发电厂尖峰冷却循环系统的结垢与防治研究

＊刘韶军 张宇 潘志伟 褚家范 胡政 张立强

（1.国家能源集团山西电力有限公司 山西 030021 2.北京华智立恒科贸有限公司 北京 100010）

引言

随着科学技术的进步和对新能源的不断追求，以风力发电、太阳能发电、潮汐能发电等为代表的新型发电技术在国内外均已得到迅猛发展，但是燃煤火力发电厂依旧占据了我国电力生产的主导地位。为提高发电厂的综合效益，服务当地社会民生，火力发电厂的循环冷却系统冬季时会将一部分热量通过凝汽器与城市供暖循环水系统相连，以解决部分市政供暖的问题。夏季市政供暖停止，采用风冷发电机组的火力发电厂面临环境温度过高、空冷岛循环冷却系统散热能力不足的问题。此时，发电机组背压增大，燃煤经济性恶化。在高温时，发电厂甚至不得不降低机组的出力以确保机组平稳安全。为解决这一问题，尖峰冷却循环系统正逐渐被引入到火力发电厂以对发电机组提供辅助冷却，确保其在夏季高温时期的高负荷正常稳定运行。但尖峰冷却循环系统多采用开式循环，且使用硬度较高、结垢离子较多的城市中水作为循环用水。水体浓缩倍率、流速、温度和压力的变化，使得其在管壁和凝汽器两端极易生成硬质水垢，而水垢的生成会减小管道的流通面积，增加水体的流动阻力，恶化尖峰冷却系统的换热能力，进而限制了高温期间发电机组的负荷率并降低燃煤经济性。

陈继军等[1]对电厂空冷发电机组尖峰冷却循环系统的喷水降温过程进行了分析，并对实际过程和理论过程进行了对比。李佳琦[2]通过检验水质指标是否合格来对尖峰循环水冷却系统的结垢因素进行了深入地探讨。现有的防垢除垢方法主要包括物理清洗、化学清洗和机械清洗等方法。物理清洗包括高压水冲洗和喷砂等；化学清洗则使用化学药剂进行垢层溶解；机械清洗则利用机械设备进行刮除或剥离垢层。李想等[3]针对空冷发电机组尖峰冷却循环系统管束产生的水垢提出了化学喷淋清洗、机械辅助除垢以及压力水清洗等三种方式，并比对了实际的除垢效果。张少峰等[4]利用多相流来进行除垢。

目前，使用电磁等新技术来进行防垢除垢具有高效、环保和能耗低的特点，能够有效地除垢和防垢。刘科[5]对国内外的变频电磁防垢方法进行阐述，对现阶段变频电磁防垢技术存在的问题进行了罗列。但现有研究仍然存在譬如成本较高，在实际应用中的效果还需要进一步验证和优化等。本文简单介绍了电厂空冷机组的尖峰冷却系统，然后对其结垢原因进行了分析，对现阶段常用的防垢阻垢方法进行了探讨和比较。

1.尖峰冷却系统简介

图1为某发电厂加入尖峰冷却系统的流程示意图。尖峰冷却循环系统从空冷发电机组的直接空冷排气管道分流一部分高温蒸汽，再用尖峰循环冷却水通过附加的表面式凝汽器将其冷凝为凝结水，提供对空冷发电机组的辅助冷却，以确保高温期间机组的平稳、满发和良好的燃煤经济性。高温凝结后的水被输送回发电机组的回热系统，而温度升高的尖峰冷却水经循环水泵送入湿式机力通风冷却塔进行循环冷却。

图1 尖峰冷却系统流程图

因此，尖峰冷却系统主要由蒸发式凝汽器、冷却塔、水循环系统及风机四部分组成。通过将一部分水蒸发成蒸汽过程的汽化潜热来带走大量热量。水蒸汽在风机风力的作用下随热空气一起上升，被挡水板阻挡后的飘逸率很小，不到0.001%。因此，尖峰冷却系统使用过程中只要补充很少的水量即可满足运行要求。

2.尖峰冷却系统结垢的分类及原因

由于尖峰冷却系统多为开式循环且水体硬度偏高，在流速、温度和浓度变化剧烈的管道内壁和凝汽器两端极易出现结垢积垢问题。垢体主要分为硬垢和软垢[6]。

(1)硬垢

城市中水和地下水中存在多种盐类，其中以碳酸氢盐（HCO3-）居多，化学性质非常不稳定，极易分解成碳酸盐。当冷却水中含有的碳酸氢盐过多时，在通过换热器的传热表面时会被热量分解生成碳酸钙。其反应化学方程式如下：

尖峰冷却循环水流经空冷塔时，化学反应产生的CO2会逸出，使得水体的pH值升高，形成碱性环境，使得碳酸氢盐进而发生如下反应：

此外，水体中的氯化钙也会与碳酸根离子发生置换反应：

当水体中含有磷酸盐时（譬如使用含磷阻垢剂）,钙离子将和磷酸根反应生成磷酸钙。

由无机盐（譬如碳酸钙和磷酸钙等）组成的水垢，致密且坚硬，附着在管道和换热器表面后非常牢固，几乎不会被循环水冲洗掉。多数情况下，管道内壁和凝汽器传热面产生的硬垢主要为碳酸钙。

(2)软垢

软垢主要由各种杂物、油渍/污、锈渍、微小的硬垢泥状颗粒、菌藻腐蚀质等组成，它们在流速较慢的弯管管道内部和热交换器两侧端面集聚和沉积，显著降低换热器的传热效能。

软垢中的菌藻腐蚀质是尖峰冷却系统腐蚀的主要原因，但软垢体积较大、质地柔软、不紧贴、易清洁，多数情况只需用水清洗即可去除。

3.尖峰冷却系统防垢阻垢方法及探讨

尖峰冷却系统现有的防垢阻垢技术一般分为以下几大类：传统的化学防垢剂、基于表面的防垢技术以及基于声和磁的物理方法等。其中，磁处理方法又包括固定磁场处理法和电磁处理法。

(1)传统的化学防垢剂

化学防垢剂是最早被使用的防垢阻垢方法。在油田管路防垢方面，目前主要采用羟基螯合剂或含有羧基的防垢剂来对溶液中的阳离子进行螯合。羧基水解后带负电，微晶间相互排斥，使它们悬浮在输出溶液中，不容易附着在管道表面上。但是化学防垢剂的合成过程复杂，成本较高。考虑到处理时水样的复杂性，为了保证良好的防垢效果，阻垢剂使用时的比例和类别需随水样改变而改变。化学防垢剂的使用会污染周围的水质。

(2)基于表面的防垢技术

即通过改变材料的表面特性以达到防垢的效果。目前，镍基合金镀层（包括镍磷二元合金复合镀层）和超疏水性（Superhydrophobic）涂层因具有较低的表面能，正逐渐被用于减缓金属材料的表面防垢[7]。然而目前超疏水涂层的表面化学性、阻垢性以及表面形貌之间的关系未确立，尚需要进行进一步的深入研究。此外，大多数超疏水涂料/涂料的制备方法中均引入含氟化合物来降低表面能，制备工艺仍仅限于实验室，尚不能进行规模化的工业生产和使用。引入涂层中的氟元素也会逐渐流失，使得涂层的疏水性逐渐降低，不能满足长时间的重复使用，且含氟化合物对人体和自然环境也都有一定的潜在危害。

(3)基于超声波和电磁的物理防垢阻垢方法

①超声处理法

超声波除垢阻垢通过超声波发生器、传声系统和换热器内的换能器等，利用高频机械震动在流体中传播，使垢体分散、粉碎、松动，从而达到除垢的目的[8]。它可以防止成垢物质附着在管壁上，其机理主要包括剪切应力效应、高速微涡效应和超声凝聚效应等。

②磁处理法

磁处理法一般分为固定磁场处理和电磁处理[9]。其中发电厂更多的是用到电磁处理方法，其原理如图2所示。

图2 电磁防垢原理示意图

电磁防垢阻垢技术采用脉冲或方波型电流（电流变化率为2000～24000次/s）来驱动缠绕在管道外壁的线圈。变化的电流引起线圈内部的快速磁通量变化（见图2），而磁场强度又与电流和线圈的匝数成正比。当水流穿过交变电磁场时，在电磁场的诱导下，水中的结垢离子（如 Ca2+、 CO、 SO等）在电磁场作用下共振碰撞，加快了成核速度，使结垢离子迅速形成粘附力弱、颗粒非常小的“渣型”文石和齿形石晶体。同时，由于他们具有相同的电荷，因为它们的表面可以抵消可变磁场提供的能量并携带相同的电荷，因此它们不会继续生长成大于150μm的碳酸钙晶体。悬浮在废水中的微晶，除了小部分在管道内壁上形成厚度小于0.1mm的保护膜外，大部分留在冷却循环水中或待浓缩倍率达到设定值时与废水一起排放，从而达到整个系统防止水垢形成和抑制水垢形成的目的。

电磁防垢无需使用化学试剂，不会对环境产生危害，使用的设备操作简单，服务期限长，运营成本较低。通过调节电流的交变频率，电磁防垢可以适应不同的管路材质、不同的管道内壁情况（如光洁度、粗糙度等）、不同的流体流速和不同的流体温度，并获得最佳的防垢阻垢效果[10]。

4.总结

综上，发电厂尖峰冷却系统结垢的过程涉及方方面面，影响因素众多。目前的技术存在诸多限制，每种防垢除垢技术通常只适用于特定的水质和工艺条件且成本高昂。因此，未来对于尖峰冷却系统除垢防垢的研究在提高技术的可行性、适用性、长效性和可靠性的同时，也要致力于降低技术成本，并加强与环境法规的整合。

此外，还需要针对不同类型的垢层进行更深入的研究，开发针对性更强的防垢除垢技术，以满足发电厂的特定需求，推动发电厂的防垢阻垢向着无磷无氮、低碳和绿色环保的方向发展。