陳斌偉，蔡冠萍

(中國(guó)電力顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

燃機(jī)噴水模塊高水質(zhì)要求的解決方案

陳斌偉，蔡冠萍

(中國(guó)電力顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中壓余熱鍋爐的水處理系統(tǒng)采用軟化水作為鍋爐補(bǔ)充水，但根據(jù)燃機(jī)廠商提供的燃?xì)廨啓C(jī)噴水模塊水質(zhì)要求，這種品質(zhì)的水被認(rèn)為不能滿(mǎn)足噴水模塊的用水要求。針對(duì)此問(wèn)題，提出了現(xiàn)場(chǎng)解決方案。并通過(guò)對(duì)噴水模塊用水水質(zhì)要求的分析研究，提出想法及結(jié)論，可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試運(yùn)行參考。

二級(jí)反滲透；加堿；電導(dǎo)率；燃機(jī)噴水。

1 工程概述

上海華電莘莊工業(yè)區(qū)燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供改造項(xiàng)目工程是上海市重大技術(shù)改造項(xiàng)目。一期工程建設(shè)兩臺(tái)60 MW級(jí)一拖一單軸布置燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，天然氣作為單燃料。燃機(jī)采用GE公司的LM6000PF機(jī)型，汽輪機(jī)采用南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司產(chǎn)品，余熱鍋爐采用東方日立鍋爐有限公司產(chǎn)品。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(B－MCR) 為 43.5 t/h，高壓汽包出口蒸汽壓力5.2±0.2MPa，高壓汽包出口蒸汽溫度435±5 ℃，根據(jù)TSG G0001－2012《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，余熱鍋爐僅屬于中壓鍋爐。

電廠的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)是根據(jù)機(jī)組水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及原水水質(zhì)設(shè)計(jì)。電廠水源為廠址附近六磊塘河段河水，根據(jù)2011年～2012年的水質(zhì)全分析報(bào)告，此河水的含鹽量在400～500 mg/L范圍之內(nèi)。鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用兩級(jí)反滲透膜法水處理工藝，即超濾+一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透。

2 燃機(jī)噴水模塊概述及問(wèn)題分析

本工程采用的LM6000PF型燃機(jī)配套帶有SPRINT系統(tǒng)，SPRINT系統(tǒng)的原理是用水冷卻空氣，從而增加空氣的質(zhì)量流量，最終可以提升燃?xì)廨啓C(jī)的出力。此技術(shù)通過(guò)一個(gè)位于高壓和低壓壓縮器之間的噴嘴噴水，噴出的水被高溫空氣霧化進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)低氮燃燒室。

SPRINT系統(tǒng)的噴水模塊除鹽水的耗量是11～41 gal/min，約合2.5～9.3 m3/h。在正常運(yùn)行時(shí)SPRINT系統(tǒng)啟用的機(jī)會(huì)不多，僅在燃?xì)廨啓C(jī)需要在短時(shí)提高負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)才會(huì)啟用，但燃機(jī)廠商對(duì)于這部分補(bǔ)水水質(zhì)的要求較高，要求電導(dǎo)率小于1.0 μs/cm。

本工程鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮滿(mǎn)足中壓余熱鍋爐的供水要求，根據(jù)GB/T 12145－2008《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》中壓鍋爐給水品質(zhì)，兩級(jí)反滲透產(chǎn)水僅需控制鍋爐補(bǔ)給水的總硬度和二氧化硅含量即可，無(wú)需對(duì)水的電導(dǎo)率進(jìn)行控制。因此，設(shè)計(jì)中二級(jí)反滲透進(jìn)水不考慮添加堿化劑。但是，實(shí)際機(jī)組投運(yùn)后，兩級(jí)反滲透產(chǎn)水無(wú)法滿(mǎn)足燃機(jī)廠商提出的噴水模塊的用水電導(dǎo)率小于1.0 μs/cm的要求。

3 鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)分析

3.1 理論分析

根據(jù)2014版《陶氏化學(xué)FILMTEC反滲透和納濾膜元件產(chǎn)品與技術(shù)手冊(cè)》對(duì)兩級(jí)反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，二級(jí)反滲透進(jìn)水的pH值可以根據(jù)脫鹽率要求調(diào)節(jié)到最佳值，對(duì)于合適的苦咸水水源，采用兩級(jí)反滲透膜系統(tǒng)，可使系統(tǒng)總產(chǎn)水的電導(dǎo)率達(dá)到＜1.0 μs/cm，甚至可以達(dá)到0.5 μs/cm。在加堿的條件下，兩級(jí)反滲透的產(chǎn)水理論上應(yīng)該能滿(mǎn)足電導(dǎo)率小于1.0 μs/cm，然而實(shí)際情況卻很難達(dá)到。

3.2 實(shí)際運(yùn)行

兩級(jí)反滲透制水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，在不添加堿化劑的情況下，二級(jí)反滲透的產(chǎn)水電導(dǎo)率值均在2.8 μs/cm左右。電導(dǎo)率偏高的原因如下：

(1)電導(dǎo)率偏高主要是產(chǎn)水中存在的CO2所致。由于一級(jí)反滲透的產(chǎn)水pH在5.0～5.5之間，在此pH值下，水中存在大量CO2以及少量的HCO3－，無(wú)法被二級(jí)反滲透去除，導(dǎo)致二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率偏高，水中碳酸化合物形態(tài)與pH關(guān)系詳見(jiàn)圖1。

圖1 水中碳酸化合物形態(tài)與pH關(guān)系

(2)河水水質(zhì)相比設(shè)計(jì)水質(zhì)有變差的趨勢(shì)。本工程河水的電導(dǎo)率與含鹽量大致成正比關(guān)系，以溫度25℃為基準(zhǔn)，其比例范圍為：1 μs/cm=0.60～0.68 mg/L。在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)超濾產(chǎn)水在線電導(dǎo)率表顯示值約在1100 μs/cm左右變化，那么根據(jù)超濾產(chǎn)水電導(dǎo)率來(lái)推算原水的含鹽量應(yīng)在660～748 mg/L左右。由于原水水質(zhì)的含鹽量增加，在反滲透脫鹽率沒(méi)有變化的情況下，二級(jí)反滲透的產(chǎn)水自然會(huì)比較高。

(3)反滲透膜可能存在的損壞。反滲透設(shè)備在安裝后啟動(dòng)制水，反滲透膜殼產(chǎn)水側(cè)泄漏嚴(yán)重，后檢查發(fā)現(xiàn)主要是膜元件之間的密封圈沒(méi)有安裝到位，重裝全部膜元件后解決了問(wèn)題。但不排除在安裝過(guò)程中的野蠻操作導(dǎo)致反滲透膜的損壞。這種損壞可能導(dǎo)致部分溶液固形物沒(méi)有被反滲透膜去除，從而使出水電導(dǎo)率升高。

4 降低產(chǎn)水電導(dǎo)率的措施

針對(duì)燃機(jī)廠商SPRINT系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)水電導(dǎo)率的要求，同時(shí)考慮到水處理車(chē)間場(chǎng)地的限制和電廠急于整機(jī)啟動(dòng)的要求，采取方案必須快速而有效。具體方案如下：

方案一：二級(jí)反滲透進(jìn)水添加堿化劑。需要增加一套加堿設(shè)備，兩箱兩泵，根據(jù)二級(jí)反滲透進(jìn)水pH表自動(dòng)控制加堿量。目的是提高二級(jí)反滲透進(jìn)水pH值，將水中大量的游離二氧化碳轉(zhuǎn)化為可被反滲透膜去除的重碳酸根離子，從而達(dá)到降低產(chǎn)水電導(dǎo)率的目的。

方案二：設(shè)一套離子交換設(shè)備或者連續(xù)電除鹽(EDI)設(shè)備(含水箱)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)用的噴水進(jìn)行深度除鹽，以進(jìn)一步去除水中的離子含量，降低噴水的電導(dǎo)率，使其符合燃機(jī)的要求。

方案一相比方案二來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)且施工速度快，不涉及土建的工程量。因此首選方案一來(lái)優(yōu)化鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的出水。

5 二級(jí)反滲透前加堿方案論述

很多已投運(yùn)的全膜法鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)均在二級(jí)反滲透進(jìn)水添加32%的NaOH，雖然省去了配藥的步驟，但是二級(jí)反滲透進(jìn)水加堿是很難精確控制的，尤其對(duì)于處理水量較小的膜系統(tǒng)，加濃堿的結(jié)果往往是非但沒(méi)有降低二級(jí)反滲透的產(chǎn)水的電導(dǎo)率，反而使其有所增加，原因是添加了過(guò)量的高濃度的堿，導(dǎo)致二級(jí)反滲透產(chǎn)水的電導(dǎo)率上升。因此合理配制堿液的濃度和調(diào)節(jié)加堿量是方案是否可行的關(guān)鍵。

理論上，當(dāng)pH=8.3時(shí)，水中的游離CO2含量?jī)H占碳酸化合物總量的1%，也即水中的游離CO2已基本轉(zhuǎn)化成因此，二級(jí)反滲透進(jìn)水加NaOH的調(diào)節(jié)應(yīng)精確控制pH值在8.3。當(dāng)過(guò)量添加NaOH時(shí)，二級(jí)反滲透進(jìn)水pH持續(xù)上升，產(chǎn)水的電導(dǎo)率反而增大。經(jīng)計(jì)算(1)，對(duì)于本工程水源，當(dāng)一系列反滲透正常運(yùn)行時(shí)，將pH調(diào)整到8.3，需添加5%的氫氧化鈉約12.40 L/h。

為使系統(tǒng)運(yùn)行中加堿量的控制能夠更加精確，在二級(jí)反滲透進(jìn)水母管的加堿部位設(shè)置混合器，同時(shí)在加藥混合器后4～5 m的管道位置設(shè)了pH在線儀表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。表1為二月某日加堿調(diào)試數(shù)據(jù)記錄。

表1 二月某日加堿調(diào)試記錄

根據(jù)調(diào)試記錄表中的數(shù)據(jù)分析如下：

(1)二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率在1.20 μs/cm時(shí)，進(jìn)水在線pH表計(jì)顯示值為8.80，與理論值8.3有偏差。產(chǎn)生偏差的原因可能是由于溫度的影響，在線pH表在測(cè)量時(shí)需要將溫度修正到25℃，不同的pH探頭制作工藝及不同的水樣工況其修正系數(shù)都有區(qū)別，都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

(2)二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率在1.20 μs/cm時(shí)，加堿量為13.20 L/h，與理論值12.40 L/h (pH=8.3)有偏差。加堿量與二級(jí)反滲透進(jìn)水pH值(未加堿時(shí))和原水中重碳酸鹽含量這兩個(gè)要素息息相關(guān)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)稍有變化，對(duì)加堿量的影響是十分明顯的。

(3)本記錄表中二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率最佳值為1.20 μs/cm，尚未達(dá)到理論值小于1.00 μs/cm。之后又做了多次調(diào)試，二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率曾達(dá)到0.98 μs/cm，相應(yīng)的超濾產(chǎn)水電導(dǎo)率為973 μs/cm。

6 SPRINT系統(tǒng)對(duì)噴水水質(zhì)要求的協(xié)調(diào)性研究

6.1 SPRINT系統(tǒng)的噴水水質(zhì)要求

根據(jù)燃機(jī)廠商提供的噴水水質(zhì)的資料可以歸納見(jiàn)表2。

表2 燃汽輪機(jī)SPRINT系統(tǒng)噴水水質(zhì)要求

6.2 SPRINT系統(tǒng)噴水水質(zhì)要求的分析

本工程經(jīng)混凝澄清過(guò)濾后的原水經(jīng)超濾加兩級(jí)反滲透工藝處理后，其出水水質(zhì)通過(guò)陶氏反滲透軟件計(jì)算理論上可達(dá)到表3指標(biāo)。

表3 二級(jí)反滲透理論產(chǎn)水水質(zhì)

根據(jù)表3顯示，不論二級(jí)反滲透給水是否加堿，產(chǎn)水的各離子濃度理論上都能滿(mǎn)足且遠(yuǎn)小于表2的要求。那么加堿處理是否有必要，在各離子含量都滿(mǎn)足要求的情況下，為何唯獨(dú)電導(dǎo)率不能滿(mǎn)足要求呢？

實(shí)際上，燃機(jī)廠商給出的電導(dǎo)率要求是有條件的，需要測(cè)的是脫氣電導(dǎo)率，即脫除了產(chǎn)水中二氧化碳后的電導(dǎo)率。根據(jù)表3二級(jí)反滲透前加堿的前后產(chǎn)水水質(zhì)的對(duì)比，不難看出二級(jí)反滲透產(chǎn)水中溶解的二氧化碳的量很大，這是造成產(chǎn)水中高電導(dǎo)率的主要原因。采用二級(jí)反滲透給水加堿的方案正是能在快速而有效地去除水中二氧化碳后測(cè)出產(chǎn)水的脫氣電導(dǎo)。因此，二級(jí)反滲透進(jìn)水的加堿處理是有必要的，且可使產(chǎn)水的pH值達(dá)到要求。

那么產(chǎn)水中的二氧化碳是否需要控制，二氧化碳是否對(duì)SPRINT系統(tǒng)的噴水模塊有影響？根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，噴水模塊對(duì)產(chǎn)水的二氧化碳沒(méi)有控制要求，且高純水的緩沖能力比較差，根本無(wú)法保證高純水在貯存和輸送過(guò)程中不再溶入二氧化碳。那么之所以要測(cè)脫氣電導(dǎo)率，最終的目的不是要去除產(chǎn)水中的二氧化碳，而是要確保排除二氧化碳的影響后，產(chǎn)水的電導(dǎo)率要滿(mǎn)足要求。所以認(rèn)為二氧化碳在產(chǎn)水中的含量對(duì)噴水模塊是無(wú)影響的。

根據(jù)GB/T 6682－2008《分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法》，二級(jí)反滲透給水加堿后的產(chǎn)水水質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)中給出的“三級(jí)水”類(lèi)似，“三級(jí)水”的溶解固形物含量要求≤2 mg/L，電導(dǎo)率(25℃時(shí))要求≤5 μs/cm。而表2中SPRINT系統(tǒng)噴水水質(zhì)要求的含鹽量為≤5 mg/L，且允許有最大5 mg/L的懸浮物存在，可電導(dǎo)率(25℃時(shí))卻要求＜1.0 μs/cm，這些數(shù)據(jù)與電導(dǎo)率數(shù)據(jù)存在相互間的矛盾，按照這些數(shù)據(jù)推斷，電導(dǎo)率很有可能在10 μs/cm左右。因此，認(rèn)為燃機(jī)廠家給出的噴水水質(zhì)要求中的電導(dǎo)率的指標(biāo)是存在問(wèn)題的，超濾加兩級(jí)反滲透工藝的產(chǎn)水完全可以用于SPRINT系統(tǒng)的噴水模塊。

7 結(jié)論

(1)二級(jí)反滲透給水加堿有利于提高二級(jí)反滲透對(duì)碳酸化合物的去除率，對(duì)于降低產(chǎn)水電導(dǎo)率是有必要的，但應(yīng)根據(jù)水質(zhì)條件確定堿液配置濃度以及準(zhǔn)確控制加藥量，否則二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率可能會(huì)比不加堿時(shí)還要差。

(2)燃汽輪機(jī)的SPRINT系統(tǒng)要求噴水水質(zhì)的電導(dǎo)率小于1.0 μs/cm，這個(gè)指標(biāo)和要求的溶解固形物含量等相關(guān)指標(biāo)間不協(xié)調(diào)。有理由認(rèn)為，對(duì)于本項(xiàng)目的超濾加兩級(jí)反滲透工藝的產(chǎn)水完全可適用于燃汽輪機(jī)SPRINT系統(tǒng)的噴水模塊。

[1] 莫慶時(shí)，兩級(jí)反滲透系統(tǒng)加堿調(diào)節(jié)pH值的分析[J]，水處理技術(shù)，2005，31(6)．

[2] GB/T 12145－2008，火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量[S].

[3] TSG G0001－2012，鍋爐安全技術(shù)規(guī)程[S]．

Solution Scheme for High Water Quality Requirement of Sprinkler Module for Gas Turbine

CHEN Bin-wei, CAI Guan-ping
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd of China Power Engineering Consuloing Group, Shanghai 200063, China)

Softened water from water treatment system is used as make-up water for medium pressure residual heat boiler of gas and steam turbine combined-cycle, but according to the water quality requirement of the gas turbine manufacturer, the quality of softened water is considered not to meet the needs of the injection in gas turbine.For this problem, the solution of the field is put forward.Through analysis and research of the water quality requirement for the injection, the idea and conclusion are put forward and regarded as reference for design and debugging of system.

second stage reverse osmosis; alkali addition; electrical conductivity; injection in gas turbine.

2016-02-17

陳斌偉(1987- )，男，上海松江人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)工作。

TM621

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1671-9913(2017)03-0040-04