浅析城市中水在开式循环冷却系统中的应用

曹锐杰，韩 炜

（山西临汾热电有限责任公司，山西临汾041000）

0 引言

“中水”是城市污水经处理设施深度净化处理[1]后的水（包括污水处理厂经二级处理再进行深化处理后的水和大型建筑物、生活社区的洗浴水、洗菜水等经集中处理后的水），其水质介于自来水（上水）与排入管道内污水（下水）之间，故称为“中水”。因其自身硬度高、成分复杂多变的特点，回收应用以城市景观用水和农田灌溉为主[2]。本文将城市中水（一级A）作为开式循环冷却系统的补充水，通过采用新型循环水节水除垢剂，对循环水水质指标的控制进行研究，以拓宽城市“中水”的回用方向。

1 基本情况

1.1 系统情况

山西临汾热电有限公司（以下简称“临汾热电”）2×300 MW直接空冷供热机组，配2×1 065 t/h煤粉锅炉，尖峰冷却循环水系统共有一排4座机力通风冷却塔，单塔设计循环水量为4 700 m3/h，设计进塔水温48℃、出塔水温33℃，补水为城市中水（一级A），采用传统阻垢缓蚀药剂和杀菌剂处理，排污量大且凝汽器极易出现结垢现象，导致换热不足，夏季高温天气下机组运行背压高，煤耗增大[3]。

1.2 水质情况

补水以城市中水（RO+中水一级A）1∶1为主，偶尔补充备用水。城市中水（一级A）水质参数与国标要求（GB/T 50050—2017）对比如表1所示。

表1 城市中水（一级A）水质参数与国标要求（GB/T 50050—2017）对比表

1.3 系统问题及解决办法

1.3.1 系统问题

城市中水中含有大量的盐分，总硬度超高，在冷却过程中不断地蒸发、浓缩，凝汽器内部容易出现结垢现象，大大降低了传热效率；城市中水中含有大量的有机物、微生物菌落、分泌物等，在运行过程中与灰尘、泥沙形成质地松软的污垢，不仅降低传热效率还引起垢下腐蚀，缩短设备使用寿命；城市中水对换热设备的腐蚀，主要是电化学腐蚀，产生的原因有设备制造缺陷、水中充足的氧气、水中腐蚀性离子（SO42-、Cl-、Fe2+、Cu2+）以及微生物分泌的黏液所生成的污垢等因素[4]，腐蚀会减少设备使用寿命[5]，严重时会损坏设备[6]。

1.3.2 解决办法

通过直接投加新型循环水节水除垢剂[7]（专利号：201710887653.X），利用节水除垢剂中高分子聚合物络合水中的钙、镁离子，并牢牢锁住，达到阻垢的目的；利用节水除垢剂中活性物质的作用，使高分子聚合物逐步络合已结在管壁的垢份，使其慢慢溶解、脱落，达到除垢的目的；通过节水除垢剂对钙、镁离子的络合和去除性能，使循环水边运行边软化，提高浓缩倍数，实现节水的目的；在除垢结束后，高分子聚合物在系统内壁络合形成保护膜，大大延长了设备使用寿命；通过切断菌落的营养物质，达到抑制细菌生长的目的。

2 运行方案

循环水中氯离子的质量浓度控制在700 mg/L以下[8]，满足国标GBT 50050—2017的要求，依据氯离子的指标控制浓缩倍率在5～6倍运行；每台循环水泵出力必须≥80%，以保证凝汽器的水通量；依据尖峰系统设计要求，控制凝汽器出水温度≤50℃，允许短期内超过50℃但不超55℃，时间不超过1h；每日对来水和循环水指标进行监控，及时排污，安排专人负责加药。依据药剂厂家提供的节水除垢剂药剂性能，第一次投加量为60 g/t（水量以保有水量计）；前期按30 g/t投加（水量以补充水量计），后期依据运行参数逐步调整，达到最优投加量。新型药剂投加期间停止原缓蚀阻垢剂的加入，为保证杀菌效果，每周加杀菌剂一次[9]。

计划每天运行15 h以上，循环水浓缩倍率＞5倍，实际运行时控制浓缩倍率在5.5倍左右。

3 运行参数与分析

3.1 循环水水质指标走势与分析

图1为浓缩倍率变化图，图2为总硬度变化图，图3为电导率变化图，图4为氯离子变化图。

图1 浓缩倍率变化图

图2 总硬度变化图

图3 电导率变化图

图4 氯离子变化图

本次试验以氯离子比值作为浓缩倍率，最终浓缩倍率稳定在5.5倍，节水、减排效果非常显著；循环水总硬度随浓缩倍率增加而增加，达到一定浓度后，于6月18日开始逐步下降，7月6日降至40 mmol/L以下，9月2日降至30 mmol/L以下，稳定后总硬度在25 mmol/L左右，电导率稳定在5 500μS/cm左右，说明药剂的自软化性能已经体现，大量的Ca2+、Mg2+离子被络合后予以去除。

3.2 凝汽器进出口温差走势及分析

图5为1号凝汽器温差变化图，图6为2号凝汽器温差变化图，图7为1号机端温差变化图，图8为2号机端温差变化图。

图5 1号凝汽器温差变化图

图6 2号凝汽器温差变化图

图7 1号机端温差变化图

图8 2号机端温差变化图

凝汽器端差会随着负荷、水量、进口水温、环境温度等因素变化而变化，9月份系统运行稳定后，1号机端差平均值为6.6℃，2号机端差平均值为7.9℃，说明药剂阻垢效果明显，运行稳定；2台凝汽器换热温差基本稳定，1号机平均温差为12.69℃，2号机平均温差为18.44℃；1号凝汽器的运行效果明显好于2号凝汽器，待2号凝汽器清洗管束干净后，随着换热效率的提高会有所改善；1号机组9月份平均负荷为257 MW，背压12.26 kPa，环境温度平均25.87℃，与尖峰系统性能试验报告十分接近，降背压效果优良；2号机组平均负荷为252 MW，背压16.95 kPa，环境温度平均25.87℃，与性能试验报告也很接近，降背压效果良好。

凝汽器分别于5月11日、6月15日、7月31日、10月9日4次打开检查，均未发现结垢、腐蚀现象，人孔内无微生物附着、无腥气味，药剂的阻垢、抑菌性能显著。

3.3 腐蚀速率监测

通过在循环水池内挂片检测腐蚀速率，结果如表2所示。由表2可知，新型节水阻垢剂的加入对钢材的腐蚀符合国标要求。

表2 腐蚀速率监测结果

4 经济效益分析

按照9月份的负荷和1号机、2号机尖峰实验报告综合能耗影响数据，按平均运行12 h、总运行天数150 d、煤价平均350元/t、浓缩倍率5.5倍计算，采用节水除垢剂技术后，节煤费用354.55万元，用水费用125万元（水价按2.16元/t计算），药剂费用134万元，总节煤费用95.55万元。同等出力条件下，常规技术全年水费764.69万元、药剂费用190万元，合计954.69万元，采用节水除垢剂技术后，全年水费550.17万元、药剂费用200万元，合计750.17万元，共节约费用204.52万元。

5 结论

通过4月29日至9月30日的运行，以城市中水（一级A）为水源，尖峰系统水质指标逐步稳定，pH值在8.5～9.5之间，浓缩倍率为5.5倍，氯离子控制在700 mg/L以下，通过试验达到了以下目的。

a）城市中水（RO+中水一级A）1∶1作为补水水源，使用新型节水除垢剂能够稳定水质，确保系统安全、稳定地运行。

b）系统端差、温差基本稳定，说明系统无结垢现象，新型节水除垢剂的阻垢效果显著。

c）1号、2号凝汽器管板及水室支架所附着的水垢与泥沙混和物基本被冲洗干净，药剂除垢效果初显。

d）通过对循环水池挂片的监测，腐蚀速率远远低于国标要求，药剂的缓蚀效果显著。

e）打开人孔后无腥气味，内部无微生物附着物，抑菌效果显著。

f）浓缩倍率由原来常规加药控制时的2.5倍提高到5～6倍，减少排污，降低用水量，节水效果显著。

g）系统运行时间由6 h/d延长到12 h/d，增加了1倍，有效降低了煤耗，经济效益显著。

h）4台4700m3/h通风冷却塔全年所节约耗水费用204.52万元（水单价越高，节约费用越高）。

i）节水28.05%，减排70.06%，城市中水的大量工业应用在节约水资源及水的综合梯级利用上大有潜力，环保效益十分可观[10]。