电厂循环水化学腐蚀结垢影响因素与控制研究

李先宏

(大同发电有限责任公司生产技术部，山西大同 037000 )

目前，湿冷机组及大部分空冷机组均配置有工业循环水系统，通过自然冷却或机力冷却方式完成对循环水二次冷却，冷却后温升水大部分或全部返回至循环水塔(湿冷水塔或机力通风塔)进行循环冷却使用。循环水分为闭式与开闭循环水两种，敞开式循环冷却水系统用水量占电厂总用水量比例较大，近年来，随着淡水资源的日益紧张与节约用水日益成为社会共识，提升循环水浓缩倍率、进行排污水回用成为循环水运行新趋势。

循环冷却水处理工作的好坏与系统运行控制水平有着直接关系，水处理药剂性能优劣同样至关重要。敞开式冷却水系统中，容易产生问题主要是结垢、腐蚀、微生物危害三个方面。针对这三类问题，用于循环冷却水系统水处理药剂主要有阻垢缓蚀剂、杀菌剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂等。

1 循环水系统结垢危害及水质阻垢处理

火力发电厂循环水系统遇到最常见的问题就是污垢沉积，当凝汽器(换热器)管内和冷却塔填料附着水垢或黏泥时，会产生较大不良影响。

(1)增加凝汽器(换热器)管内水流阻力，降低流量。

(2)污垢影响导热率，会影响凝汽器换热效率。

表1为不同物质导热率比较结果，由表1可看出，黄铜热导率约是碳酸钙垢的132倍～197倍，约是生物粘泥的146倍～300倍。

表1 不同物质污垢导热率Tab.1 Thermal conductivity of different substances

(3)冷却塔填料结垢，将会造成水流短路，降低冷却效率，增大凝汽器进水温度；导致凝汽器真空降低，汽轮机效率降低，严重时将限制汽轮机出力。

(4)凝汽器管内附着水垢、粘泥时，其附着物下易产生局部腐蚀，有时会导致换热管破裂穿孔；凝汽器严重泄露时，会造成给水水质恶化及水冷壁爆管。

由以上分析可看出，污垢对于循环水系统危害极大。要做好冷却水系统防垢工作，除日常胶球清洗、粘泥剥离等方法外，在循环水中加入水处理阻垢药剂也是目前普遍采用且行之有效的方法。

早期电厂应用的水处理阻垢药剂主要是聚磷酸盐，高温下水解后其阻垢性能降低，且水解后正磷酸盐容易生成溶解度更小的磷酸钙水垢，并导致水体富营养化，促进水体微生物菌藻繁殖。目前以有机膦酸和聚羧酸盐为主体的复合型水处理药剂在电厂得到广泛应用，相对于聚磷酸盐，有着更为优异的阻垢性能，性能稳定，即使在较高温下也不易水解。

1.2 影响循环冷却水阻垢效果主要因素

1.2.1 水质影响

循环水系统补充水，有地表水(受到污染或未受到污染)、地下水、二级城市中水等，水质差异较大，即使相同类型水源，因地域、时间不同其水质差别也很大。补充水水质不同，经过浓缩后循环水水质也各不相同，循环水中的悬浮物、碱度、硬度等都影响循环水的水处理效果。

(1)悬浮物影响。一般水处理药剂阻垢效果随水中悬浮物含量增加而降低，但不同配方的水处理药剂降低幅度不同，当水中悬浮物含量增加时，同一配方水处理药剂阻垢性能呈现一定幅度降低，悬浮物含量对水处理药剂阻垢效果影响较大，并且吸附消耗药剂。所以，循环冷却水系统应尽可能降低悬浮物含量。

(2)碱度的影响。水质中碱度大小，与碳酸钙水垢析出具有直接关系。一般情况下，在同一配方水处理药剂和相同使用浓度条件下，当补充水碱度不同时，达到极限碱度不同。当补充水碱度较低时，循环水碱度相应也较低，但对应的极限浓缩倍率则较高；当补充水碱度较高时，循环水中的碱度也较高，但对应的极限浓缩倍率则较低。当补充有城市中水时，有时会发生特殊的变化。

(3)钙离子的影响。在补充水碱度相同时，一般循环水极限浓缩倍率随补充水中钙离子含量增加而降低。但有时应注意碱度和钙离子的比值变化幅度影响。

1.2.2 水温的影响

循环水温度对水垢形成及生长速度影响较大。一般情况下，水温在50 ℃以上时，随着温度的升高，水垢的附着速度也迅速加快。水温对碳酸钙溶解度有影响，从而会影响到循环水中碱度。对同一水质补充水，当温度降低时，碱度相应会升高，极限浓缩倍率也升高；当循环水温度升高时，碱度会相应降低，极限浓缩倍率也降低。

1.2.3 流速的影响

水垢和粘泥在凝汽器管内表面上附着速度随着水流速增大而减小。冷却水流速过低容易导致水垢和粘泥等物质在换热表面上沉积；而流速过高也容易造成对凝汽器管冲刷腐蚀。宜保持适宜循环水流速，一般为1.0 m/s～1.8 m/s。

1.2.4 药剂停留时间影响

水质稳定剂的阻垢机理是阻碍晶体生长和微晶体的分散，水质稳定剂只有在一定剂量及一定时间内有效。此有效时间与水质稳定剂的种类、初始加入量、循环水中的其它相关因素等有关。当加入0.2 mg/L水质稳定剂，可使碳酸钙过饱和溶液析出结晶时间延长至5 h；而加入2 mg/L水质稳定剂，结晶析出时间可延长至100 h。浓缩倍率升高会导致药剂消耗，缩短药龄。

1.3 水质稳定剂的选择

目前国内水处理药剂单体种类很多，水处理稳定剂复配可有多种组合与选择。循环水质条件各不相同，需根据具体水质、循环水运行工艺选择适宜水处理药剂，一般应依据原则：

(2)化学稳定性好。在高浓缩倍率和高热流密度情况下具有较好稳定性，与缓蚀剂、杀菌剂并用时，阻垢效果无明显下降。

(3)协同性能好。具有较好的协同性能，与缓蚀剂、杀菌剂相容性好。同时使用时，不影响缓蚀剂、杀菌剂应用效果；充分利用各种单体之间复配后协同作用、增效作用，使得水处理药剂达到较理想处理效果。

(4)环境友好。无毒或低毒易被生物降解，符合电厂临近地域环保要求。

循环水系统水质特点、工艺条件、运行工况等差别很大，对具体循环水系统，需要常用不同多种药剂配合使用。只有针对不同水质选择出配伍性合理配方，复配使用方可发挥药剂各个组分功效，使循环水处理达到理想阻垢处理效果。

2 循环冷却水缓蚀处理

2.1 循环冷却水系统腐蚀危害

凝汽器(换热器)是火电厂循环水系统主要换热设备，循环水系统防腐蚀主要任务就是要防止凝汽器(换热器)换热管的腐蚀。

凝汽器(换热器)换热管腐蚀，会造成大量金属损耗，要确定一根泄露管子准确位置排除其泄露，需耗费较大人力、物力，若凝汽器出现大面积穿孔泄露腐蚀时，必须停止设备运行换管，严重时将导致发电量减少，凝汽器泄露后对炉内汽水系统也会产生极大影响，严重威胁机组安全稳定运行。

2.2 影响循环冷却水系统腐蚀主要因素

(1)pH值。电厂循环水pH值控制在8.5～9.0之间，当循环水系统采取加酸处理时若控制不当会使循环水pH值控制低于7.0以下，会对冷却系统造成酸性腐蚀风险。

(3)阴离子含量。循环水中阴离子种类与金属腐蚀速率有密切关系，其中卤素离子，如Cl-、Br-、I-均属于侵蚀性离子，浓度高时能穿透金属表面保护膜，增加其腐蚀的阳极反应速率，导致发生局部腐蚀；若金属材料中残余应力未消除或有较高温度时，即使低浓度氯离子也可能造成金属应力腐蚀开裂。

(4)溶解氧。氧在循环冷却水中对一些金属腐蚀起着重要作用，在腐蚀着的金属表面上，它起阴极去极化作用，促进金属腐蚀。

敞开式冷却水系统中，溶解氧是饱和氧，一般为6 mg/L～8 mg/L，会造成铜及其合金表面发生氧腐蚀，同时在粘泥及污垢下铜管会因氧浓度差形成腐蚀电池，贫氧区金属为阳极，使铜管受到腐蚀。

(5)有机物。循环冷却水中有机物含量高，会为水中异氧菌提供充足营养源，造成菌类大量繁殖，容易形成微生物腐蚀。另外，有机物含量高会不同程度消耗部分缓蚀剂，降低其缓蚀能力，间接加剧循环水系统腐蚀趋势。

(6)悬浮物。悬浮物表示水中悬浮物质含量，易在管道、设备内沉积，悬浮物来源为泥土、砂粒、尘土、粘泥等不溶性物质，敞开式循环水系统最为明显，其易在变工况时在冷却器管内表面形成疏松沉积物，引起垢下腐蚀。

(7)流速影响。金属腐蚀主要是耗氧腐蚀，而腐蚀速度又与氧扩散速度有关。金属腐蚀速度随水流速的增加而增加。水流速增加将使金属管壁与水接触边界层变薄而有利于溶解氧扩散至金属表面；同时流速较大时水流具有剪切力可冲去沉积在金属表面的腐蚀产物，使溶氧向金属表面扩散量增加，加剧金属腐蚀。如流速进一步增加，金属表面提供氧量达到足够饱和状态，可形成钝化膜，起到缓蚀保护作用。

(8)温度。一般情况下金属腐蚀随温度升高而加剧。温度升高，循环水中物质扩散系数增加，水中溶解氧浓度随温度升高而降低，但由于扩散速度加快，导致氧的去极化作用更易发生，使金属阳极溶解过程加速，以上因素会加快金属腐蚀速度。

2.3 水质缓蚀剂的选择

目前火电厂循环水大部分采用缓蚀剂投加来减缓系统腐蚀，一般目前针对铜及铜合金缓蚀剂量主要以芳香唑类缓蚀剂为主。同时随着水质处理技术的发展，采用复合缓蚀剂比单一品种缓蚀剂应用更广、效果更好。复合缓蚀剂具有较好协同效应，与单一缓蚀剂相比，复合缓蚀剂具有以下特点：

(1)提高了缓蚀效率并降低缓蚀剂的使用浓度，降低水处理的成本。

(2)具有多效性，可抑制循环水中多种金属的腐蚀。

(3)可防止循环水系统冷却设备的金属表面上形成水垢或污垢，有利于缓蚀剂到达金属表面，提高其缓蚀效果和防止垢下腐蚀。

(4)克服某些易于沉淀缓蚀剂在循环水中不稳定而析出的问题。

3 循环冷却水杀菌处理

在敞开式冷却水系统中，微生物危害往往与结垢、腐蚀并列为三大危害。微生物既能促进污垢沉积、也能促进腐蚀，危害性较大。

3.1 循环冷却水系统常见微生物及其危害

微生物一般通过补充水或冷却空气进入循环水系统中，敞开循环水系统由于存在很多对微生物生长有利的条件，使得微生物易于繁殖。

3.2 微生物对金属腐蚀主要体现

3.2.1 微生物代谢产物对金属的腐蚀

微生物代谢产物多种多样，可直接或间接造成金属腐蚀。好气性硫细菌能利用溶氧将硫化物与硫磺氧化为硫酸，从而使局部区域pH值降至低于5，对该局部金属产生腐蚀；藻类呼吸产生二氧化碳，降低循环水pH值；有些代谢产物会影响金属氧化还原电位，使缓蚀处理失效。

3.2.2 形成氧浓差电池腐蚀

由于微生物代谢作用引起氧和其他化合物的消耗，从而形成浓差电池。在氧浓差电池中，缺氧区金属表面成为阳极，发生金属溶解；有氧区金属表面成为阴极，发生氧去极化作用。氧浓差电池建立促进了金属的腐蚀。

3.2.3 阴极去极化作用

在缺氧条件下，硫酸盐还原菌可从铁阴极表面去除氢原子，使阴极反应加快，促进阳极溶解，加速腐蚀。

3.3 循环冷却水系统微生物控制

目前，在循环冷却水中投加杀菌剂是火电厂较普遍采用的控制微生物的措施，杀菌灭藻剂按照作用性能可分为杀菌、灭藻作用，抑制细胞增殖作用，剥离和分散作用。一般常用杀菌剂兼有以上功能，目前电厂常用杀菌剂有：氧化性杀菌剂(如氯气、二氧化氯、次氯酸钠等)和非氧化性杀菌剂(如异噻唑啉酮、其它复合杀菌剂等)。

4 结论

火力发电厂是工业耗水大户，而敞开式循环冷却系统用水又占到电厂总用水量的40%～70%，循环冷却水是电厂用水量主要组成部分，因此循环水水质好坏直接关系到凝汽器及各冷却换热器的结垢与腐蚀问题，是火电厂机组安全可靠运行必须给予足够重视的基础条件之一。

通过上述对电厂循环水化学腐蚀结垢影响因素分析与控制研究，做好循环冷却水腐蚀结垢各类形成因素的规避与控制，做好水质稳定剂、缓蚀剂、杀菌剂等水处理药剂的动态模拟试验与药剂筛选，根据各自电厂实际制定一套行之有效的循环冷却水处理方案是很必要的，对确保电厂循环冷却水系统的长周期、安全、经济运行具有重要的意义。