一種處理發(fā)電機(jī)定冷水的微堿化三層床技術(shù)研究

王宏義, 蘇文湫，陳雪明，繆盛華，詹小燕

(1.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058)

一種處理發(fā)電機(jī)定冷水的微堿化三層床技術(shù)研究

王宏義1, 蘇文湫2，陳雪明2，繆盛華1，詹小燕1

(1.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058)

分析了國內(nèi)外控制定冷水水質(zhì)的現(xiàn)狀，闡述了微堿化三層床技術(shù)的原理，介紹了采用該技術(shù)原理的實(shí)驗(yàn)裝置，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，且將該技術(shù)方案應(yīng)用于某發(fā)電廠定冷水水質(zhì)的處理，實(shí)踐表明：通過該技術(shù)方案處理后定冷水的pH值、Cu2+濃度及電導(dǎo)率各項(xiàng)指標(biāo)全部達(dá)到定冷水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

定冷水；微堿化；三層床；pH值

0 引言

大型發(fā)電機(jī)的定子繞組在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量熱量，必須通過冷卻水加以冷卻。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，發(fā)電機(jī)組常以除鹽水或凝結(jié)水作為冷卻水。因受CO2溶解及發(fā)電機(jī)空芯銅導(dǎo)線(線棒)腐蝕的影響，在定冷水的循環(huán)使用過程中，如不加以處理或更換，其pH值會逐漸下降，而Cu2+濃度與電導(dǎo)率將逐漸上升，這對發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行將構(gòu)成很大威脅。電導(dǎo)率過高時(shí)，聚四氟乙烯絕緣引水管會發(fā)生漏電、閃絡(luò)燒傷等故障；pH值過低時(shí)，對空芯銅導(dǎo)線的腐蝕將加劇，定冷水中Cu2+濃度將急劇增大。當(dāng)Cu2+濃度急劇增大后，一方面導(dǎo)致電導(dǎo)率上升，影響絕緣性能；另一方面導(dǎo)致空芯銅導(dǎo)線內(nèi)壁產(chǎn)生非均勻結(jié)垢，引起阻塞，影響冷卻效果，嚴(yán)重時(shí)還會造成發(fā)電機(jī)繞組局部超溫，甚至燒壞。國內(nèi)外一些電廠都曾發(fā)生過此類事故。

為確保發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，世界各國對定冷水水質(zhì)均有嚴(yán)格要求。我國DL/T801—2010《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》規(guī)定：定冷水電導(dǎo)率在0.4～2.0 μS/cm之間；pH在8～9之間；Cu2+濃度不大于20 μg/L。

1 國內(nèi)外控制定冷水水質(zhì)的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外控制定冷水水質(zhì)的主要方法有2種：一種是投加堿性藥劑法；另一種是離子交換旁路處理法。投加堿性藥劑法可有效提高定冷水的pH值，從而有效地抑制銅腐蝕。但這種方法有一定的缺陷，主要是堿性藥劑的投加量難以控制，存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，電導(dǎo)率與Cu2+濃度均會逐漸上升，需經(jīng)常換水。離子交換旁路處理法則是近年來應(yīng)用最廣的一種定冷水水質(zhì)控制方法，已被國內(nèi)外大中型電廠廣泛認(rèn)同。

目前，許多電廠采用內(nèi)充“RH+ROH”離子交換樹脂的小混床來控制定冷水水質(zhì)。這種小混床可有效控制定冷水的Cu2+濃度與電導(dǎo)率，但對pH的控制效果較差。多數(shù)情況下測得的定冷水pH值小于7，達(dá)不到定冷水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，致使發(fā)電機(jī)銅線棒的腐蝕較為嚴(yán)重，不利于發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。為了克服“RH+ROH”小混床的缺點(diǎn)，部分電廠采用內(nèi)充“RH+ROH”離子交換樹脂與“RNa+ROH”離子交換樹脂的2個(gè)小混床來控制定冷水水質(zhì)，其效果較佳，但缺點(diǎn)是涉及的設(shè)備多，而且操作較為復(fù)雜。

2 微堿化三層床技術(shù)原理

根據(jù)現(xiàn)有小混床的實(shí)際使用情況，結(jié)合離子交換理論，研發(fā)了一種處理效果好、操作簡便、運(yùn)行可靠的微堿化三層床技術(shù)。微堿化三層床內(nèi)自上至下依次填充陽、陰、陽3層樹脂，其中陽樹脂需經(jīng)過堿化處理，各層樹脂分工明確，作用各異。上層陽樹脂的作用是去除定冷水中的Cu2+，使進(jìn)入中層陰樹脂層的Cu2+大為減少，從而降低Cu2+對陰樹脂的催化污染，避免陰樹脂在高溫下快速分解。中層陰樹脂的作用是去除因空氣泄漏而進(jìn)入定冷水中的CO2和HCO3-等，可提高定冷水的pH值。下層陽樹脂的作用是去除陰樹脂的分解產(chǎn)物NH3，并進(jìn)一步去除自上層陽樹脂中泄漏下來的Cu2+，以提高定冷水的水質(zhì)。

下文擬通過實(shí)驗(yàn)，考察微堿化三層床技術(shù)的基本性能。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置主要由離子交換柱、水箱、溫控系統(tǒng)、CuSO4溶液及計(jì)量泵組成。離子交換柱內(nèi)徑為20 mm，樹脂層有效高度為450 mm，水箱有效容積為20 L。循環(huán)水流量控制在5 L/h，溫度控制在40 ℃。為了模擬因發(fā)電機(jī)銅線棒腐蝕而產(chǎn)生的Cu2+，用計(jì)量泵連續(xù)向水箱投加CuSO4溶液，水箱內(nèi)Cu2+濃度約15 μg/L。

試驗(yàn)采用的儀器有：電導(dǎo)率儀（Sension5，Hach，美國）、pH計(jì)(Orion 230A+，Thermo，美國）以及測量Cu2+濃度用的原子吸收分光光度計(jì)(AA-6300，Shimadzu，日本)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 模擬定冷水pH值的變化情況

采用傳統(tǒng)“RH+ROH”小混床處理時(shí)，定冷水通常呈中性，pH值明顯偏低。為了提高pH值，實(shí)驗(yàn)采取對陽樹脂進(jìn)行微堿化處理的措施。圖2為微堿化三層床處理模擬定冷水的pH值變化情況。由圖2可知：在30天的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)期內(nèi)，模擬定冷水的pH值能穩(wěn)定地維持在8.0～8.2之間，全部達(dá)到DL/T801—2010《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》的標(biāo)準(zhǔn)。

模擬定冷水pH值的提升，可用離子交換平衡理論予以解釋，Na+與RH型陽樹脂中的H+發(fā)生交換反應(yīng)，當(dāng)達(dá)到交換平衡后，水中NaOH含量主要與[RNa]和[RH]的比值有關(guān)。對傳統(tǒng)的“RH+ROH”小混床而言，RNa含量約為0，水中基本上無NaOH，因此水質(zhì)呈中性；而對微堿化三層床而言，由于先前已經(jīng)過NaOH溶液堿化處理，陽樹脂中RNa比例相對較高，因此pH值可獲得顯著提升。

圖2 模擬定冷水的pH值變化情況

4.2 模擬定冷水電導(dǎo)率的變化情況

電導(dǎo)率對發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性有雙重影響。電導(dǎo)率過低時(shí)，pH值往往偏低，不利于銅線棒的防腐；電導(dǎo)率過高時(shí)，易造成發(fā)電機(jī)漏電。因此，定冷水的電導(dǎo)率應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)。圖3為模擬定冷水電導(dǎo)率的變化情況。由圖3可知：模擬定冷水電導(dǎo)率在0.30～0.35 μS/cm之間，低于DL/T 801—2010標(biāo)準(zhǔn)的下限值，說明樹脂的堿化度需作進(jìn)一步調(diào)整。但從另一角度看，這意味著定冷水的pH值尚有很大的提升余地。

4.3 除銅效果

由于混床相當(dāng)于無數(shù)個(gè)陽床和陰床交替串聯(lián)，因此通常具有很高的除銅效率。為了檢驗(yàn)微堿化三層床的除銅效果，實(shí)驗(yàn)對進(jìn)、出水的Cu2+濃度進(jìn)行了監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知：在進(jìn)水Cu2+濃度為15.0 μg/L的情況下，出水Cu2+濃度全部低于檢測下限(下限值≤2 μg/L)。這說明微堿化三層床技術(shù)具有很高的除銅效率。

圖3 電導(dǎo)率隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況

5 實(shí)際應(yīng)用情況

某發(fā)電廠擁有4臺600 MW發(fā)電機(jī)組，其定冷水原來采用“RH+ROH”小混床處理，水質(zhì)情況如表1所示。

表1 采用“RH+ROH”小混床處理時(shí)各機(jī)組定冷水水質(zhì)

由表1可知：采用“RH+ROH”小混床處理時(shí)，pH值在7.4～7.9之間，明顯偏低；Cu2+濃度在8.7～23.7 μg/L之間，部分?jǐn)?shù)據(jù)已超標(biāo)。

2011年6～9月， 1～4號機(jī)組先后采用了微堿化三層床技術(shù)進(jìn)行定冷水的處理，運(yùn)行穩(wěn)定后各機(jī)組定冷水水質(zhì)情況如表2所示。所有機(jī)組定冷水水質(zhì)均得到明顯改善，pH值上升至8.0～8.5，Cu2+濃度僅為2.0～6.4 μg/L，電導(dǎo)率維持在0.50～1.2 μS/cm，3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到DL/T 801—2010的規(guī)定。

微堿化三層床新技術(shù)只需更換樹脂，而無需對小混床等硬件設(shè)施進(jìn)行改造，因此使用此新技術(shù)極為方便，且無改造經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前，該技術(shù)已在國內(nèi)多家電廠共30余臺發(fā)電機(jī)組上得到應(yīng)用，應(yīng)用后發(fā)電機(jī)組定冷水的pH值、電導(dǎo)率與Cu2+濃度全部穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

表2 使用微堿化三層床處理時(shí)各機(jī)組定冷水水質(zhì)

6 結(jié)束語

微堿化三層床是一種處理效果好、操作簡便、運(yùn)行可靠的發(fā)電機(jī)定冷水處理新技術(shù)，該技術(shù)已成功應(yīng)用于多家發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組定冷水水質(zhì)的處理。結(jié)果表明：微堿化三層床技術(shù)能顯著提高定冷水pH值，減緩銅線棒腐蝕；待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，定冷水的pH值、Cu2+濃度及電導(dǎo)率3項(xiàng)指標(biāo)全部達(dá)到定冷水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 李素云，邵 波.發(fā)電機(jī)定冷水微堿化技術(shù)在大型電廠的應(yīng)用[J].科技信息，2011(35).

2 程芳婷，舒新寬，李文濤.應(yīng)用發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水超凈化裝置改善內(nèi)冷水品質(zhì)[J].凈水技術(shù)，2006(4).

3 李新學(xué)，夏恩專.大型定子水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定冷水RH/ RNa/ROH混床處理方法的探討[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(1).

4 呂新棟，周 敏.超凈化處理系統(tǒng)在定子冷卻水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].西北電力技術(shù)，2004(4).

5 陳國棟.水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)組定冷水煤氣表異常分析[J].電力安全技術(shù)，2013(12).

6 劉永兵，韓廣威，龍國軍，等.發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)化學(xué)清洗技術(shù)[J].熱力發(fā)電，2012(8).

7 賈新兵，王銀元.發(fā)電機(jī)定子冷卻水水質(zhì)工況改進(jìn)探索[J].山西電力，2001(4).

8 關(guān)玉芳，樓新明，馮禮奎.發(fā)電機(jī)定子線棒堵塞治理與定冷水水質(zhì)優(yōu)化[J].浙江電力，2012(3).

9 XIE XJ， YAN M， HE J， etc. Study on the Alkali-zation Treatment of the Turbogenerator’s Inner Cooling Water[J]. APPEEC， 2009(1).

10 劉舟平，潘小奎，田亞軍.定冷水加堿解決600 MW發(fā)電機(jī)線圈結(jié)垢問題的研究[J].華北電力技術(shù)，2012(4).

11 韓西印.微堿處理在發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)改造中的應(yīng)用與管理[J].寧夏電力，2009(3).

12 張敏德，陳小昆.汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水的防腐[J].云南電力技術(shù)，2006(2).

13 賈新兵，鄭俊峰，王銀元，等.SZSY-1型定冷水處理裝置在300 MW發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2006(6).

14 劉 星.定子冷卻水處理系統(tǒng)的腐蝕與防止[J].電力安全技術(shù)，2006(7).

2013-12-24。

王宏義(1970-)， 男，工程師， 主要從事海水淡化、制氫、電廠水處理設(shè)備的運(yùn)行與管理工作，email： whongyi@163.com。

蘇文湫(1986-)，男，博士研究生，主要從事電化學(xué)技術(shù)在高純水制備中的應(yīng)用研究。

陳雪明(1962-)，男，教授(博導(dǎo))，主要從事高純水制備新技術(shù)開發(fā)、工業(yè)循環(huán)水水質(zhì)控制、有機(jī)污染物電化學(xué)降解、電凝絮-氣浮等研究。

繆盛華(1962-)，男，高級工程師，主要從事火電廠電氣管理工作。

詹小燕(1969-)，女，助理工程師，主要從事火電廠電氣試驗(yàn)工作。