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1、火力发电厂循环水系统水质特征及控制,安徽省电力科学研究院 化学研究所,主要内容,电厂循环水系统概况 循环冷却水中金属的腐蚀及其控制 循环冷却水系统中的沉积物及其控制 循环冷却水系统中的微生物及其控制 循环冷却水系统的日常运行 循环水系统新型处理方式简介,循环冷却水处理概况,火力发电厂为工业用水大户，主要包括炉内水汽系统、循环冷却水系统、发电机内冷水系统、废水处理系统等，其中循环冷却水系统用水量最大，约占电厂总用水量的75%90% 以上。 电厂循环水系统主要作为凝汽器的冷却用水，同时也作为某些电厂氢冷器、冷油器等辅机设备的冷却用水。 随着国家节能减排的要求，电厂的取水费用不断增加，循环水的节水成
2、为电厂节约用水的主要工作。,冷却系统的类型,冷却水仅通过换热设备一次，用过后就排放掉。不需要其他冷却水构筑物，因而投资少、操作简单，但是冷却水的操作费用大，且不符合节水的要求。,1 直流冷却水系统,图1 直流冷却水系统,2 密闭式循环冷却水系统,冷却水密闭循环，并交替冷却和加热，而不与空气接触。水的再冷通常通过另一台换热设备用其他冷却介质冷却的。一般用于发动机、内燃机或有特殊要求的单台换热设备。,图2 封闭式循环冷却水系统,3 敞开式蒸发系统,冷却水通过热交换器后，水温提高成为热水，热水经冷却塔曝气与空气接触，由于水的蒸发散热和接触散热使水温降低，冷却后的水再循环利用。又称为冷却塔系统。,图3
3、 敞开式循环冷却水系统 1-补充水（M）；2-冷却塔；3-冷水池；4-循环水泵；5-渗漏水（F）；6-冷却水；7-冷却用换热器；8-热水（R）；9-排污水（B）；10-蒸发损失（E）；11-风吹损失（D）；12-空气,水的蒸发散热 水在冷却设备中形成大小水滴或极薄水膜，扩大其与空气的接触面积和延长接触时间，加强水的蒸发，使水汽从水中带走汽化所需的热量，从而使水冷却。 水的接触传热 水面与较低温度的空气接触，由于温差使热水中的热量传到空气中去，水温得到降低。温差愈大，传热效果愈好。 水的辐射传热 不需要传热介质的作用，而是由一种电磁波的形式来传播热能的现象。,水冷却的原理,图4 自然通风冷却塔
4、图5 机械通风冷却塔 1-配水系统；2-填料；3-百叶窗； 1-配水系统；2-填料；3-百叶窗； 4-集水池；5-空气分配区；6-风筒； 4-集水池；5-空气分配区；6-风机； 7-热空气和水蒸汽；8-冷水 7-风筒；8-热空气和水蒸汽；9-冷水,常见冷却塔形式,敞开式冷却水的工况,冷却过程中的三种损失:蒸发损失、风吹损失、排污量 补充水量 M = E + D + B + F， （1）蒸发损失E E = a (R-B), a = e (t2-t1) （2）风吹损失D D = (0.2%-0.5%) R （3）排污损失B B = E/(K-1) （4）渗漏损失F M、E、D、B分别代表补充水量、
5、蒸发损失、风吹损失、排污量，R为系统中循环水量，e为损失系数，K为浓缩倍数。,离子浓度的改变,图6 降低浓缩倍数时水中 图7提高浓缩倍数时水中 离子浓度变化曲线 离子浓度变化曲线,不论系统中某离子的初始浓度为多少，随着运行时间的推移，其最终的浓度总是浓缩倍数和补充水中离子浓度的乘积。由此证明了控制好补充水量和排污量能使系统中某些离子浓度稳定在一个定值。,浓缩倍数,指循环水中某物质的浓度和补充水中某物质的浓度之比。一般指循环冷却水中某种不结垢离子的浓度与其补充水的浓度比值，常以Cl-表示。 CCl-,x/CCl-,B 冷却水浓缩倍率； CCl-,x 循环水中Cl-的质量浓度，mg/L； CCl-
6、,B 补充水中Cl-的质量浓度，mg/L。,二、 敞开式循环冷却水系统产生的主要问题,沉积物的析出和附着 重碳酸盐分解产生碳酸钙水垢，轻者降低换热器的传热效率，重者堵塞管道。 有害离子引起的腐蚀 溶解氧引起电化学腐蚀 有害离子引起腐蚀 微生物的滋生和粘泥 细菌和藻类繁殖，生成生物粘泥而引起腐蚀、管道堵塞,循环冷却水系统中金属的腐蚀及控制,1.冷却水中金属腐蚀的机理 2.影响腐蚀的因素 3.腐蚀的形成 4. 腐蚀抑制剂及评价,1. 冷却水中金属的腐蚀,阳极区 Fe Fe2+ +2e 阴极区 1/2O2+H2O+4e 4OH- 沉淀反应 Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2 总反应 Fe + 1
7、/2O2 +H2O Fe(OH),1/2O2+H2O,2OH-,Fe2+,Fe(OH)2,Fe,2e,2e,2e,阳极区,阴极区,影响腐蚀的因素,（1）化学因素 pH值、 溶解盐、 溶解气体、悬浮物、 （2）物理因素 金属相对面积、温度、 热传导、 流速、 不同的金属、 冶金学方面 （3）微生物,腐蚀泄漏的形成,(1)设计问题 （2）运行管理问题 （3）均匀腐蚀 (4)点蚀 (5)冲击腐蚀 (6)选择性腐蚀 (7)电偶腐蚀 (8)腐蚀疲劳 (9)缝隙腐蚀 (10)开裂腐蚀（应力腐蚀开裂） （11）砸伤,均匀腐蚀,这种形态的腐蚀在整个表面上产生均匀的腐蚀率，最终结果使金属全面变薄。 通常在冷却水
8、系统中它不是最重要的，因为在中性操作条件下能够预测结构材料的腐蚀率。但是为控制pH有时加酸过量能导致全面腐蚀。,全面腐蚀,点蚀,一种破坏性大且难以及时发现的腐蚀形态。 小孔腐蚀在金属表面上一些小的、分散的部位进行，但总的金属损失是很小的。 一般处于钝化的金属，在含有活性阴离子(如氯离子)的介质中，氯离子能优先地、有选择地吸附在钝化膜上把氧离子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，结果在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑（孔蚀核）。在自腐蚀条件下，在含氯离子的介质中有溶解氧或阳离子氧化剂(如FeCl3)时，能促使孔蚀核长大成蚀孔。蚀孔成为表面上的局部阳极区，围绕阳极的是大阴极，蚀孔
9、不断发展。在蚀孔内部常常产生高浓度的金属氯化物，并水解而产生酸性pH环境，蚀孔内的反应形成自催化反应，最终引起基体金属穿孔。,疏松垢下的点蚀,点蚀,选择性腐蚀,合金中的某一种元素首先被侵蚀，从合金主体中被浸提出。 A.脱锌腐蚀 含铜量小于85的黄铜会发生一种特殊的腐蚀形态，称之为脱锌。这种选择性地除去锌，遗留下来的是没有结构强度的海绵状铜的沉积物。表面呈淡红色，而不是黄色。 一般认为是铜和锌都溶解，然后铜再沉积。全面受到腐蚀的地方称之为层状脱锌，深的小孔状腐蚀称之为栓状脱锌。铜质的堵塞物时常充满蚀孔，但很多堵塞物从蚀孔中冲洗掉。蚀孔完全穿透管壁是常见的。通过红色的再沉积铜和黄色的黄铜对比容易识
10、别这两种形态的脱锌。 蚀孔一般沿着重力方向发展，在水平管道的底侧更经常地发现蚀孔。影响小孔腐蚀的因素包括氧浓度差、金属活性差(电偶腐蚀)、盐浓度差、pH差、流速差、金属表面状态差和温度差等。 点蚀深度与大阴极和小阳极的面积比率成正比关系。 点蚀系数：点蚀深度对平均腐蚀深度的比率值。,选择性腐蚀照片（均匀脱锌）,电偶腐蚀,当两种不同金属在导电的水中相互接触时，就发生电偶腐蚀。活泼金属的腐蚀往往会发生在活泼金属和比较贵重金属的接触处。如果溶液导电性强，对活泼金属的腐蚀会发生在远离两种金属接触处。 电偶腐蚀的强度与相接触的金属相对表面积有关。大阴极和小阴极相联接会加剧电偶腐蚀而引起比较活泼的金属急剧
11、溶解。相反的情况下产生的电偶电流很小。溶液的导电性和温度将加速电偶腐蚀。腐蚀抑制剂有助于降低腐蚀严重性，但常常不能排除电偶腐蚀。 在实际应用中，不可能在所有的情况下使用相同的金属。尽管如此，能够采取措施将电偶腐蚀降至最小。宏观电池存在时，所使用的活泼金属面积应该大，而比较贵重的金属面积应该比较小。例如：黄铜阀门应该和钢管组合使用，反过来是不行的。钢螺栓能和铝板一起使用，但是铝螺栓不能和钢板一起使用。,电偶腐蚀,预防凝汽器（辅机）腐蚀措施,选用耐蚀的材料 保持管壁的清洁 控制一定流速 做好杀菌灭藻工作 做防腐涂层 阴极保护 加缓蚀剂,缓蚀剂实验室性能评价,试验采用旋转挂片法（GB/T 18175
12、-2000 水处理剂缓蚀性能的测定旋转挂片法）对药剂的缓蚀性能进行评定。 旋转挂片腐蚀试验方法是在试验室给定条件下，用试片的质量损失计算出腐蚀率和缓蚀率来评定阻垢缓蚀剂的缓蚀性能。腐蚀率可按下式计算：,其中Kw以失重表示的腐蚀速率，,w1试片未腐蚀前的重量，g w2试片经腐蚀并除去表面腐蚀产物后的重量，g F 试片暴露在试液中的表面积，m2 t 试验时间，h,一、旋转挂片法,腐蚀浸渍试验仪,二、电化学测试法,将试验电极表面用#1#6金相砂纸逐级打磨至没有锈蚀痕迹，经除盐水冲洗后，用无水乙醇擦洗脱脂后干燥。将试验电极安装到仪器上，组成三电极体系，放入待测溶液，设置好仪器参数后开始定时连续测定。图
13、为腐蚀试验测试示意图。 电路连接好后，放置一段时间，待电位稳定后开始进行测量。电位稳定后，每隔15分钟进行一次恒电位测量，每次测量时间为3分钟，试验温度为常温。,电化学腐蚀测试装置示意图,CMB-2510腐蚀速度测量仪,循环冷却水系统的沉积物及其控制,一、水中形成的沉积物 （1）水中的盐类 （2）水中的污泥 （3）空气中生成的污泥 （4）与系统相关的沉积物 二、水垢析出的判断 三、控制方法 四、沉积物控制剂,铁的氧化物 或氢氧化物,碳酸钙、氢氧化镁 磷酸钙、硅酸钙等水垢,氢氧化锌 有机磷酸钙,生物粘泥,冷却塔的曝气 溶度积效应 钙镁盐的反温度效应,金属的腐蚀,微生物繁殖,药剂的稳定性,冷却塔的
14、洗涤作用,灰尘和细菌,固体悬浮物和胶体 泥砂、尘土、碎屑等,补充水处理不好,循环水系统,循环冷却水系统中污垢的来源示意图,安徽地区火电厂循环水结垢情况,仅2007年以来，皖北四个电厂6台600MW超临界机组以及皖南某电厂1台600MW机组相继发现结垢现象。 以上电厂均为机组商业运行后半年或一年左右即发现机组结垢现象。 而以上电厂中另两台600MW机组投产后虽然尚未停机检修，但有关数据已显示出其具有结垢趋势。 除此之外，皖南、皖北还有4台300MW及以下机组也发现了不同程度的结垢情况。,凝汽器水室结垢情况,水垢危害,垢的导热性能很差，导热系数通常不超过1.16w/mK，是凝汽器管材导热系数的几十
15、分之一。 如果循环水系统运行状况不佳，将使发电热耗增大4.5%7.5%；发电煤耗增高814g/(kWh)。 使得机组运行煤耗、电耗增加，机组经济性下降； 导致腐蚀性离子于垢下浓缩富集，形成垢下腐蚀，甚至形成腐蚀穿孔，影响机组安全运行。,控制方法,（1）常规处理 软化：离子交换、石灰软化 加酸： 旁流处理:无阀滤池、陶瓷膜过滤、混凝 （2）聚合物沉积控制剂 配伍性：缓蚀阻垢剂与杀生剂、缓蚀剂和分散剂 高效性：高效的缓蚀剂、阻垢剂、杀生剂 强分散性：如污循环的运行 （3）多价螯合剂、络合剂及低限抑制剂 （4）清洗：停机、不停机化学清洗 （5）机械清除：排污（潜水泵）,加药控制,（1） 络合剂 （2
16、） 聚磷酸盐 （3） 膦酸酯 （4） 膦酸盐 （5） 膦羧酸 （6） 聚羧酸 （7）POCA （8）聚天冬氨酸,结晶及晶格畸变过程示意图,实验室阻垢性能评价,1 静态阻垢法 静态阻垢法是一种快速有效的评价药剂阻垢性能的方法，对不同的研制药剂在静态，一定温度水浴条件下放置一段时间，通过和未加药剂的水质结垢情况相比较，评价不同药剂的阻垢率，以便筛选出阻垢性能优良的阻垢缓蚀剂。 2 鼓泡法 冷却水中的结垢，通常是由于水中的碳酸氢钙在受热和曝气条件下分解，生成难溶的碳酸钙垢而引起的。其反应式可以表示为： Ca2+ + 2 HCO3- CaCO3+ CO2 + H2O 本方法以含有Ca(HCO3)2的配制水和水处理药剂制备
