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1、湖北省电机工程学会电厂化学专委会 2007 年学术年会论文 1冷却水系统污垢形成原因的诊断 周柏青（武汉大学水质工程系，中国 湖北 武汉 430072） 摘 要 冷却水携带微量淤泥一般难以觉察，本文以分析鸭河口发电厂冷却水系统的污垢问题为契机，从冷却水、污垢、淤泥、微生物和黏泥诸方面进行了成份分析与比较，经过诊断，找到了形成污垢的物质来源淤泥，指出对于直排式冷却水系统的日常水质监测，应增加淤泥监测项目，冷却水取水口应距离水底足够高度。 关键词 冷却水，污垢，换热器 全世界共有大型水库 40000 座，总库容 6815km3，仅中国就拥有坝高在 15m 以上的水库12517 座。水库水既是重要的
2、农业灌溉和生活用水水源，又是重要的工业用水包括冷却用水水源。目前，水库淤积是全球普遍存在的问题，由于水库淤积，每年损失 0.5%1%的总库容，对工业用水系统的安全运行所构成的潜在威胁也逐年增加。但是，冷却水携带的淤泥量较少，难以发现，对此应该引起足够重视。 在中国，工业冷却水系统中直排式约占 50%，鸭河口发电厂就是一例。该厂位于中国河南省南阳市郊，装机容量 2350MW，1997 年建成投产，每次大修或每年小修都发现，冷却水系统中换热器（包括凝汽器）的冷却水侧普遍附着有约 1mm 厚的污垢。该厂处置污垢的方法是每年小修时清洗 1 次，但污垢形成原因尚不清楚。当今中国经济快速发展对电力的旺盛需
3、求，迫切需要该厂再建 2 台 600MW 发电机组，由于污垢问题比较突出，冷却水源的选择成为困扰人们的头等大事。为了制定针对性强、技术可行、经济合算的解决该厂污垢问题的方案，确定再建机组的冷却水源，需要查明污垢的形成原因。根据该厂冷却水系统、污垢外观和冷却水源等特点，初步锁定污垢成份的可能来源为：冷却水中某种常规监督化学物质、淤泥和微生物。因此，通过对比测定污垢、水质和淤泥的物理化学成份，结合微生物含量检测，借鉴其他冷却水系统运行控制经验，可以得到该厂污垢形成原因的诊断结论。 1 冷却水系统 该厂冷却水取自鸭河水库东南岸水库，冷却水(常规监督指标及水质见表 2)的取水口和排水口重叠布置，即冷却
4、水的排水口居上，取水口居下而位于水库底层。冷却水泵从取水口抽吸温度较低的水库底层水，经由2400mm 碳钢管道输送至厂区换热器，升温后经 24002400mm 方型水泥管道输送至水库排水口排放。 冷却水流量 5729292332t/h， 冷却水温 1838。冷却系统中的换热设备主要有凝汽器、密封油冷却器、润滑油冷却器、液压油冷却器、空气冷却器、压缩机冷却器、发电机氢冷却器和定子水冷却器等共 60 余台。最大换热设备为汽器器，冷却面积 20165m2/台，由长 9.42m、24.50.7mm 的不锈钢管束组成。 2 污垢 鸭河口电厂所有换热设备中的污垢呈黑色，表层污垢比较松散，用手即可抹掉，底层
5、污垢附着力较强，但用 5560MPa 的高压水可以冲掉。 对凝汽器的回水室、冷却水泵导翼表面、换热管(板)等 7 个部位的污垢进行了分析。 2.1 溶解性 湖北省电机工程学会电厂化学专委会 2007 年学术年会论文 2在 40条件下将污垢分别浸泡在酸、碱和杀菌剂的溶液中 24h，结果表明污垢难溶于浓度低于 10%的 HCl、10%的 NaOH、50%的氨水以及 500mg/L 的氯化十二烷基二甲苄基铵溶液，但易溶于 15%的 HCl。 2.2 灼烧损失 将污垢于 105干燥至恒重，然后分别测定其 550灼烧损失和 950灼烧损失，其值依次为 14.33%27.59%和 2.12%4.17%。
6、2.3 元素组成 用电感耦合高频等离子体发射光谱(ICP)分析了污垢化学元素，部分结果见表 1。 表 1 污垢元素组成(%) 污垢来源 Al Fe Ca Mg Na Si S P 1#凝汽器 17.54 32.58 7.02 19.52 3.66 12.16 5.09 2.43 2#凝汽器 18.61 22.42 6.44 17.97 7.86 16.38 8.02 2.30 3#冷油器 21.43 23.93 5.27 16.97 4.28 21.06 5.42 1.64 2.4 蛋白质 污垢中蛋白质含量为 0.3%0.5%。 2.5 电镜相貌 污垢扫描电镜(SEM)相貌的部分结果见图 1。
7、 1#凝汽器甲侧回水室管内污垢 1#交换器中污垢 #冷却水泵导冀表面污垢 2#凝汽器甲侧回水室内污垢 图 1 污垢 SEM 相 湖北省电机工程学会电厂化学专委会 2007 年学术年会论文 33 冷却水水质 表 2 是该厂与中国 5 家电厂冷却水水质汇总。 表 2 中国若干电厂直排式冷却水水质 序号 项目 单位 河南省注鸭河口电厂广东省 茂名热电厂湖南省耒阳电厂广东省汕尾电厂江西省 丰城电厂 湖北省 青山电厂 1 水源 - 水库水 河水 河水 水库水 赣江水 长江水 2 pH 值 - 7.018.53 6.67.4 7.387.6 6 7.17.2 7.207.61 7.647.703 全固形物
8、 mg/L 124169 112126 114187 - 119209 246258 4 溶解固形物 mg/L 115166 86118 109164 24.539.2 87116 193223 5 悬浮物 mg/L 0.404.9 740 3.128.4 9.29.6 3101 - 6 550灼烧损失 mg/L 2579 - - - 20.8 - 7 全硬度 mmol/L 0.562.03 0.330.55 1.351.7 50.140.221.001.19 2.423.108 全碱度 mmol/L 0.962.15 0.330.57 1.01.510.200.240.701.05 1.90
9、2.329 酚酞碱度 mmol/L 0 0 0 0 0 0 10 Ca2+mmol/L 1.151.98 0.020.51 1.04.9 0.090.160.750.98 - 11 Mg2+mmol/L 0.391.01 0.010.45 2.74.2 0.040.060.070.30 - 12 Na+mmol/L 0.100.52 0.210.36 2.23.8 0.180.230.110.34 0.590.6513 Cu g/L - 4.420.7 5312 - 13116 - 14 Fe g/L 10120 76278 - 150200 353648 - 15 R2O3 mg/L 012
10、 3.515.8 - - 0.551.19 - 16 OH-mmol/L 0 0 - 0 0 - 17 CO32-mmol/L 0.000.14 0 0 0 0 - 18 HCO3-mmol/L 0.952.15 0.180.38 1.01.51 0.140.2 0.711.05 - 19 Cl-mmol/L 0.040.22 0.170.34 3.55.4 0.070.190.090.21 0.41 20 SO42-mmol/L 0.320.59 0.350.49 8.0220. 50.070.090.210.44 0.771.0421 PO43-mg/L 0.162.22 00.25 -
11、- 0.645.72 - 22 NO3-mmol/L 0.010.06 0.24 - - 0.010.04 0.050.0623 全 SiO 2 mg/L 3.711.3 1113 - 3.986.554.498.05 - 24 可溶 SiO 2 mg/L 0.0511 3.812.5 11.218. 61.255.813.717.59 5.835.6425 胶体 SiO 2 mg/L 0.347.9 0.54 - - 0.460.78 - 26 CODMn mg/L 1.32.1 11.53 1.462.2 41.255.812.133.01 6.8012.6注： 1997 年 12 月 1
12、6 日至 2004 年 8 月 9 日间 21 份水质全分析数据变化范围。 4 微生物 分别于 2003 年 9 月、12 月、2004 年 2 月、5 月和 10 月从取水口周边水域和换热器冷却水入口共 11 处取水样分析其微生物含量。结果显示，水库水和冷却水中细菌含量不高，其中黏泥形成菌700 个/毫升，真菌10 个/毫升；铁细菌35 个/毫升；硫酸盐还原菌5 个/毫升。 湖北省电机工程学会电厂化学专委会 2007 年学术年会论文 45 淤泥 该厂冷却水取水口位于水库底部，可能吸入淤泥。在离取水口 10100m 的周边区域设置了 7 个淤泥采集点。在现场，从这些采集点取出的淤泥外观均为黑色
13、，与凝汽器和换热器的污垢颜色接近，而且所有采集点都有较多淤泥。 5.1 灼烧损失 淤泥 550和 950的灼烧损失依次为 7.73% 21.96%和 1.07%4.98%。 5.2 元素组成 表 3 是淤泥的元素组成。 表 3 淤泥元素组成(%) 取样地点离取水口距离/m Al Fe Ca Mg Na Si S P 10 28.88 19.92 1.86 11.62 6.22 23.50 6.00 2.00 50 25.02 22.56 4.78 13.77 5.50 21.04 3.92 3.41 5.3 淤泥厚度 经 320M 回声测深仪测定1，循环水泵取水口附近有 30550mm 厚的淤
14、泥。 5.4 淤泥的迁移与转化 5.4.1 条件 这里，称淤泥迁移所需要的最小水流速度为起动速度。设取水口库底水流速度为 u，起动速度为 U。当 uU，则淤泥就会随水流进入冷却水中，或者说循环水泵在抽吸淤泥。(1) u：经计算，离冷却水泵吸水口 27m 处过水断面处水流平均速度为 0.02m/s。(2)U：经测定，取水口附近淤泥的起动速度为 0.01m/s。 5.4.2 表现 当冷却水携带的淤泥量较少时，肉眼难以发现，但它对冷却水系统的运行有较大影响。目前，尚没有检测冷却水中淤泥含量的标准方法。笔者借用孔径 0.064mm 的生物滤网捕捞的方法，近似检测了水中淤泥含量。滤网在单位体积水中所捕获
15、的淤泥体积称黏泥量，单位为 mL/m3。 (1)黏泥量：循环水泵出口水(即冷却水)黏泥量为 56.5mL/m3，而水库水(离泵约 400m处的水下 1m)为 0.1mL/m3，图 2 是这两处水的滤网捕捉物外观，可见冷却水黏泥量明显多于水库水。根据中国循环冷却水水质控制经验1、2，冷却水中黏泥量应低于 4mL/m3。 混合后 沉淀后 图 2 循环水泵出口水与水库水中黏泥水样 湖北省电机工程学会电厂化学专委会 2007 年学术年会论文 5(2)黏泥相貌：凝汽器和换热器的污垢中夹杂的微生物遗骸很容易在循环泵出口水黏泥中找到，示例如图 3，但电镜搜索结果表明它在污垢或黏泥所占比例不大。 换热器中污垢 循环水泵出口水黏泥 (取样日期：2003 年 09 月 24 日) (取样日期：2004 年 10 月 06 日) 图 3 污垢与黏泥中的生物遗骸 (3)黏泥元素：对图 2 中左边量筒中的沉淀物进行了元素分析，发现冷却水泵出口水比水库水多检测到了 Fe 和 Al。 (4)黏泥向污垢的转化：图 4 是 2004 年 5 月 5 日循环水泵出口水中黏泥经过 23 天后放置逐渐聚集成的团块，颜色类似污垢的黑色。 将
