基于重复性的单元机组冷却水塔内循环水回收利用技术

王闯

摘 要 为了避免循环水长期停用造成大量污水排放，同时针对单元机组频繁启停和长时间停运，无法实现对临机冷却水塔内循环水回收利用的问题，提出基于重复性的单元机组冷却水塔内循环水回收利用技术。分析循环水对单元机组冷却水塔的腐蚀速率，获取单元机组冷却水塔液位和循环水的水质，采用优化循环水系统的运行方式，结合循环水系统运行方式和设备特性，实现单元机组冷却水塔内循环水的重复性回收利用。实验结果表明，经该方法优化循环水系统的运行方式之后，两台机组冷却水塔的腐蚀率都达到了国标要求，产生了一定的经济效益，强化了循环水系统的重复利用性，进而提高了机组的安全可靠性。

关键词 循环水 回收利用 重复性 冷却水塔 单元机组 腐蚀速率

中图分类号 TM223   文献标志码 B   文章编号 1000?3932（2024）01?0133?05

在我国北方，以湿法制冷为主的热电厂，其循环用水大部分是来自冷却水系统［1］。在系统运行过程中，采用循环泵将冷却水引入冷凝装置进行热交换，然后将冷却水通过冷却水塔冷却后进入冷却水塔的底层蓄水池，最后通过循环泵将其输送到凝汽器中进行循环利用，但由于两个冷却水塔之间没有连接管道或潜泵，因此不能对冷却水塔的内循环水进行再生利用，也不能提高冷却水塔的循环水质量［2］。随着新能源发电装置规模的不断增加，对环境保护的要求越来越高，燃煤电厂的开关率也越来越高，已成为一种普遍现象［3］。2018年，国能孟津热电有限公司两套600 MW机组17次启动、停机，造成塔内大量循环水长期停用，大量的污水被排放，因此，对冷却水塔内循环水回收利用技术进行研究具有十分重要的意义。

陈杰等通过模拟计算，在电厂冷凝器内增加了一组高效的热源，实现了对冷凝器的再热回收［4］。根据夏季机组的实际运行情况，在冬季进行抽汽供暖时，对4.9 kPa和280/250 MW的电负荷进行了计算，得出了不同环境温度下机组的热负荷，确定了相应的凝汽器分区运行模式，电站实验结果显示，相比于传统的分区式冷凝系统，引入了换热器区域之后，可以在冷热系统中回收剩余蒸汽，从而得到更多的余热，具有更好的经济效益和社会效益。胡大龙等针对循环废水的水质特性提出了一种回收处理方法［5］，实验结果证明，加强混凝能够去除废水中的部分有机物，去除COD和TOC的效率均为61.2%，对膜体系造成的有机污染也会有所缓解；在二次软化处理中，Ca2+的脱除率可以达到86.5%，Mg2+的脱除率可以达到92.5%，总磷的脱除率可以达到97.9%，全硅的脱除率可以达到84.3%，TOC的脱除率可以达到27.4%。RO的产水可以用作锅炉的补充用水，而RO的浓缩水则可以用作烟气的脱硫处理。

基于以上研究背景，笔者利用重复性原则，对火电厂单元机组冷却水塔内的循环水进行回收利用，实现循环水的重复性利用。

1 内循环水回收利用技术

1.1 内循环水系统概况

目前，电站实施了废渣处理的节能措施，采用弱酸法对单元机组冷却水塔内循环水进行处理后［6］，再将辅助机组的冷却液补充到循环水中［7］。现有的水厂循环水补给能力为1 800 t/h，排放水量400 t/h，其浓缩倍数约为3倍。大部分的废渣、废水已经全部被循环利用，没有再从外部排放［8，9］，从而大幅度减少了灰和渣系统的耗水量，使循环水的排放废水不能进入灰渣系统。为了节约能源，达到环境保护要求，发电厂要求污水处理达到零排放。

1.2 分析循环水对单元机组冷却水塔的腐蚀速率

国能孟津热电有限公司的两台600 MW机组，分别采用SUS304和SUS316L两种不锈钢作为冷却水塔的材料，由于循环水呈碱性且含有氯离子，会加速冷却器的腐蚀，因此，在不同浓度下，分析了氯离子和硫酸根离子共存时，氯离子对两种不锈钢的腐蚀情况，如图1所示。

对不锈钢SUS304和SUS316L的腐蚀情况

由图1可以看出，当氯离子的浓度低于600ppm（1ppm=1×10-6）时，没有发生任何的腐蚀现象；当氯离子与硫酸根的浓度在600ppm以上时，腐蚀介质明显增多，出现了腐蚀现象。

水中氯离子与碱度共存时，氯离子和碱度不同比值r对不锈钢SUS304和SUS316L的腐蚀速率如图2所示。

从图2中可以看出，当氯离子的浓度一定时，碱度越大，两者的比值r就越小，不锈钢的平均腐蚀速率越小；当氯离子的浓度一定时，碱度越小，两者的比值r就越大，不锈钢的平均腐蚀速率越大。因此，在增加氯离子的含量时，适当增大溶液的碱度，可以有效阻止腐蚀的产生。

当前，在循环冷却液中，硫酸根离子的浓度在1 000～1 200ppm之间，而总碱度在50～80ppm之间，因此，要想将氯离子的控制量提升到700ppm，就必须调整硫酸根离子和碱度的控制量［10］，以抑制过高的氯离子浓度对腐蚀速率的影响。

1.3 获取单元机组冷却水塔液位和循环水的水质

利用超声波液位计获取单元机组冷却水塔的液位，超声波发射的波长和反射波长符合重复性原则。首先在超声波的反射波长范围内，将传感器探头安装在水塔顶部，然后利用超声波的重复性原则［11］，穿透冷却水塔的液体对循环水的水质进行检测，最后将测量结果反射到传感器探头上。

假设超声波在冷却水塔中的传输距离为Xc，传输时间为t，超声波在空气中的传播速度为vq，那么存在如下关系：

根据式（1），可以获取两台单元机组冷却水塔的液位，从运行参数控制和化学监督角度考虑［12］，国能孟津热电有限公司的冷却塔，其高度为1.40～1.75 m。

1.4 优化循环水系统的运行方式

在单元机组启停期间，根据两台机组冷却水塔液位，对水塔内的循环水进行适当的重复性利用，可以有效地减少备用机组循环水系统启动时间，提高汽轮机的循环水质量。在正常工作期间，根据两台机组冷却水塔内循环水的氯离子浓度，通过连接式潜水泵，对两个冷却器的循环水进行调节［13］，以提高循环水的质量，从而实现人工调节污水排放的目的。

为实现上述目的，对循环水系统的运行方式进行了优化，如图3所示。

国能孟津热电有限公司两台600 MW机组采用了双曲线自然通风的逆向循环水冷却器，其外部构造如图4所示。

冷却水塔的相关参数如下：

冷却塔总高度H 150 m

底部直径dB 113.39 m

水池直径 117.4 m

水池深度 2 m

进风口高度 10 m

喉部直径 67 m

出口直径dA 70 m

淋水面积 8 540 m2

1.5 工艺流程

单元机组冷却水塔内循环水回收利用的工艺流程如图5所示。

图5中，由于热交换器1具有吸收热量的作用，因此循环水通过入口管道被输送到热交换器1中进行降温，然后流入蓄水池或者凝汽器中。并利用热泵冷却系统对凝汽器排出的凝结水进行加热，完成热量回收。

1.6 实验方法

在两个单元组冷却器的冷却塔间加装一根联络管道，并在每个冷却器中各加上两个7.5 kW的水泵，其工作电流为15 A，额定输出能力为100 t/h，现场设有一个电源控制器（电源从附近提供）。可根据冷却塔的水位和水质状况，对两个水泵进行灵活调节［14］。

按照上述方法，将实验时间设定为2022年5月1日～2022年6月19日，分别在单台机组运行和两台机组运行情况下，对单元机组冷却水塔内循环水重复性利用情况进行测试。

当运行机组循环水中氯离子浓度小于850ppm时，将备用装置冷却塔内的循环水引入到运行单元进行再利用。

当运行机组循环水氯离子浓度大于900ppm时，将机组冷却水塔内的循环水排到备用设备中，增加机组冷却水塔的补充水量，从而提高单元机组冷却水塔内循环系统的水质。

2 结果分析

利用上述实验方法，测试了国能孟津热电有限公司两台600 MW机组冷却水塔腐蚀速率与氯离子浓度、碱度的关系，如图6、7所示。

根据图6可知，红色框内，氯离子浓度在600～700ppm，因碱度控制在80ppm左右，所以腐蚀速率控制在1 mpy（1 mpy=0.0254 mm/a）左右；黄色框内，氯离子浓度在700ppm左右，碱度在60ppm左右，因碱度缓冲能力下降，使氯离子加剧腐蚀，腐蚀速率在2 mpy左右；蓝色框内，当氯离子浓度在700～850ppm，碱度在60ppm左右，腐蚀速率有时超过了3 mpy。

根据图7可知，红色框内，氯离子浓度在650～800ppm，碱度在40～80ppm时，冷却水塔腐蚀速率平均约为2.5 mpy；黄色框内，氯离子浓度在650ppm，碱度在40ppm左右时，氯离子的腐蚀反应加剧，冷却水塔腐蚀速率为1.5 mpy左右；蓝色框内，当氯离子浓度为550～650ppm，碱度在60ppm左右时，冷却水塔腐蚀速率平均约为0.8 mpy。

根据以上结果，对比了两台机组的冷却水塔腐蚀速率，具体见表1。

从表1的结果可以看出，优化了循环水系统的运行方式之后，两台机组冷却水塔的腐蚀速率都达到了国标要求（小于3 mpy），可避免备用机组长期停用时冷却水塔内暂存的循环水水质恶化，从而实现单元机组冷却水塔内循环水的回收利用，强化了循环水系统的重复利用性。

3 经济性分析

采用新的冷却水塔循环水运行模式，可以防止在备用设备长时间不使用期间，冷却水塔中的循环水质量下降，从而实现重复性利用。启动停备机组后，将运行在机组冷却水塔内的循环水排到备用设备中，使系统的启动时间缩短最少一个小时。国能孟津热电有限公司2×600 MW机组，循环水的补给来源为城市用水，备用水为黄河水，在常规操作中，冷却塔的水位控制在1.40～1.75 m（相应水量14 000～17 500 t），当机组停机后，采用优化后的循环水运行方式，可回收循环水量约15 000 t，对其回收利用后，节约水费大约34 500元（中水价格为每吨2.3元），若没有优化循环水的运行方式，将造成此循环水外排，产生外排废水费用约1 350元（排污费单价为每吨0.09元），共计产生经济效益约35 850元。

4 结束语

提出了基于重复性的单元机组冷却水塔内循环水回收利用技术，强化了冷却水塔内循环水系统的重复利用性，有效提高了机组的经济效益。在今后的研究中，还要继续挖掘设备的潜力，使设备在最优运行状态对循环水进行重复利用。

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