摘要：受国家环保政策的影响，对于开采地下水作为生产用水的火电厂，引进城市再生水作为机组循环冷却水的改造已是未来的发展趋势。但火电厂的循环冷却水使用城市再生水后，由于氯根离子和硫酸根离子的翻倍升高，使用铜材质冷却管束的凝汽器和辅机设备的冷却器，以及运行多年的冷却水塔等设备会受到很大影响。为了保证以上主要设备的安全运行，本文将以张家口发电厂为例，从城市再生水的水质特点入手，分析其对相关设备的所产生的具体影响，通过比较论证，确定冷却水塔防腐处理、凝汽器和主机润滑冷油器不锈钢冷却管改造与增设闭式循环冷却水系统相结合的改造方案，并提出了具体改造措施。
关键词：火电厂 城市再生水 产生影响 采取措施
1 前言
我国是一个水资源短缺的国家，而可以利用的淡水资源更是很有限。地下水的过渡开采，水资源的污染，水资源利用不充分等问题已经成为阻碍我国经济发展的绊脚石。而火电厂一直是工业用水里的用水大户，火电厂对地下水的开采以及地表水的使用很大程度的影响着我国水资源的配置。近年来国家多次发布文件要求新建、扩建电厂禁止取用地下水，严格限制取用地表水，鼓励利用城市污水处理厂的中水或其他废水。为了适应国家环保政策的调整，建厂多年的老电厂引入城市再生水替代地下水已是未来的发展趋势。
在火电厂耗水中，循环冷却水的占比最大，约占总耗水量的八九成，因此目前引入城市再生水替代地下水大多是作为机组的循环冷却水。不过虽说城市再生水经过各种水处理工艺 ，水质有了一定程度的改善，但是因其本身来自废水污水，其水质与地下水相差很大，因此循环冷却水水源改变后对火电厂的相关设备还是会造成很大影响。下面将以张家口发电厂为例，探讨火电厂引进城市再生水后，会对相关设备产生的影响及相应的应对措施。
2 城市再生水水质情况及对火电厂生产设备产生的影响
2.1 城市再生水的处理工艺
目前主流的城市再生水处理方法分两个工艺：
（a）城市污水 → 水解酸化+A2O(悬浮填料投加)+活性砂滤工艺 → 一级A排水。
（b）一级A排水 → 缓冲调节水池 → 硝化曝气生物滤池 → 机械加速澄清池（投加石灰和硫酸亚铁） → 酸化渠（投加浓硫酸） → 活性砂滤池清水池 → 外送。
2.2 城市再生水的水质特点
为了更准确的分析火电厂引进城市再生水后的影响，下面以张家口地区为例，调取了其城市再生水与地下水的重要水指标参数进行对比说明，见下表：
从上表可以看出城市再生水的水质氯根离子、硫酸根离子、生化需氧量等指标明显比地下水的高许多，特别是氯根离子更是翻倍增加，这使的城市再生水的腐蚀性大大增强。而由于火电厂循环冷却水是闭式循环，一般控制循环倍率为3—5倍，如果使用城市再生水作为循环冷却水，其氯根离子、硫酸根离子、生化需氧量等指标的升高将严重影响到火电厂循环冷却水系统的设备及冷却器的寿命。
2.3 城市再生水对火电厂生产设备产生的具体影响
城市再生水的腐蚀性增强对火电厂设备的影响主要集中在使用铜材质冷却管束的凝汽器和辅机设备的冷却器，以及运行多年的冷却水塔等。
（1）对于凝汽式汽轮机的凝汽器，建厂设计时一般都使用铜材质的冷却管束，铜管厚度一般为0.8mm，铜管与管板胀接后会使胀口处的管板减薄并且增加了内应力，循环水会优先腐蚀铜管的胀接口处，导致凝汽器内漏，影响凝结水质。而使用城市再生水后，由于Cl－的大大升高，使得这一腐蚀过程大大加快，严重影响汽轮机的长期安全稳定运行。
（2）火电厂的辅机设备通过设置的冷却器进行冷却降温，对于设计使用地下水的火电厂，为了提高冷却器的换热效率，冷却器的换热管一般采用铜管材质，铜管的管壁厚度一般为0.5mm—1mm，同样采用胀接的方式与管板密封固定。城市再生水的Cl－过高，同样会对冷却器的铜管产生腐蚀，特别是胀口处容易产生腐蚀内漏。
（3）而对于一些老厂的冷却塔等水工建构筑物，由于从建厂至今运行时间较长，长期处于C类环境运行，原混凝土结构的性能及外观现状是否满足要求已不明确。同时由于再生水中有较高的Cl－，使得其在水、氧的环境下与钢筋和金属起化学反应，形成许多带有阴极和阳极的小电池，最终生成氧化铁和氯化铁这两种铁锈。使得它对于钢筋混凝土的钢筋和金属构件的腐蚀，比起地下水要严重的多。对金属构件来说，腐蚀减少了结构断面。降低了钢材的强度。混凝土中的应力，导致钢筋的保护层沿着已被锈蚀的钢筋产生裂纹，从而形成渗入结构体内的通道，进一步加速钢筋的锈蚀，形成恶性循环，直至保护层脱落。而水中的SO42－通过裂缝进入混凝土内部后，经过化学反应生成硫酸钙，体积膨胀，还会使混凝土胀裂破坏。Cl－进入混凝土后与水泥中的水化硅酸钙起作用，最后生成CaCl2、Al(OH)3等使水泥松散，减弱了胶结力。因此使用再生水作为循环冷却水水源后，就必须提高钢筋混凝土本身的抗腐蚀性能。
3 火电厂使用城市再生水后采取的措施论证
在使用城市再生水作为循环水补充水后，由于凝汽器的冷却水水质的改变，为了提高防腐蚀性能，凝汽器的换热部件管材需由铜管更换为TP317L不锈钢管；胶球清洗系统设备需考虑整体更换或更换通流部分材料。而对于辅机冷却器冷却水系统除了更换管束管材外，增设一套辅机冷却器用闭式循环冷却水系统也是一个不错的解决方案，下面将对这两种方案进行论证比较。
3.1 为辅机冷却器冷却水系统增设闭式循环冷却水系统方案
作为机组循环冷却水补充水后，在汽机房内改造建设一套闭式循环冷却水系统，已达到使冷却器与城市再生水分离的目的。闭式循环水的补水采用凝结水或除盐水，闭式循环水的冷却水使用城市再生水（即从凝汽器冷却水的入口管道取水）。这套系统的主要设备有开式循环水泵、闭式循环水泵、板式换热器及配套系统等。通过与城市再生水换热向汽机房（主机冷油器除外）、锅炉房、空压机、化学汽水取样装置设备冷却器提供冷却水源。
由于主机冷油器所需的冷却水量较大，为了尽量减少闭式循环冷却水系统的容量，采用对主机冷油器进行冷却管和管板改造为316材质，改造后主机冷油器的冷却水直接使用循环冷却水。
采用闭式循环冷却水后水温相对增高，闭式循环冷却水流量要进一步增加，为了保证有足够的闭式冷却水循环流动，需相应增加100%容量的闭式循环水泵2台(1台运行、1台备用)和75%容量的换热器2台，由于板式换热器具有换热效率高、占地面积小的特点，所以闭式循环水系统换热器采用板式换热器，保证闭式循环水温相对开式循环水温升高的温度尽量低，换热器温差设计5℃。由于夏季开式循环水温偏高，会使闭式循环水温升高，以及再生水容易在板式换热器集聚絮状污泥，因此增设100%容量的开式循环水泵2台（一台运行，一台备用），提高开式水的流速。
3.2 更换管束为316L不锈钢材质的辅机冷却器方案
对机侧、炉侧、空压机、化学取样等辅机设备冷却器和部分管道进行改造，汽机侧的辅机设备冷却器，使用冷却水为水塔的循环水，在夏季循环水温度太高时要进行掺入温度较低的地下生水，缓解设备温度的升高。利用城市再生水作为循环冷却水补充水后，需要对全部主机、辅机冷却器的冷却管由铜管改造为316L不锈钢管，管板改造为304不锈钢材质。
而锅炉房辅机设备冷却器、除灰空压机、仪用空压机、化学汽水取样等的冷却器本身使用的温度较低的地下生水，使用城市中水作为冷却水后，因水质变差、氯根增高、水温与地下生水相比升高约20℃左右，因此需要对所有冷却器的冷却管由铜管改造为316L不锈钢管，管板改造为304不锈钢材质，吸风机和空压机的冷却器由于冷却水温升高还需增容改造。
3.3 两种改造方案措施论证比较
（1）增设闭式循环冷却水系统方案：
优点：由于采用了闭式循环冷却水系统，冷却水为凝结水或除盐水，不容易在冷却器的换热管结垢和集聚絮状污泥，保证了冷却器的换热效率高，冷却管的清洗频率大幅度的降低。
缺点：由于增加了闭式循环冷却水系统，汽机侧冷却水系统较复杂，增加了电气设备和热工控制设备。
（2）改造所有辅机冷却器方案：
优点：不需要新增加冷却水系统，只对原冷却器的冷却管束和管板进行改造，系统简单。
缺点：所有汽机侧辅机、锅炉侧辅机、空压机等的冷却器均需要更换。由于冷却水变为城市再生水，容易在冷却器的换热管内集聚絮状污泥，每年都必须在夏季高峰用电前对所有的冷却器进行一次水冲洗，特别是发电机氢气冷却器需要每年在夏季高峰用电前申请停机进行氢气冷却器换热管冲洗。
（3）两种方案的比较论证：
两种方案对于再生水消纳影响不大，且投资相近。通过上面分析，增设闭式循环冷却水系统方案的冷却水为凝结水或除盐水，基本在冷却管无淤泥附着，冷却管为传热高的铜管，传热效率高，设备使用寿命长；改造所有辅机冷却器方案需每年清洗所有的冷却器，日常维护工作量大，并且每年夏季前需申请停机一次清洗发动机氢气冷却器。
综合比较推荐增设闭式循环冷却水系统方案为建议改造方案。
4 使用城市再生水后火电厂的具体改造方案
以张家口发电厂为例，将循环冷却水的补水替换为城市再生水后，选用增设闭式循环冷却水系统的改造方案，需对火电厂各系统进行以下改造。
4.1 汽机侧改造
每台机组改造增设一套闭式循环冷却水系统，主要设备有开式循环水泵、闭式循环水泵、板式换热器及配套系统等。通过该系统向汽机房（主机冷油器除外）、锅炉房、空压机、化学汽水取样装置设备的冷却器提供冷却水源。拆除工业水泵和氢冷升压泵，保留射水泵及射水抽气器。同时增加再生水向射水池补水系统，装设小流量低扬程射水池水循环水泵，泵出口水接入到开式循环泵入口母管处，保证了射水池内的水能够循环，防止了射水池水温升高降低射水抽气器的效率。
凝汽器的换热部件管材由铜管更换为TP317L不锈钢管；将胶球清洗系统设备进行整体更换。
主机冷油器继续采用开式水冷却，并按照再生水水质的要求，对冷油器的换热管由铜管改造为管材为TP317L不锈钢，管板改造复合材质，并且增加冷油器的冷却面积。
其他汽机侧设备采用闭式循环水系统冷却，水质好，不需更换换热管材。
4.2 锅炉侧和空压机的改造
由于开式循环水夏季水温最高可达33℃，按板换5℃的端差计算，闭式冷却水水温将达到38℃，需要将仪用空压机、除灰空压机以及吸风机润滑油站冷却器进行增容改造。对原冷却水管道直径进行重新核算，必要时对冷却水管道进行改造更换。
4.3 化学设备的改造
机组炉内汽水取样设备冷却器的冷却水由地下生水改为闭式循环冷却水，由于冷却水水温的提高超出了设计时的温度，影响到取样水冷却效果和仪表监测数据，需改造再增加一级冷却器，以及部分高温样水在预冷器后增设10P压缩机恒温装置，提高冷却效果，满足机组采用准确要求。
由于新增设闭式循环冷却水系统，水汽取样系统相应增加闭式循环冷却水取样装置，样水接至原有机组炉内水汽取样间，并配置pH表、电导表及人工取样。需增设闭式循环冷却水加药设施，设置1套加药装置，按1箱3泵配置。加药泵设置变频，控制信号进入辅控DCS。考虑到原有辅机设备部件含铜，闭式循环冷却水加药不能采用加氨方式调节，药品推荐选用联氨、磷酸盐或其他缓蚀剂。
4.4 仪表和控制部分改造
增设闭式循环冷却水系统后，汽机房内闭式循环冷却水系统以及其他配套的冷却系统的控制要进行热控设计，还包括新增的动力电缆、控制电缆及相关的敷设电缆附件。汽机房内机组闭式循环冷却水系统的改造控制部分要在机组DCS系统中实现，但不占用之前的备用点，新配置插件完成增加控制及监测点。
4.5 电气部分改造
每台机组新增2台闭式循环水泵和2台开式循环水泵，根据泵配置的电机功率大小确定采用的电源电压，电机功率大于等于200kW时采用6kV的电源，电机功率小于200kW时采用380V的电源。其中6kV电源取自机组主厂房6kV工作段，380V电源取自机组主厂房380V工作段。
4.6冷却水塔的改造
对冷却水塔进行防腐处理，冷却塔防腐范围包括塔筒内壁、外壁，淋水槽，水池，人字柱等，混凝土表面保护涂料体系的主要技术要求有：附着力、耐化学腐蚀、耐冲刷、抗渗透性、耐老化、耐候性、耐久性、保光保色、施工方便等等。在改造前对与再生水接触的原混凝土结构进行进一步的检查和性能检测，以判定对原混凝土结构适宜的防腐工艺。
参考文献：
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[3] 《火力火电厂金属技术监督规程》DL/T 438-2016.
[4] 《火力火电厂锅炉机组检修导则第3部分：阀门与汽水系统检修》DL/T 748.3-2001.
[5] 《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG 21-2016.
作者简介：
王亚南（1994—），男，本科，助理工程师，从事火电厂汽机专业设备检修工作。
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