大型火電廠化學水處理技術進展與應用探討
摘要：分析國內外電廠化學水處理技術的主要發展特點與趨勢，從水處理工藝、水處理監控技術等方面闡述電廠化學水處理技術的最新進展與應用情況。
關鍵詞：火電廠 化學水處理技術 進展與應用
0 前言
隨著大型火電機組建設規模的不斷擴大，機組的參數與容量不斷提高，電廠化學水處理也正發生著深刻的變化。而這種變化的動力，主要來源于高參數大容量機組對水質的要求和環境保護的需要，新的水處理技術與材料的出現及應用又為電廠水處理技術的發展提供了可能。另外，在劇烈的電力市場競爭中，每個電廠都面臨著減員增效的壓力，面臨著生產流程優化重組的需要。在上述各種因素的作用與影響下，電廠化學水處理在技術選用方式、設備布置、工藝流程、控制監測、運行維護、生產管理等環節均發生深刻的變化。
1 總體發展特點
電廠化學水處理在為高參數、大容量的現代化火電廠的生產服務過程中，呈現出以下主要發展趨勢與特點：
1.1 水處理設備呈集中化布置的特點
傳統的電廠化學水處理一般按功能作用設有：凈水預處理、鍋爐補給水處理、凝結水精處理、汽水取樣監測分析、加藥系統、綜合水泵房、循環水加氯、廢水及污水處理等系統。存在占地面積大，生產崗位分散，管理不便等問題。目前，從優化水處理整體流程的需要出發，設備布置以緊湊、立體、集中的構型取代平面、松散、點狀的構型。節約了占地面積和廠房空間，提高了設備的綜合利用率，方便了運行管理。
1.2 水處理生產呈集中化控制的特點
集中化控制就是把電廠所有化學水處理的各個子系統合為一套控制系統，取消傳統的模擬盤，采用PCL和上位機的2級控制結構，利用PLC對各個系統中的設備分別進行數據采集和控制，上位機和PCL之間通過數據通信接口進行通信。各個子系統以局域網的總線形式集中聯接在化學主控制室上位機上，從而實現化學水處理系統相對集中的監視、操作與自動控制。
1.3 水處理方式以環保和節能為導向的特點
隨著環境保護意識的提高，盡可能減少水處理過程中產生的各類污染，不用或少用化學藥品已成為必然的選擇。“綠色水處理”的概念也逐漸深入人心。如鍋爐水處理正朝著“少排污、零排污”，“少清洗、零清洗”的方面發展。
隨著水資源可持續發展戰略的深化，作為耗水大戶，合理地利用水資源，提高水的重復利用率已成為電廠水處理工作的緊迫任務。依靠科技進步與管理制度，實現水的循環使用、循序使用（串級使用）和水的回收使用尤為重要。廢水的“零排放”已在部分電廠得到實現，即只能從水體取水而不向水體或周圍環境排放任何廢水。
1.4 水處理工藝呈現多元化的特點
傳統的電廠水處理工藝中，主要以混凝過濾、離子交換、磷酸酸處理為主要特征。如今，電廠水處理技術出現了多元化的特點。隨著化工材料技術的不斷進步，膜處理技術（包括微濾、超濾、反滲透、納濾等）開始廣泛應用于水質處理中，離子交換樹脂的種類、使用條件與范圍也有較大的進展，粉末樹脂在凝結水處理中發揮著積極的作用。
1.5 檢測方法方式日趨科學化的特點
化學檢測與診斷技術進一步得到發展與應用，檢測與診斷的方法方式日趨科學化。在觀念上，化學診斷實現了從事后分析到事前防范的轉變；在手段上，逐步實現從手工分析到在線診斷的轉變；在級別上，也開始實現從微量分析到痕量分析的轉變。所有的這些轉變，為預防事故的發生，保證機組的安全穩定運行提供了有力的保障。
2 電廠化學水處理技術的進展與應用
2.1 水處理工藝技術
2.1.1 鍋爐補給水處理
傳統的鍋爐補給水預處理通常采用混凝與過濾處理。國內大型火電廠澄清處理設備多為機械加速攪拌澄清池，其優點是：反應速度快、操作控制方便、出力大。近年來，變頻技術不斷地應用到混凝處理中去，進一步提高了預處理出水水質，減少了人工操作。在濾池的發展方面，以粒狀材料為濾料的過濾技術經歷了慢濾池、快濾池、多層濾料濾池等發展階段，在改善預處理水質方面發揮了一定的作用。但由于粒狀材料的局限性，使過濾設備的出水水質、截污能力和過濾速度均受到較大的限制。目前，以纖維材料代替粒狀材料作為濾元的新型過濾設備不斷地出現，纖維過濾材料因尺寸小、表面積大及其材質柔軟的特性，具有很強的界面吸附、截污及水流調節能力。代表性的產品有纖維球過濾器、膠囊擠壓式纖維過濾器、壓力板式纖維過濾器等。
在鍋爐補給水預脫鹽處理技術方面，反滲透技術（簡稱RO）的發展已成為一個亮點，電力行業最早使用反滲透技術的是天津軍糧城電廠，隨后在鄭州熱電、彰化電廠、招遠電廠、彭城電廠、寶鋼電廠、石洞口電廠等得到了應用。反滲透最大的特點是不受原水水質變化的影響。如上海地區的濱海電廠，枯水期時適逢海水倒灌，長江水的氯根有時高達3500mg/L，黃浦江水的含鹽量也會劇增到2000mg/L，單純采用離子交換的除鹽設備已無法適應這樣的惡劣水質。另外，反滲透具有很強的除有機物和除硅能力，COD的脫除率可達83%，滿足了大機組對有機物和硅含量要求嚴格的需要。最后，反滲透由于除去了水中的大部分離子（一般為90%左右），減輕了下一道工序中離子交換系統的除鹽負擔，從而減少酸、堿廢液排放量，降低了排放廢水的含鹽量，提高了電廠經濟效益和環境效益。
在鍋爐補給水除鹽處理方面，混床仍發揮著不可替代的作用，而混床本身的發展主要體現在兩個方面：環保與節能。填充床電滲析器（電除鹽）CDI（EDI）是將電滲析和離子交換除鹽技術組合在一起的精脫鹽工藝，樹脂的再生是由通過H2O電離的H+和OH-完成，即在直流電場中電離出來的H+和OH-直接充當樹脂的再生劑，不需再消耗酸、堿藥劑。同時，該裝置對弱電離子，如SO2、CO2的去除能力也較強。CDI在水處理工藝中在國外的應用較多。1991年，美國的Grand Gulf核電站安裝了首臺電除鹽設備。美國德州熱電廠補給水系統采用RO+EDI處理系統，生水經RO處理后的電導率為5~20μS/cm，再經EDI處理后電導率小于0.1μS/cm。
纖維過濾器、反滲透、電除鹽與離子交換技術的組合應用將是今后鍋爐補給水處理發展的新趨勢。
2.1.2 鍋爐給水處理
鍋爐給水目前用氨和聯氨的揮發性處理較成熟，但它比較適于新建的機組，待水質穩定后可轉為中性處理和聯合處理。加氧處理改變了傳統的除氧器、除氧劑處理，創造氧化還原氣氛，在低溫狀態下即可生成保護膜，抑制腐蝕。此法還可以降低給水系統的腐蝕產量，減少藥品用量、延長化學清洗間隔、降低運行成本。氧化性水化學運行方式在歐洲的應用較為普及，國內基本處于研試階段。必須強調的是，氧化性水化學運行方式僅適用于高純度的給水，并應注意系統材質與之的相容性。
2.1.3 鍋爐爐水處理
爐內磷酸鹽處理技術已有70余年的歷史，現在全世界范圍內有65%的汽包鍋爐使用過爐水磷酸鹽處理。由于以前的鍋爐參數較低，水處理工藝落后，爐水中常常出現大量的鈣鎂離子，為防止鍋爐結垢，不得不向鍋爐中加入大量的磷酸鹽以去除爐水中的硬度，這樣，爐水的pH值就非常高，堿性腐蝕問題顯得特別的突出。在這樣的情況下，協調磷酸鹽處理應運而生，并取得了一定的防腐效果。但隨著鍋爐參數不斷的提高，磷酸鹽的“隱蔽”現象越來越嚴重，由此引起的酸性腐蝕也越來越多。而在另一方面，高參數機組的鍋爐補給水系統已全部采用二級除鹽，凝結水系統設有精處理裝置。這樣，爐水中基本沒有硬度成份，磷酸鹽處理的主要作用也從除硬度轉為調整pH值防腐。因此，近十年來，人們又提出低磷酸鹽處理與平衡磷酸鹽處理。低磷酸鹽處理的下限控制在0.3~0.5mg/L，上限一般不超過2~3mg/L。平衡磷酸鹽處理的基本原理是使爐水磷酸鹽的含量減少到只夠與硬度成份反應所需的最低濃度，同時允許爐水中有小于1mg/L的游離NaOH，以保證爐水的pH值在9.0~9.6的范圍內。加拿大Ontario Hydro電站壓力為13.8~17.9MPa鍋爐進行平衡磷酸鹽處理的爐水控制指標：磷酸根為0.0~2.4mg/L，pH值9.0~9.6，游離NaOH小于1mg/L。山西陽光發電公司爐水磷酸根濃度范圍0.1~1.0mg/L，期望值為0.2~0.5mg/L。湘潭電廠爐水磷酸根濃度范圍0.1~0.5mg/L，pH值9.0~9.7，當爐水pH值小于9.2，則添加微量的NaOH。
2.1.4 凝結水處理
目前絕大部分300MW及以上的高參數機組均設有凝結水精處理裝置，并以進口為主，其再生系統的主流產品是高塔分離裝置與錐底分離裝置。但真正能實現長周期氨化運行的精處理裝置并不多，僅有廈門嵩嶼電廠等少數幾家，嵩嶼電廠混床的運行周期在100天以上，周期制水量達50萬噸以上。從環保與經濟的角度出發，實現氨化運行將是今后精處理系統的發展方向。另外，在設備投資、設備布置與工藝優化方面，應考慮盡可能多地利用電廠原有的公用系統，如減少樹脂再生用的風機及混床的再循環泵等，盡可能把系統的程控裝置和再生裝置安裝在鍋爐補給水側，以利實現集中化管理。
另一方面，具有過濾與除鹽雙重功能的粉未樹脂（POWDEX）精處理系統也逐步得到應用，如福州華能二期、南通華能二期等電廠。但由于粉未樹脂的價格較高，主要依賴于進口，使得粉未樹脂精處理裝置的推廣應用受到了一定的限制。
2.1.5 定冷水處理
國外的雙水內冷機組由于水箱采用充氮密閉，并設有鈀樹脂催化器進行除氧，所以多采用中性除氧法。而國產雙水內冷機組大多采用敞口式水箱。水處理技術工藝主要有：采用除鹽水與凝結水混合補水的方式或添加少量的堿液來改善pH值，加裝混合離子交換器對定冷水進行處理，還有投加MBT或BTA緩蝕劑來減緩銅腐蝕。從實踐的效果看，堿性化學水工況運行較為成功，但存在著堿度不易控制與調整的問題等。最近，山東省的濰坊、威海、十里泉等電廠采用化學清洗與預膜工藝處理定冷水，取得了較好的防腐防垢效果。應該強調的是，不管是預膜工藝還是直接投加MBT或BTA緩蝕劑及其復合配方，應充分考慮到系統的潔凈程度。
2.1.6 循環水處埋
采用閉式循環冷卻的火電廠，冷卻水的循環回用和水質穩定技術的開發是水處理工作的重點。發達國家循環水濃縮倍率已達6~8倍，國內大多數電廠的循環水濃縮倍率在2~3倍左右，國內火電廠應在提高循環水重復利用效率上下功夫。為避免磷系水處理藥劑對環境水體的二次污染，低磷和非磷系配方的高效阻垢分散劑、多元共聚物水處理藥劑逐漸得到應用。
采用開式排放冷卻的火電廠，特別是以海水作為冷卻水的濱海電廠，冷卻水一般采用加氯處理，其常見的裝置是美國Captial Control公司的產品。但是，也有部分電廠采用電解海水產生次氯酸鈉作為殺生劑。如漳州后石電廠、北侖港電廠等。
2.1.7 廢水處理
目前，國內大型的電廠工業廢水處理的布置基本套用寶鋼電廠的廢水處理模式，即采用廢水集中匯集，分步處理的方式。一般采用以鼓風曝氣氧化、pH調整、混凝澄清、污泥濃縮處理等為主的工藝。但這種處理方式的缺點是對水質復雜且變化范圍大的來水的處理難度較大，并影響到廢水的綜合回收利用。近年來，兩相流固液分離技術逐步得到應用，該技術采用一次加藥混凝、在一個組合設施內完成絮凝、沉淀、澄清、浮渣刮除和污泥濃縮等工藝過程，使水中的泥沙、懸浮固體物、藻類懸浮物和油在同一設施內分離出來。該處理技術提高了出水水質，降低了處理成本，擴大了回用范圍。
2.2 水處理監控技術
2.2.1 控制技術
水處理控制技術的發展以PLC控制為主導，并可以分為三個層面。
第一個層面是水處理各個單獨的子系統實現PLC+PC控制方式，取消了繼電器或模擬屏控制，直接在CRT上進行操作與監控。這一硬件體系在除鹽系統與凝結水精處理系統中應用最為廣泛。目前常用的PLC中有MODICON、AB、SIEMENS、GE、OMRON等產品，工控機有研華、ICS等名牌，監控軟件有INTOUCH、FIX、WINVIEW等流行軟件。程控系統具有穩定性強、人機接口好和自動化水平高等特點，可實現對出水質量的自動監測、藥量的自動調節、閥門和各類泵與風機的自動操作。
第二個層面是采用集中化控制，把化學水處理控制系統作為一個獨立的控制區，實現對化學水處理相對分散的各個子系統間的有效控制與緊密聯接，解決水處理設備位置分散、運行值班崗位多、巡檢工作量大的問題。如蕪湖發電廠化學水處理系統采用上海新華控制工程公司的XDPS—400DCS控制系統，實現了對原先位置較為分散、自動化程度低的水處理系統的集中控制與監測。
第三個層面是通過網關技術或專用的以太網卡與電廠的其他網絡進行聯網，實現水處理生產數據的共享與交換。
根據外高橋、北侖港、嵩嶼、嘉興，石洞口二廠等電廠完成的化學水系統局部程控和相對集中化控制的效果看，化學水運行工作量大為降低。如外高橋電廠4臺300MW機組，目前化學水處理運行僅20余人，較大幅度地減人增效，提高了生產效率與經濟效益，增強了電廠的競爭力。
2.2.2 監測技術
高參數機組及部分高壓機組對水汽進行集中采取與在線分析，在線表計與微機相聯，微機定期巡測管理監測數據，并根據監測結果進行水汽過程的自動調節，實現監測數據實時顯示、自動存案、越限報警、自動生成統計和管理報表等化學監測功能，也可實現水處理工況的自動調節、在線事故分析與推斷等化學人工智能控制和診斷功能，為水質運行工況的調整和歷史趨勢分析以及生產過程中事件和故障的追蹤分析提供了科學的依據，避免了報表數據、事件處理受人為因素的影響。增強了監測數據的可靠性和水工況調節的有效性，也減輕了工作人員的勞動強度。
另外，適用于痕量級分析的在線離子色譜（IC）開始出現，性能優良的硅表（如Polymetron 8891）、鈉表（如ORION 1811EL）、氧表（如HoneyWell 7020）、酸度計（如GLI E33）等在線表計廣泛地應用到連續的水質監測中去，保證了分析數據的可靠性與準確性。
參考文獻
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