余建飛，何紅斌，張 明

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北能源綜合能源投資有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)是保證發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵輔助系統(tǒng)之一，不僅能有效避免鍋爐結(jié)垢、腐蝕或蒸汽品質(zhì)差引起的事故，而且有助于機(jī)組的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水量降低不僅會(huì)增大酸堿耗、增加制水成本和工作量，而且可能存在樹脂被污染、除鹽水品質(zhì)差和環(huán)保等問題［1-6］，直接影響熱電廠冬季供熱供汽期間的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、蒸汽品質(zhì)和腐蝕結(jié)垢等［7-17］，因此如何全面、快速查找鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)周期制水量降低的原因并解決問題，顯得尤為重要。

本文針對(duì)某熱電廠周期制水量逐步降低和重復(fù)再生的問題，對(duì)補(bǔ)給水系統(tǒng)進(jìn)行了全面查定和試驗(yàn)分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，取得了良好效果。

1 一級(jí)除鹽工藝流程

鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)所用水源為湯遜湖水，經(jīng)凈水站澄清處理后送至鍋爐補(bǔ)給水處理車間，補(bǔ)給水處理工藝流程為：工業(yè)水池來水→高效纖維過濾器→清水箱→陽床→除碳器→中間水箱→陰床→混床→除鹽水箱。

一級(jí)除鹽設(shè)備由3個(gè)系列組成，每個(gè)系列正常出力為150 m3/h，共用1套再生設(shè)備，每臺(tái)陽床和陰床可以組合運(yùn)行，除碳器采用鼓風(fēng)除碳，設(shè)計(jì)原水無次氯酸鈉加藥裝置。陽床直徑為3 000 mm，樹脂設(shè)計(jì)填裝高度為2 000 mm，內(nèi)裝001×7陽樹脂；陰床直徑為3 200 mm，樹脂設(shè)計(jì)填裝高度為2 800 mm，內(nèi)裝201×7 陰樹脂。陽床和陰床均采用逆流再生，陽床失效用工業(yè)鹽酸再生，陰床失效用工業(yè)燒堿再生。

2 存在的問題

該電廠于2015 年投運(yùn)，從2019 年開始，陽床和陰床周期制水量逐步降低，到2021年冬季陽床有時(shí)運(yùn)行不到2 h就失效，制水量不到200 t，甚至出現(xiàn)重復(fù)再生的情況；陰床冬季制水量顯著低于夏季。但冬季供熱供氣期間，由于補(bǔ)給水量大，即使出現(xiàn)再生不合格或出水水質(zhì)已超過失效標(biāo)準(zhǔn)，一級(jí)除鹽設(shè)備仍需投入運(yùn)行或繼續(xù)運(yùn)行，以保證機(jī)組持續(xù)運(yùn)行。

化學(xué)運(yùn)行人員操作水平參差不齊，特別是在線儀表不準(zhǔn)確時(shí)，不能判斷加藥量及再生液是否連續(xù)進(jìn)入床內(nèi)再生樹脂，易造成再生失敗或水處理運(yùn)行周期縮短。再生時(shí)操作的隨意性比較大，酸堿用量波動(dòng)大，大反洗再生時(shí)，未執(zhí)行雙倍劑量再生，很少去現(xiàn)場(chǎng)觀察樹脂是否會(huì)被沖洗帶出。此外酸堿用量計(jì)量不準(zhǔn)確，有多用少寫、少用多寫的現(xiàn)象，影響酸堿耗計(jì)算準(zhǔn)確性。

3 原因分析

3.1 原水水質(zhì)

武漢湯遜湖是亞洲最大的城中湖，水質(zhì)多為Ⅳ類或劣Ⅳ類，表1為不同時(shí)期的原水水質(zhì)分析結(jié)果，取樣點(diǎn)為電廠高密度沉淀池入口。自從2020年5月武漢市開始湯遜湖流域環(huán)境綜合治理后，湖水有機(jī)物含量有所降低，但仍為Ⅳ類；枯水期湖水水質(zhì)差，陰陽離子含量增加。

表1 原水水質(zhì)Table 1 Raw water quality

制水量與樹脂體積、預(yù)處理脫鹽效率、進(jìn)水離子濃度等指標(biāo)的關(guān)系如式（1）所示。

式（1）中，V為樹脂體積（m3）；E為樹脂工交容量（mol/m3）；Q為周期制水量（m3）；R為預(yù)處理脫鹽效率；C陽（陰）為進(jìn)水陽（陰）離子濃度（mmol/L）。

從式（1）可以看出，假定樹脂體積、預(yù)處理脫鹽效率和樹脂工交容量不變，則周期交換容量為固定值，C陽（陰）離子濃度與周期制水量成反比，離子濃度增加，周期制水量降低，水質(zhì)變差將直接使周期制水量降低［9］。

基于原水有機(jī)物含量高且無次氯酸鈉加藥裝置，對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)和補(bǔ)給水系統(tǒng)設(shè)備出口水質(zhì)進(jìn)行有機(jī)物含量測(cè)試，結(jié)果見表2，從表中可以看出，纖維過濾器去除有機(jī)物的效果甚差，且其出口有機(jī)物含量已超出《DL/T 5068-2014 發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的陽離子交換器進(jìn)水CODMn要求（＜2 mg/L）［15］，未去除的有機(jī)物會(huì)進(jìn)入除鹽系統(tǒng)，污染樹脂。當(dāng)陽樹脂被有機(jī)物污染后，污染物會(huì)影響Na+與樹脂間的交換反應(yīng)，陽床出水易漏鈉，當(dāng)超過失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)行時(shí)間變短，制水量降低［16-18］。

表2 原水及一級(jí)除鹽系統(tǒng)有機(jī)物測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of organic matter in raw water and primary demineralizing system

3.2 再生劑質(zhì)量

再生劑純度對(duì)離子交換樹脂的再生效果及再生后的出水水質(zhì)有較大影響。再生液純度高、雜質(zhì)含量低則樹脂的再生度高，出水水質(zhì)好。從電廠酸堿入廠驗(yàn)收臺(tái)賬和第3方檢測(cè)報(bào)告看，酸堿質(zhì)量符合要求，再生用的酸堿來源固定，各項(xiàng)指標(biāo)比較穩(wěn)定，無不合格酸堿進(jìn)入系統(tǒng)。鹽酸和燒堿質(zhì)量抽檢分析結(jié)果見表3和表4，質(zhì)量符合要求，排除酸堿質(zhì)量不合格對(duì)周期制水量的影響。

表3 鹽酸質(zhì)量分析結(jié)果Table 3 Analysis results of hydrochloric acid quality

表4 燒堿質(zhì)量分析結(jié)果Table 4 Analysis results of NaOH quality

3.3 樹脂

由于陽床中部窺視鏡總是滿屏樹脂，無法觀察床內(nèi)樹脂水平面位置和判斷是否需要補(bǔ)充樹脂，所以選擇先打開頻繁再生且周期制水量明顯低于另外2臺(tái)陽床的1號(hào)陽床，檢查樹脂裝載量和污染情況。

打開1 號(hào)陽床后發(fā)現(xiàn)樹脂流失比較嚴(yán)重，局部可見中排露出，說明工作層厚度不足。工作層厚度過低會(huì)產(chǎn)生以下3個(gè)問題：1） 床體樹脂裝填量少，工作容量就會(huì)降低，運(yùn)行時(shí)水中鹽類易于“穿透”樹脂，失效快，周期制水量低，交換床再生頻繁；2） 樹脂高度在中排處，說明局部沒有壓脂層，無法防止逆流再生過程中樹脂亂層，亂層會(huì)使下部失效度很低的樹脂層與上部完全失效的樹脂層相混，樹脂層中的離子形態(tài)分布規(guī)律被打亂，失去逐層置換的作用，再生程度底部很高的底部交換層不能形成，使出水端樹脂的再生效果大大降低，因而失去逆流再生的優(yōu)勢(shì)；3） 反洗和空氣擦洗時(shí)，運(yùn)行人員從窺視鏡看不到樹脂，無法判斷反洗效果。這樣就會(huì)使出水水質(zhì)變差，周期制水量降低。

將1 號(hào)陽床樹脂置換到大型塑料桶后，可見有些樹脂表層顏色發(fā)黑，下層呈棕色或深棕色，表面浮有綠藻或菌類（如圖1），陽樹脂間的懸浮物會(huì)堵塞樹脂層中的孔隙，從而增大其水流阻力和運(yùn)行壓降，同時(shí)陽樹脂可能被有機(jī)物污染，會(huì)影響Na+與樹脂間的交換反應(yīng)，降低樹脂的工作交換容量，說明陽床停運(yùn)期間維護(hù)不當(dāng)。取60 mL 樹脂裝入玻璃交換柱中，用蒸餾水反復(fù)洗滌，以除去表面附著物，直至清亮為止，取反洗干凈的樹脂50 mL，用12%鹽水振蕩10 min后，鹽水呈琥珀色，屬于有機(jī)物中度污染，也會(huì)覆蓋在樹脂顆粒表面，需對(duì)陽樹脂進(jìn)行復(fù)蘇處理。由于1 號(hào)陽床存在問題多，對(duì)另外2臺(tái)陽床和3臺(tái)陰床也進(jìn)行了檢查，盡管問題沒有1 號(hào)陽床嚴(yán)重，但均存在樹脂裝載量少和樹脂被有機(jī)物污染的問題。

圖1 陽樹脂宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of cation resin

此外當(dāng)有機(jī)物漏過陰床和混床進(jìn)入給水系統(tǒng)時(shí)，隨著溫度升高，有機(jī)物逐漸分解成低分子化合物及弱酸性物質(zhì)，導(dǎo)致給水pH 下降，電導(dǎo)率上升，使?fàn)t水pH值低于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)爐水pH 值偏低時(shí)，會(huì)破壞鍋爐表面保護(hù)膜，加快金屬腐蝕，高溫高壓可能發(fā)生鍋爐爆管事故［11］。此外，低pH 值還將引起爐水中硅酸含量上升，蒸汽攜帶隨著增加，日積月累可能造成汽輪機(jī)葉片積鹽，影響汽輪機(jī)出力等［7-8］。

3.4 再生工藝

一級(jí)除鹽設(shè)備基建投運(yùn)之初，再生參數(shù)主要是參考同類電廠相關(guān)資料確定，沒有根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行再生優(yōu)化。為了準(zhǔn)確客觀地判斷化學(xué)一級(jí)除鹽設(shè)備運(yùn)行情況、酸堿耗等運(yùn)行成本，在一級(jí)除鹽設(shè)備運(yùn)行和再生過程中，測(cè)量了設(shè)備的運(yùn)行流速和再生各步驟流量，測(cè)試結(jié)果見表5?？梢钥闯?，陽床和陰床同一步驟的流量接近，小反洗和再生流量高于設(shè)計(jì)值，小反洗流量偏大，會(huì)使壓脂層樹脂逐漸流失，影響工作層高度。陽床樹脂層高比陰床低800 mm，但再生流速相同，對(duì)陽床來說，再生流量偏大，容易導(dǎo)致亂層。

表5 一級(jí)除鹽系統(tǒng)流量測(cè)試結(jié)果Table 5 Flow test results of the primary demineralizing system

離子交換樹脂工作時(shí)，分別通過陽樹脂中的H+和陰樹脂中的OH-將水中的陽離子和陰離子置換出來，這個(gè)過程是可逆的，再生即是除鹽的逆過程。離子交換樹脂對(duì)溶液中不同離子有不同的親和力，對(duì)它們的吸附有選擇性，主要規(guī)律為：高價(jià)離子通常優(yōu)先吸附，而低價(jià)離子的吸附較弱；在同價(jià)的同類離子中，直徑較大的離子被吸附較強(qiáng)［19］。

陽床逆流再生時(shí)，底部最先置換出來的Na+往上移動(dòng)，由于吸附能力弱，先置換出其上部失效樹脂中的二價(jià)陽離子，置換出的Ca2+和Mg2+等上移，置換出陽床上部失效樹脂中的三價(jià)等離子，F(xiàn)e3+和Al3+等先進(jìn)入再生洗脫液中，然后是Ca2+和Mg2+等二價(jià)離子，最后Na+和H+。因此再生初期，再生洗脫液中檢測(cè)不到Na+，隨著再生的進(jìn)行，H+、Na+逐步上移，Na+濃度逐漸增加，達(dá)到最大值后減小，直至再生結(jié)束；而HCl濃度會(huì)逐步增加，直至與入口再生液中濃度接近。陽樹脂再生反應(yīng)如下：

在一級(jí)除鹽系統(tǒng)再生時(shí)分批收集再生洗脫液，分析洗脫離子濃度和再生劑量，每5 min收集一次，共13個(gè)樣本，從而得出一系列再生曲線（如圖2 和圖3），判斷是否達(dá)到再生終點(diǎn)、排酸堿量是否大，同時(shí)在進(jìn)再生液15 min 和40 min 時(shí)，在陰床和陽床入口取樣分析再生液濃度。

圖2 1號(hào)陽床優(yōu)化前的再生曲線Fig.2 Regeneration curve of Cation Exchanger No.1 before the optimization

圖3 1號(hào)陰床優(yōu)化前的再生曲線Fig.3 Regeneration curve of Anion Exchanger No.1 before the optimization

圖2 和圖3 為1 號(hào)陽床和1 號(hào)陰床的再生曲線，經(jīng)測(cè)試陽床入口再生液HCl含量為4.23%和4.28%，陰床入口再生液NaOH含量為3.77%和3.76%。從圖2可以看出，陽床再生洗脫液Na+濃度在35 min 到達(dá)峰值，隨后的10 min，Na+濃度略有下降，而再生洗脫液HCl 含量隨著再生反應(yīng)的進(jìn)行進(jìn)一步增加，再生結(jié)束時(shí)，再生洗脫液HCl 含量超過3%，說明陽床已達(dá)到再生終點(diǎn)。圖3 顯示陰床再生洗脫液Cl-濃度在45 min～50 min 到達(dá)峰值，再生結(jié)束時(shí)的洗脫液中NaOH 含量為接近2.5%，說明陰床樹脂再生50 min 左右時(shí)達(dá)到再生終點(diǎn)。

從陽床再生液入口濃度和洗脫液中酸含量可以看出，陽床再生液HCl 含量偏高，再生結(jié)束時(shí)，洗脫液中的HCl 含量超過3%，說明排酸量大，因而酸耗高。從理論上講，一定范圍內(nèi)再生液濃度越高，再生程度越好，但酸耗量大；當(dāng)濃度超過某一范圍時(shí)，再生程度不但不提高反而下降，造成再生劑的浪費(fèi)；但再生液濃度太低，則再生反應(yīng)不徹底，同時(shí)增加再生操作時(shí)間和自用水率［4，9］。

此外在1 號(hào)陰床再生取樣過程中，發(fā)現(xiàn)陰床洗脫液溫度大多數(shù)很低，個(gè)別為常溫，經(jīng)測(cè)試40 min時(shí)再生液溫度為19 ℃，再生結(jié)束時(shí)為11 ℃，說明陰床入口再生液溫度低。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電熱水箱設(shè)定溫度為40 ℃，且陰床再生過程中電熱水箱加熱器未開。而文獻(xiàn)［20］表明，陰樹脂再生液溫度對(duì)陰床的再生度影響很大，當(dāng)進(jìn)口溫度為30 ℃～40 ℃，不僅能大大提升陰樹脂再生度，減少堿用量，也能顯著提供陰床周期制水量。

4 解決措施

為解決一級(jí)除鹽設(shè)備酸堿高問題，針對(duì)上述問題，采取了以下措施：

1） 原水預(yù)處理系統(tǒng)清理及改造

由于原水有機(jī)物含量高，影響了后續(xù)系統(tǒng)出力和除鹽水水質(zhì)，因此在原有原水預(yù)處理系統(tǒng)上加裝次氯酸鈉加藥系統(tǒng)，進(jìn)行殺菌滅藻，加藥口設(shè)置在高密度沉淀池入口。同時(shí)利用機(jī)組檢修期間，對(duì)整個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)和一級(jí)除鹽系統(tǒng)等進(jìn)行清理，去除設(shè)備和管道內(nèi)的懸浮物、青苔、綠藻和菌類等，保證設(shè)備干凈。

次氯酸鈉加藥裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，在原水進(jìn)口和各設(shè)備出口取樣分析CODcr和TOC，結(jié)果見表6，從表中可以看出沉淀池出水有機(jī)物含量大大降低，且陽床、陰床和混床出水的有機(jī)物含量也大幅下降，尤其是陰床出水，其含量?jī)H為改造前的15.84%。盡管改造后混床出水CODcr大幅降低，但其含量仍在0.5 mg/L 以上，TOC也未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，應(yīng)繼續(xù)根據(jù)原水有機(jī)物濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)加藥量，優(yōu)化加藥控制，減少陽床和陰床運(yùn)行壓力，使混床出水有機(jī)物含量合格，避免影響后續(xù)的爐水水質(zhì)和蒸汽品質(zhì)［10，21-27］，以防結(jié)垢和腐蝕。

表6 原水及一級(jí)除鹽系統(tǒng)改造后有機(jī)物測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of organic matter in raw water and primary demineralization system after the innovation

2） 樹脂補(bǔ)充和復(fù)蘇

清理碎樹脂和樹脂中的綠藻等雜質(zhì)，同時(shí)補(bǔ)充適量新樹脂，保證樹脂層在中排上方20 cm，對(duì)受污染的樹脂進(jìn)行復(fù)蘇。

3） 設(shè)備內(nèi)部檢查

檢修工作人員在陰、陽床解體時(shí)，對(duì)離子交換器內(nèi)部進(jìn)行徹底檢查和處理，包括布水裝置（水帽）、中排裝置和襯膠，保證水流均勻分布和設(shè)備不被腐蝕。

4） 再生工藝優(yōu)化

調(diào)整陰陽床小反洗和再生流量，小反洗流量從70 m3/h 調(diào)整至60 m3/h，避免流量過大帶走壓脂層樹脂；陽床再生流量從31 m3/h 調(diào)整至22 m3/h，使再生液和樹脂之間有合理的接觸時(shí)間，保證充分利用再生劑，提高再生度；陽床再生液HCl 濃度降低至2.5%，延長(zhǎng)再生時(shí)間，多次優(yōu)化后陽床再生時(shí)間為75 min。

提高電熱水箱加熱設(shè)定溫度，由45 ℃提升至80 ℃，并提前3 h 加熱至80 ℃。同時(shí)進(jìn)水和排水的時(shí)候，加熱器全開。在預(yù)噴射階段開始混合冷水和熱水，使樹脂溫度提前升溫，加裝溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，根據(jù)入口溫度變化調(diào)節(jié)冷熱水比例，保證再生液進(jìn)水溫度在40 ℃左右，同時(shí)再生結(jié)束后水溫不低于30 ℃，提高陰床再生效果。

大反洗時(shí)開啟進(jìn)水門時(shí)，操作要緩慢，反洗一定要徹底，嚴(yán)格執(zhí)行雙倍劑量再生。在反洗過程中，操作人員要隨時(shí)監(jiān)測(cè)交換器內(nèi)樹脂反洗膨脹高度、反洗流量，避免樹脂流失。

5） 加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)和管理

為避免再次出現(xiàn)1號(hào)陽床內(nèi)綠藻菌類等微生物滋生的情況，定期對(duì)長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)的離子交換器進(jìn)行正洗，正洗時(shí)間為30 min，然后排氣、充水，避免設(shè)備內(nèi)含較多的空氣，有效抑制設(shè)備內(nèi)微生物生長(zhǎng)和樹脂發(fā)霉；長(zhǎng)期停運(yùn)的離子交換器建議冬季每半個(gè)月正洗1 次，夏季每周正洗1次。

熱工專業(yè)人員定期校核除鹽系列再生用稀釋流量計(jì)和在線酸堿濃度計(jì)，保證再生過程稀釋水流量和酸堿濃度計(jì)量準(zhǔn)確，便于在運(yùn)行人員監(jiān)控，保證再生效果，運(yùn)行中準(zhǔn)確記錄酸堿耗量。

定期檢測(cè)原水及一級(jí)除鹽設(shè)備出水有機(jī)物含量、樹脂性能和樹脂層高。

加強(qiáng)高效纖維過濾器的運(yùn)行管理，特別是正洗和反洗，避免釋放有機(jī)物，提高對(duì)有機(jī)物的去除率，避免有機(jī)物進(jìn)入后續(xù)設(shè)備。

定期組織內(nèi)部或外部培訓(xùn)，提高化學(xué)運(yùn)行人員業(yè)務(wù)水平，嚴(yán)格按運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行再生操作，準(zhǔn)確計(jì)量，做到認(rèn)真監(jiān)盤、及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并能處理。

5 結(jié)語

經(jīng)過一段時(shí)間的摸索和反復(fù)試驗(yàn)，陽床未出現(xiàn)重復(fù)再生情況，陽床周期制水量上升了25%，陰床冬季制水量上升了20%，酸堿耗量大大降低，減少再生廢水排放，同時(shí)推動(dòng)企業(yè)降低碳排放。但在實(shí)際生產(chǎn)中，除鹽是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，受多方面的影響，基于現(xiàn)有成熟技術(shù)，為提高周期制水量，減低酸堿耗量，可從以下幾方面進(jìn)行考慮：

1） 加強(qiáng)原水殺菌管理，根據(jù)來水水質(zhì)和溫度，及時(shí)調(diào)整加藥量，有效去除天然水體中的有機(jī)物含量，避免后續(xù)可能引起蒸汽品質(zhì)異常。

2） 定期對(duì)除鹽設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部檢查，特別是出現(xiàn)異常情況（亂層、漏樹脂、樹脂顏色異常等），要及時(shí)處理并查找原因。

3） 條件許可時(shí)，加裝反滲透預(yù)脫鹽設(shè)備，降低除鹽水TOC含量，從根本上解決水源有機(jī)物含量高與除鹽系統(tǒng)運(yùn)行控制的矛盾，保證除鹽水出水水質(zhì)，減少水汽系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕，降低機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。