电厂1号机组容量为660 MW，系德国进口设备，循环水系统为敞开式，其凝汽器为单行程双进双出，分甲凝和乙凝两台凝汽器。循环水额定水量为60 000 t/h。凝汽器换热管为德国产304不锈钢。

系统补充水为地下水，原水经弱酸离子交换后，再补充循环水系统。后又改为60%地下水经弱酸离子交换后再与40%地下水之混合水作系统补充水。循环水则采用加稳定剂的化学处理，剂量为150 kg/d。2008年7月和8月上半月（1～15日）即是采用上述方式的化学处理。

2008年8月16日电子处理器投入运行，因此2008年8月下半月（16～31日）及2008年9月、10月其补充水也是由60%弱酸交换水+40%原地下水的混合水，循环水处理仍是150 kg/d的水稳剂处理，甲凝和乙凝的真空度均从94.72%和93.25上升为95.47%、94.34%。

2008年11月将补充水改成由30%的弱酸交换水加70%地下水之混合水，水稳剂剂量由150 kg/d改成105 kg/d。循环水碱度加酸调整为5～6 mmlo/L的电子-化学协合处理。这时甲凝和乙凝的真空又分别上升到98.9%和95.26%，同年12月，将补充水全部改成地下水，水稳剂量仍然为105 kg/d，循环水碱度仍调整为5～6 mmol/L。2009年3月，补充水以100%的地下水补充，循环水水稳剂剂量采用105 kg/d，加酸调碱度为5～6 mmol/L的电子-化学协合处理，甲凝和乙凝的真空度分别提高为99.68%和99.45%。

2009年4月，补充水仍为100%地下水，而水稳剂剂量改为75 kg/d，碱度仍控制于5～6 mmol/L，浓缩倍数维持4～5倍，甲凝和乙凝的真空度仍保持于99.65%和99.40%，这就表明补充水全部由地下水直补系统，循环水水稳剂降为75 kg/d，碱度加酸调整于5～6 mmol/L，电子-化学协合处理方式可维持凝汽器于高清洁度下长期运行，技术经济指标以2007年7月的化学处理和2009年4月的电子-化学协合处理相对比，两种不同方式，其阻垢剂指标完全不同。化学处理时需添加阻垢剂45 t/a，而电子-化学协合处理时只需22.5 t/a，很显然每年可节约阻垢剂22.5 t，每吨阻垢剂为1.2万元，则每年可节约27万元。化学处理时杀生剂需10 t/a，而电子-化学协合处理则不需要。每吨杀生剂若为1.5万元，则节约杀生剂15万元。

化学处理时需投入弱酸离子交换系统，再生弱酸离子交换树脂需用盐酸，估计1台机组每年需2 000t，若每吨浓度30%盐酸为750元，则2000 t约人民币150万元。电子-化学协合处理不需用盐酸，但需用硫酸中和调节循环水碱度每年大约需720 t，浓度98%硫酸为1 000元/t，则每年硫酸费用约为72万元，采用电子-化学协合处理时可以节约（150-72=78）78万元。其次电子-化学协合处理中φ值从化学处理时3.7倍提高到4.44倍按照（1）式可计算m化=959.3 t/h，而电子处理时m电=903 t/h，每小时可节约补水（959.3-903）=56.3 t/h，每年可节水56.3×5 500 h/a=309 650 t，若每吨补充水按0.9元计，则可每年节水费约27.87万元。同时，可按（2）式计算β化=209.25t/h，β电=153.5t/h，当采用电子-化学协合处理时可节约209.25-153.5=55.75t/h，每年可少排55.75×5 500=306 625 t污水。按规定每吨排污水按缴费0.75元，则可少缴排污费23.00万元，合计节药、节水、减少排污170.87万元。

另外，由于采用电子-化学协合处理后凝汽器清洁度提高，使甲凝和乙凝的真空度达到99.65%和99.40%，平均为99.52%，考虑11月后气温降低的影响，采用8月下半月至9月的平均真空度94.96%代表电子-化学处理时的真空度比较合适。化学处理时真空度，甲、乙凝分别取94.62%和92.84%，平均为93.73%，邯峰当地大气压981.24 kPa，则 5号机组真空 H=980.65×93.73/100-980.65+981.24=919.163 kPa。当采用电子-化学协合处理时，凝汽器真空 H=980.65×94.96/100-980.65+981.24=931.815 kpa，真空提升了12.06 kPa。按照（3）式计算可增加的机组发电量ΔN=7 306.91 kW，可增发电量 ΔW=ΔN×5 500 h/a=40 188 020 kW·h/a，相当于节约标准煤量可按（4）式计算t=标准煤（即11 769.35 t标煤，式中1 845 kcal/kW·h是超临界660 MW汽轮机热耗率）。若每吨煤为650元，则相当于节约了人民币765万元。总共节约3 935.8万元。其中节能费用占了82%。根据每年节煤计算得每小时节煤量为2 139.882 kg，机组额定发电量660 000 kW，则机组降低煤耗率为3.24 g/kW·h。

4 结论

1）根据西安热工研究院提供的《邯峰发电厂1号机组加装电子处理装置技术咨询结果报告》（报告编号：TPR1/TL-RA-XXX-2009），结论如下：“1号机组循环冷却水电子-化学协合处理动态模拟试验及工业运行调试结果，水稳剂有效含量0.85 mg/ L（相当原工艺的1/3剂量）和1.28 mg/L（相当原工艺的1/2剂量）时，工业应用循环水浓缩倍率分别为5.60和8.22倍，可以维持循环水水质稳定，无结垢运行。 ”

1号机组电子-化学协合处理调试结果表明：

技术方面：“2009年3-5月调试期间，1号机组循环水浓缩倍率由原弱酸交换－水稳剂处理工艺的3.70倍上升到最高4.82倍，水质稳定参数ρA和PS1的平均合格率分别为100%和94%；腐蚀性试验结果表明，TP304不锈钢的均匀腐蚀速率<0.005 mm/a；1号机（未加杀生剂）的微生物的控制状况良好，表明电子处理设备具有较好的杀生效果；调试期间的各项技术指标均满足合同规定要求。”

经济方面：“邯峰电厂提供的经济指标统计分析结果表明，与上年同期比，1号机组年节约总费用约316.64万元；1号、2号机同期比，年节约总费用481.24万元（按年36亿kW·h发电量计算），经济效益较为明显。”以上两项节约费用均比笔者自行统计计算结果高出许多，而且没有计入节煤费用。

2）西安热工研究院报告结论还指出：“邯峰电厂生水作补充水时，在水稳剂量0.85 mg/L条件下，电子-化学协合处理工艺的工业应用值为5.60倍；在水稳剂量1.28 mg/L的条件下，单化学处理工艺的工业应用值为5.94倍，而电子-化学协合处理工艺的工业应用值为8.22倍。在相同的水稳剂量和相同试验条件下，电子-化学协合处理工艺比单化学处理工艺提高循环水浓缩部率22%～38%。由于1号机冷却塔循环水浓缩倍率提高，与上年同期比，1号机年度节约新鲜水66.87万t，年节约总费用316.6万元，经济效益较为明显。”

报告结论指出：“电子处理设备杀生效果较好”。

3）由于河北邯峰电厂1号机组采用电子－化学协合处理循环水使凝汽器的清洁度提高，甲凝和乙凝的真空度高达 94.62%和 92.84%，平均为93.73%，（2009年8月－9月）真空提升了12.06kPa，按年运行5 500 h计，相当年多发电量40 188 020 kW·h，则节约标煤11 769.35 t。每吨标煤按650元计（实际高于此值）年节省运行成本765万元。不仅经济效益十分可观，而且可减排CO23.08万t，减排SO2100 t，减排NxO 87 t，社会效益也十分可观。邯峰电厂委托西安热工研究院监测电子－化学协合处理循环水时，没有提出监测真空度和降低煤耗率的要求，因此，西安热工研究院的报告中没有相关的指标统计和计算。

4）内蒙达拉特电厂5号机组和山东莱芜电厂1号机组同样表明，循环水采用电子－化学协合处理，提高了极限稳定硬度。因而提高循环水的浓缩倍数，大大节约用水。且其杀生作用明显，不仅能杀死浮游菌类，也能杀死凝汽器表面生物膜中的菌类，使凝汽器传热面长期保持高清洁度。

附注：根据国家发改委发布的数据，节约1t标煤，相当减排CO22620kg/t，SO28.5kg/t，NxO7.4 kg/t。

The Electronic-chemical Coordinate Treatment of Circulating Water

This paper introduces the basic principle and the present application situation of the electronic-chemical treatment in brief.Based on the application examples in power stations,also analyses the produced effects of the saving energy,the redaction low down and the cutting down consumption,and compares the obtained economic benefit.

circulating water;coordinate treatment;saving energy and reduction blow down

book=55,ebook=55

TK223.5

B

1007－9904（2010）04－55－05