燃机喷水模块高水质要求的解决方案

陈斌伟，蔡冠萍

(中国电力顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

燃机喷水模块高水质要求的解决方案

陈斌伟，蔡冠萍

(中国电力顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

燃气-蒸汽联合循环中压余热锅炉的水处理系统采用软化水作为锅炉补充水，但根据燃机厂商提供的燃气轮机喷水模块水质要求，这种品质的水被认为不能满足喷水模块的用水要求。针对此问题，提出了现场解决方案。并通过对喷水模块用水水质要求的分析研究，提出想法及结论，可供系统设计和调试运行参考。

二级反渗透；加碱；电导率；燃机喷水。

1 工程概述

上海华电莘庄工业区燃气热电冷三联供改造项目工程是上海市重大技术改造项目。一期工程建设两台60 MW级一拖一单轴布置燃气－蒸汽联合循环机组，天然气作为单燃料。燃机采用GE公司的LM6000PF机型，汽轮机采用南京汽轮电机(集团)有限责任公司产品，余热锅炉采用东方日立锅炉有限公司产品。锅炉最大连续蒸发量(B－MCR) 为 43.5 t/h，高压汽包出口蒸汽压力5.2±0.2MPa，高压汽包出口蒸汽温度435±5 ℃，根据TSG G0001－2012《锅炉安全技术规程》规定，余热锅炉仅属于中压锅炉。

电厂的锅炉补给水处理系统是根据机组水汽质量标准以及原水水质设计。电厂水源为厂址附近六磊塘河段河水，根据2011年～2012年的水质全分析报告，此河水的含盐量在400～500 mg/L范围之内。锅炉补给水处理系统采用两级反渗透膜法水处理工艺，即超滤+一级反渗透+二级反渗透。

2 燃机喷水模块概述及问题分析

本工程采用的LM6000PF型燃机配套带有SPRINT系统，SPRINT系统的原理是用水冷却空气，从而增加空气的质量流量，最终可以提升燃气轮机的出力。此技术通过一个位于高压和低压压缩器之间的喷嘴喷水，喷出的水被高温空气雾化进入燃气轮机低氮燃烧室。

SPRINT系统的喷水模块除盐水的耗量是11～41 gal/min，约合2.5～9.3 m3/h。在正常运行时SPRINT系统启用的机会不多，仅在燃气轮机需要在短时提高负荷时系统才会启用，但燃机厂商对于这部分补水水质的要求较高，要求电导率小于1.0 μs/cm。

本工程锅炉补给水处理系统的设计主要考虑满足中压余热锅炉的供水要求，根据GB/T 12145－2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中压锅炉给水品质，两级反渗透产水仅需控制锅炉补给水的总硬度和二氧化硅含量即可，无需对水的电导率进行控制。因此，设计中二级反渗透进水不考虑添加碱化剂。但是，实际机组投运后，两级反渗透产水无法满足燃机厂商提出的喷水模块的用水电导率小于1.0 μs/cm的要求。

3 锅炉补给水处理系统产水水质分析

3.1 理论分析

根据2014版《陶氏化学FILMTEC反渗透和纳滤膜元件产品与技术手册》对两级反渗透系统的设计要求，二级反渗透进水的pH值可以根据脱盐率要求调节到最佳值，对于合适的苦咸水水源，采用两级反渗透膜系统，可使系统总产水的电导率达到＜1.0 μs/cm，甚至可以达到0.5 μs/cm。在加碱的条件下，两级反渗透的产水理论上应该能满足电导率小于1.0 μs/cm，然而实际情况却很难达到。

3.2 实际运行

两级反渗透制水系统经过多次调试，在不添加碱化剂的情况下，二级反渗透的产水电导率值均在2.8 μs/cm左右。电导率偏高的原因如下：

(1)电导率偏高主要是产水中存在的CO2所致。由于一级反渗透的产水pH在5.0～5.5之间，在此pH值下，水中存在大量CO2以及少量的HCO3－，无法被二级反渗透去除，导致二级反渗透产水电导率偏高，水中碳酸化合物形态与pH关系详见图1。

图1 水中碳酸化合物形态与pH关系

(2)河水水质相比设计水质有变差的趋势。本工程河水的电导率与含盐量大致成正比关系，以温度25℃为基准，其比例范围为：1 μs/cm=0.60～0.68 mg/L。在调试过程中，发现超滤产水在线电导率表显示值约在1100 μs/cm左右变化，那么根据超滤产水电导率来推算原水的含盐量应在660～748 mg/L左右。由于原水水质的含盐量增加，在反渗透脱盐率没有变化的情况下，二级反渗透的产水自然会比较高。

(3)反渗透膜可能存在的损坏。反渗透设备在安装后启动制水，反渗透膜壳产水侧泄漏严重，后检查发现主要是膜元件之间的密封圈没有安装到位，重装全部膜元件后解决了问题。但不排除在安装过程中的野蛮操作导致反渗透膜的损坏。这种损坏可能导致部分溶液固形物没有被反渗透膜去除，从而使出水电导率升高。

4 降低产水电导率的措施

针对燃机厂商SPRINT系统对补水电导率的要求，同时考虑到水处理车间场地的限制和电厂急于整机启动的要求，采取方案必须快速而有效。具体方案如下：

方案一：二级反渗透进水添加碱化剂。需要增加一套加碱设备，两箱两泵，根据二级反渗透进水pH表自动控制加碱量。目的是提高二级反渗透进水pH值，将水中大量的游离二氧化碳转化为可被反渗透膜去除的重碳酸根离子，从而达到降低产水电导率的目的。

方案二：设一套离子交换设备或者连续电除盐(EDI)设备(含水箱)，对燃气轮机用的喷水进行深度除盐，以进一步去除水中的离子含量，降低喷水的电导率，使其符合燃机的要求。

方案一相比方案二来说，经济且施工速度快，不涉及土建的工程量。因此首选方案一来优化锅炉补给水处理系统的出水。

5 二级反渗透前加碱方案论述

很多已投运的全膜法锅炉补给水处理系统均在二级反渗透进水添加32%的NaOH，虽然省去了配药的步骤，但是二级反渗透进水加碱是很难精确控制的，尤其对于处理水量较小的膜系统，加浓碱的结果往往是非但没有降低二级反渗透的产水的电导率，反而使其有所增加，原因是添加了过量的高浓度的碱，导致二级反渗透产水的电导率上升。因此合理配制碱液的浓度和调节加碱量是方案是否可行的关键。

理论上，当pH=8.3时，水中的游离CO2含量仅占碳酸化合物总量的1%，也即水中的游离CO2已基本转化成因此，二级反渗透进水加NaOH的调节应精确控制pH值在8.3。当过量添加NaOH时，二级反渗透进水pH持续上升，产水的电导率反而增大。经计算(1)，对于本工程水源，当一系列反渗透正常运行时，将pH调整到8.3，需添加5%的氢氧化钠约12.40 L/h。

为使系统运行中加碱量的控制能够更加精确，在二级反渗透进水母管的加碱部位设置混合器，同时在加药混合器后4～5 m的管道位置设了pH在线仪表实现自动控制。表1为二月某日加碱调试数据记录。

表1 二月某日加碱调试记录

根据调试记录表中的数据分析如下：

(1)二级反渗透产水电导率在1.20 μs/cm时，进水在线pH表计显示值为8.80，与理论值8.3有偏差。产生偏差的原因可能是由于温度的影响，在线pH表在测量时需要将温度修正到25℃，不同的pH探头制作工艺及不同的水样工况其修正系数都有区别，都会对测试结果产生影响。

(2)二级反渗透产水电导率在1.20 μs/cm时，加碱量为13.20 L/h，与理论值12.40 L/h (pH=8.3)有偏差。加碱量与二级反渗透进水pH值(未加碱时)和原水中重碳酸盐含量这两个要素息息相关，这两个数据稍有变化，对加碱量的影响是十分明显的。

(3)本记录表中二级反渗透产水电导率最佳值为1.20 μs/cm，尚未达到理论值小于1.00 μs/cm。之后又做了多次调试，二级反渗透产水电导率曾达到0.98 μs/cm，相应的超滤产水电导率为973 μs/cm。

6 SPRINT系统对喷水水质要求的协调性研究

6.1 SPRINT系统的喷水水质要求

根据燃机厂商提供的喷水水质的资料可以归纳见表2。

表2 燃汽轮机SPRINT系统喷水水质要求

6.2 SPRINT系统喷水水质要求的分析

本工程经混凝澄清过滤后的原水经超滤加两级反渗透工艺处理后，其出水水质通过陶氏反渗透软件计算理论上可达到表3指标。

表3 二级反渗透理论产水水质

根据表3显示，不论二级反渗透给水是否加碱，产水的各离子浓度理论上都能满足且远小于表2的要求。那么加碱处理是否有必要，在各离子含量都满足要求的情况下，为何唯独电导率不能满足要求呢？

实际上，燃机厂商给出的电导率要求是有条件的，需要测的是脱气电导率，即脱除了产水中二氧化碳后的电导率。根据表3二级反渗透前加碱的前后产水水质的对比，不难看出二级反渗透产水中溶解的二氧化碳的量很大，这是造成产水中高电导率的主要原因。采用二级反渗透给水加碱的方案正是能在快速而有效地去除水中二氧化碳后测出产水的脱气电导。因此，二级反渗透进水的加碱处理是有必要的，且可使产水的pH值达到要求。

那么产水中的二氧化碳是否需要控制，二氧化碳是否对SPRINT系统的喷水模块有影响？根据表2中的数据，喷水模块对产水的二氧化碳没有控制要求，且高纯水的缓冲能力比较差，根本无法保证高纯水在贮存和输送过程中不再溶入二氧化碳。那么之所以要测脱气电导率，最终的目的不是要去除产水中的二氧化碳，而是要确保排除二氧化碳的影响后，产水的电导率要满足要求。所以认为二氧化碳在产水中的含量对喷水模块是无影响的。

根据GB/T 6682－2008《分析实验室用水规格和试验方法》，二级反渗透给水加碱后的产水水质与标准中给出的“三级水”类似，“三级水”的溶解固形物含量要求≤2 mg/L，电导率(25℃时)要求≤5 μs/cm。而表2中SPRINT系统喷水水质要求的含盐量为≤5 mg/L，且允许有最大5 mg/L的悬浮物存在，可电导率(25℃时)却要求＜1.0 μs/cm，这些数据与电导率数据存在相互间的矛盾，按照这些数据推断，电导率很有可能在10 μs/cm左右。因此，认为燃机厂家给出的喷水水质要求中的电导率的指标是存在问题的，超滤加两级反渗透工艺的产水完全可以用于SPRINT系统的喷水模块。

7 结论

(1)二级反渗透给水加碱有利于提高二级反渗透对碳酸化合物的去除率，对于降低产水电导率是有必要的，但应根据水质条件确定碱液配置浓度以及准确控制加药量，否则二级反渗透产水电导率可能会比不加碱时还要差。

(2)燃汽轮机的SPRINT系统要求喷水水质的电导率小于1.0 μs/cm，这个指标和要求的溶解固形物含量等相关指标间不协调。有理由认为，对于本项目的超滤加两级反渗透工艺的产水完全可适用于燃汽轮机SPRINT系统的喷水模块。

[1] 莫庆时，两级反渗透系统加碱调节pH值的分析[J]，水处理技术，2005，31(6)．

[2] GB/T 12145－2008，火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量[S].

[3] TSG G0001－2012，锅炉安全技术规程[S]．

Solution Scheme for High Water Quality Requirement of Sprinkler Module for Gas Turbine

CHEN Bin-wei, CAI Guan-ping
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd of China Power Engineering Consuloing Group, Shanghai 200063, China)

Softened water from water treatment system is used as make-up water for medium pressure residual heat boiler of gas and steam turbine combined-cycle, but according to the water quality requirement of the gas turbine manufacturer, the quality of softened water is considered not to meet the needs of the injection in gas turbine.For this problem, the solution of the field is put forward.Through analysis and research of the water quality requirement for the injection, the idea and conclusion are put forward and regarded as reference for design and debugging of system.

second stage reverse osmosis; alkali addition; electrical conductivity; injection in gas turbine.

2016-02-17

陈斌伟(1987- )，男，上海松江人，助理工程师，从事电力系统电厂化学设计工作。

TM621

B

1671-9913(2017)03-0040-04