海水循环冷却系统阻垢剂投加方案研究及应用

丁　玉，张文帅，王印忠，王维珍，尹建华

（1.天津国投津能发电有限公司，天津300480；2.国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津300192）

海水循环冷却系统阻垢剂投加方案研究及应用

丁玉1，张文帅1，王印忠2，王维珍2，尹建华2

（1.天津国投津能发电有限公司，天津300480；2.国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津300192）

为保证10万t级海水循环冷却系统的安全运行，对SW203A阻垢剂的投加方案进行研究，并进行工程实际应用。结果表明：当浓缩倍数为2.0时，静态阻垢试验中投加14 mg/L的SW203A阻垢剂即可使悬浮物高达100 mg/L的海水不发生结垢；当悬浮物不超过40 mg/L时，SW203A的投加量可降至8 mg/L。动态模拟试验中，8 mg/L的SW203A即能保证循环水的ΔA始终低于0.2。为期1年的应用评价表明，8 mg/L的SW203A投加量能够保证系统在浓缩倍数为1.5～1.8范围内长期安全运行。

海水；循环冷却系统；阻垢

我国沿海水资源严重紧缺，燃煤电厂建在工业高速发展的海湾内及近海时若采用海水直接冷却方式，可大幅节约淡水资源。但直流排放海水会造成环境水域的富营养化，破坏生态环境，因此采用环保型海水循环冷却水处理技术是海水循环冷却火电厂减少环境污染的重要措施之一。天津国投津能发电有限公司（简称“北疆电厂”）是集火力发电、海水淡化、浓海水制盐、废弃物综合利用、土地节约整理“五位一体”的国家级循环经济示范项目。其一期工程2× 1 000 MW超超临界燃煤机组采用带冷却塔的海水循环冷却方式，冷却塔浓排水直接排至附近盐场制盐，其2×105m3/h的海水循环冷却系统目前为国内最大规模。因系统规模大、海水水质复杂，必须采取经济有效的方法，既能满足海水二次循环冷却水加药处理对排水水质及排水制盐安全性的要求，又能解决运行过程中出现的结垢、腐蚀和菌藻滋生问题。

为满足上述要求，北疆电厂一期工程采用国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所研制的无磷、高效型阻垢剂SW203A，该阻垢剂以聚马来酸酐为主进行复配，易生物降解。为验证其阻垢效果及环境友好性，并优化该药剂的运行投加方案，对SW203A阻垢剂开展了静态阻垢试验、动态模拟试验，获得可靠的技术数据，同时经过1年的实际工程应用验证了系统运行的安全性与稳定性，期望为同类工程的优化运行提供借鉴，促进海水循环冷却技术在我国的推广应用。

1　设计运行条件

1.1循环水水源

该工程2×1 000 MW超超临界燃煤机组采用带冷却塔的海水二次循环供水方式，其循环冷却水水源为渤海湾海水，经取水沉淀池沉淀后使用。

1.2电厂相关系统设备

该海水循环冷却系统设有2座自然通风海水冷却塔，分别为2套1 000 MW发电机组提供循环冷却水，单台冷却水塔的总水量约为3万～3.5万m3，单塔淋水面积约为 12 000 m2，设计循环水量为108 720 m3/h（按夏季冷却倍率55倍计算）。凝汽器型式为双壳体、双背压、单流程表面式，凝汽器管材为钛管，循环水运行压力为0.2～0.3 MPa。

1.3循环冷却水设计处理方式

海水二次循环冷却水处理采用杀菌剂与阻垢剂联合处理方式。其中杀菌剂采用电解海水制取次氯酸钠系统，设置2×10 kg/h电解海水制氯装置，维持余氯＞0.2 mg/L，并辅助使用非氧化性杀菌剂；阻垢剂加药系统配置两箱三泵加药装置。

2　试验材料与方法

2.1试验用水

试验用水来自北疆电厂周边海域近岸海水。其中静态阻垢试验和动态模拟试验使用2个批次的高悬浮物原海水，以模拟实际工程的水质变化。工程应用评价的系统补充水则为原海水经电厂取水沉淀池沉淀后的澄清海水。原海水的水质情况如表1所示，系统补充水及循环水的典型水质情况如表2所示。

表1　原海水水质

表2　系统补充水和循环水水质

2.2试验仪器和检测方法

静态阻垢试验所用水浴加热设备采用HHS-28型电热恒温水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司），温度精度为±0.5℃。动态模拟试验采用SWD-2型海水循环冷却动态模拟试验装置（天津海水淡化与综合利用研究所），其原理如图1所示。

图1　动态模拟试验装置原理

该装置可实现凝汽器的循环水进、出口温差为6～11℃，加热介质温度为50～90℃，冷却水出口温度为（45±0.2）℃，换热管内冷却水流速为0.6～1.5 m/s，循环水系统容积与循环水量之比在1/5～1/2可调。该装置具有自动加药、自动排污、远程控制等功能，可实现海水水处理药剂的按比例、定时自动投加。还可实现浓缩倍数的自动稳定控制，以及温度、流量、pH、电导率、腐蚀速率、补水量的实时监测记录等。

工程应用评价在北疆电厂海水循环冷却系统中进行。试验采用的水质检测方法见表3。

表3　水质检测方法

2.3试验方法

静态阻垢试验：根据循环水系统中的悬浮物变化情况，将2.1中的原海水静沉，取静沉后的清洁海水与未静沉原海水配制出悬浮物分别为20、40、60、80、100、200 mg/L的6组试验原水，并测定各水样的Cl-和总碱度。随后取试验原水1.0 L向其中投加一定浓度的SW203A配制成试验水样，同时设置空白水样。然后根据现行标准GB/T 23248—2009《海水循环冷却水处理设计规范》对浓缩倍数的要求，将所有水样在（80±0.5）℃的水浴中蒸发浓缩至0.5 L，取出冷却（浓缩倍数为2.0）。最后在水样冷却至室温后再次测定其Cl-和总碱度，并利用ΔA值法判定浓缩海水的结垢倾向，评价SW203A的阻垢性能。

动态阻垢模式试验：利用动态模拟试验装置模拟电厂循环水系统的实际运行，方法按照HG/T 2160—2008《冷却水动态模拟试验方法》执行，工艺参数：循环水量为1.0 m3/h（该条件下动态模拟试验装置的系统容积与循环水量之比接近实际海水循环冷却系统），进塔水温为（45.0±0.2）℃，进出水温差＞8℃，换热管内流速0.61 m/s，浓缩倍数为2.0±0.2。

工程应用评价：每天向塔下水池投加一定量的SW203A阻垢剂，同时定期检测循环水和补充水的Cl-和总碱度，并利用ΔA值法判定浓缩海水的结垢倾向，评价SW203A的阻垢性。在发电机组停运检修期间查看冷凝器的结垢情况，验证SW203A的阻垢效果。海水循环冷却系统夏季运行的工艺参数：循环冷却水量为 203 985 m3/h，蒸发损失水量为2 888 m3/h，风吹损失为102 m3/h，排污水量为3 500 m3/h，补充水量为6 498 m3/h，凝汽器冷却水进口温度为31.3℃，凝汽器冷却水出口温度为43.1℃。

2.4阻垢性的评价方法

浓缩海水的结垢倾向及SW203A阻垢性能评价采用ΔA值法。当试验水样浓缩前后的ΔA≤0.2时，可认为浓缩海水的结垢倾向很弱，此时投加SW203A的最小剂量即为阻垢控制的经济使用剂量。

ΔA值的计算公式见式（1）。

ΔA=KCl--K碱度（1）

式中：ΔA——阻垢性能判定值，该值越大则海水的结垢趋势越强烈，阻垢剂的阻垢效果越差；

KCl-——以氯离子表示的浓缩倍数；

K碱度——以总碱度表示的浓缩倍数。

3　结果与讨论

3.1投加阻垢剂的静态阻垢试验结果

针对北疆电厂循环海水中悬浮物变化大的特点，在静态阻垢试验重点考察了SW203A投加量对不同悬浮物海水的阻垢效果。当SW203A投加量分别为14、8 mg/L及空白时，含不同悬浮物的试验水样经加热浓缩后的ΔA如图2所示。

图2　含不同悬浮物的试验水样经加热浓缩后的ΔA

由图2可见，浓缩倍数为2.0时，空白水样的ΔA在1.55～1.63，说明该循环冷却系统所用海水的成垢趋势较强，必须投加阻垢剂加以控制。投加8 mg/L的SW203A后，仅有悬浮物为20、40 mg/L水样的ΔA≤0.2；当SW203A投加量增至14 mg/L时，则可使悬浮物为100 mg/L以下水样的ΔA≤0.2。可见在保证系统运行安全的前提下，阻垢剂投加量与补充海水的悬浮物含量有密切关系。为有效降低海水循环冷却系统的药剂使用费用，应通过有效的预处理手段降低海水悬浮物，并适时根据海水水质调整药剂投加量，从而优化药剂使用，降低药剂费用。

3.2投加阻垢剂的动态模拟试验结果

以原海水作为补充水，次氯酸钠作为菌藻抑制剂，菌藻抑制剂加药质量浓度为5 mg/L（以补充水体积计），每次连续投加2 h，每隔8 h加药1次，同时根据静态阻垢试验结果采用SW203A投加量为8 mg/L（以补充水体积计）进行试验，试验过程为期15 d。试验过程中循环水的浓缩倍数变化见图3，循环水浊度和ΔA随运行时间的变化情况见图4。

由图3可以看到，系统运行约20 h后浓缩倍数已达到设定值2.0左右，此后的试验时间内浓缩倍数均稳定在2.0±0.2。由图4可见，在模拟装置稳定运行时间内，循环水的ΔA与浊度变化趋势较为一致，虽然在120 h后由于新一批高浊度原海水的加入导致循环水浊度变大，ΔA也随之较大幅度地增加，但整个试验期间循环水的ΔA始终处于0.14以下。以上结果表明，8 mg/L的SW203A在高浊度、大变幅的浓缩海水中能够较好地维持水质稳定，同时投加剂量也较为经济。

图3　循环水浓缩倍数随　运行时间的变化情况　

图4　循环水浊度和ΔA随时间的变化情况

同时，动态阻垢模拟试验还对循环水的部分水质指标进行监测，以分析投加阻垢剂对循环水水质的影响，6组水样结果见表4。由表1、表4可以发现，虽然SW203A阻垢剂的加入使循环水的溶解氧降低，BOD5和CODMn有所升高，但仍满足《海水水质标准》规定的第3类水质标准的要求（溶解氧＞4 mg/L，COD≤4mg/L，BOD5≤4mg/L），说明含有SW203A的系统排污水向海排放时不会降低该类海域的水质。从海洋环境保护方面考虑，SW203A阻垢剂8 mg/L的投加量不会对海洋自然环境造成破坏。

表4　循环水中的溶解氧、BOD5和CODMn检测值

3.3投加阻垢剂后的实际运行评价

以动态阻垢模拟试验结果为指导，以8 mg/L（以补充水体积计）的投加量向海水循环冷却系统中投加SW203A，并监控其运行情况。运行1年期间1#海水循环冷却系统循环水的ΔA监测结果见图5。2#海水循环冷却系统循环水的ΔA监测结果与1#相似。

图5　1#冷却系统中浓缩倍数和ΔA的变化情况

从图5可以看出，系统运行1年来1#海水循环冷却系统中循环水的ΔA均远低于控制指标0.2，说明系统循环水始终保持较低的结垢倾向，满足海水循环冷却系统长期运行对循环水水质的稳定性要求。此外通过检修期间对凝汽器的现场观察发现，凝汽器运行1年后状态良好，未发现有结垢现象，从而验证了水质监测结论及阻垢剂的阻垢效果。

但实际运行中也发现，向循环水投加固体卤素杀菌剂时，循环水浊度会出现一个明显升高后下降的过程，碱度随之下降，在此过程中ΔA也出现短时超限现象。显然，固体卤素杀菌剂的投加导致循环水水质波动，从而使阻垢效果有所下降。为此在原有阻垢剂投加方案基础上，当遇到冲击投加固体卤素杀菌剂时，适当加大了SW203阻垢剂的投加量。实际运行结果表明这样做完全可消除循环水ΔA的短时超限现象，且菌藻抑制效果不受影响，在保证海水循环冷却系统安全运行的同时，阻垢剂费用增加不明显。

4　结论

（1）北疆电厂周边海水在静态阻垢试验被浓缩至2倍时，成垢现象较为严重。投加14 mg/L的SW203A即可使悬浮物高达100 mg/L的海水经浓缩后的ΔA＜0.2；当悬浮物≤40 mg/L时SW203A的投加量可降至8mg/L。（2）在动态模拟试验中，8 mg/L的SW203A即能控制循环海水的ΔA远＜0.2，且能够保证系统排污水不对海洋自然环境造成污染。（3）为期1年的工程应用评价表明，8 mg/L的SW203A投加量能够保证10万t级海水循环冷却系统在浓缩倍数为1.5～1.8的范围内长期安全运行，但当系统冲击投加固体卤素杀菌剂进行灭杀菌藻时，应适当加大海水阻垢剂的投加量。（4）开展包括静态阻垢试验、动态模拟试验和实际运行应用评价在内的系列试验能够取得较为可靠、经济和全面的循环水药剂投加实施方案，对于大、中型海水循环冷却系统的长期安全运行具有显著的降耗增效意义。

［1］GB/T 12763.4—2007海洋调查规范第4部分：海水化学要素调查［S］.

［2］GB 17378.4—2007海洋监测规范 第4部分：海水分析［S］.

Study and application of the dosing scheme of scale inhibitor in the seawater circulating cooling system

Ding Yu1，Zhang Wenshuai1，Wang Yinzhong2，Wang Weizhen2，Yin Jianhua2
（1.Tianjin Guotou Jinneng Thermoelectricity Co.，Ltd.，Tianjin 300480，China；2.The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，SOA（Tianjin），Tianjin 300192，China）

To ensure the 1.0×105m3/h seawater circulating cooling system to run safely，the dosing scheme of Scale Inhibitor SW203A has been studied，and its practical application implemented.The results show that when the concentration ratio is 2.0，through static tests，adding 14 mg/L of scale inhibitor SW203A can cause the seawater，whose suspended solids content is as high as 100 mg/L，not to form scaling.When the suspended solids content is not more than 40 mg/L，SW203A dosage can be reduced to 8 mg/L.Through dynamic simulation tests，8 mg/L of SW203A is enough to ensure the ΔA of circulating water to consistently remain at less than 0.2.The evaluation of a one-year practical project indicates that 8 mg/L of SW203A can ensure the system to run chronically and safely when the concentration ratio is in the range of 1.5-1.8.

seawater；recirculating cooling system；scale inhibition

TQ085+.4

B

1005-829X（2016）04-0105-04

丁玉（1972—），高级工程师。电话：13389976683，E-mail：13389976683@163.com。

2016-03-02（修改稿）