（热能工程专业论文）基于凝汽器强化传热技术的循环水系统节水研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 循环冷却水系统耗水量在电厂总耗水量中占有很大比重，是电厂 节水工作的重中之重同时，循环水系统节水工作的开展不仅可以节 约大量的水资源，而且减少污水排放量，保护环境，具有很大的经济、 环境和社会效益。因此研究循环水系统节水问题具有非常重要的现实 意义。 提高循环浓缩倍率无疑可以达到节约循环水的目的，但浓缩倍率 的提高使得循环水水质变差，使其产生结垢倾向，在凝汽器水侧积结 污垢，从而导致凝汽器换热效果下降，进而影响影响凝汽器真空。前 人对循环水系统节水的研究主要是研制新型化学水处理药剂，使循环 水系统在较高的浓缩倍率下运行也不易结垢，但是使用新型药剂必然 会大大增加化学水处理成本，从而增加总的发电成本。为此，本文提 出一种在不改变化学水处理方法的情况下提高循环浓缩倍率，通过强 化传热技术来弥补由于凝汽器水侧结垢所降低的换热效果，即在保证 凝汽器换热效果的前提下达到循环水节水的目的。 本文首先从提高凝汽器汽侧换热系数和降低凝汽器入口循环水温 两个方面介绍了前人在凝汽器强化传热技术研究方面取得的成果，这 些研究成果为文中提出的节水思路提供了研究前提和实践基础。接着， 引入临界污垢热阻的概念，作为联系凝汽器传热效果和循环水水质特 征的“桥梁”然后，借助于渐近污垢热阻模型分别推导出了在不影响 凝汽器换热效果的前提下提高凝汽器汽侧换热系数和降低凝汽器入口 循环水温所引起的循环浓缩倍率增量的计算式。将该浓缩倍率增量的 计算式代入循环水系统中各部分水量间的关系式，得到了上述两种情 况下所对应的循环水系统节水效益计算式最后，通过对某电厂 3 0 0 m w 机组凝汽器设计和循环水系统运行数据进行实例计算，验证了 该节水量计算式，同时为该方法在现场中的推广和应用提供了数据支 持。 分析结果表明，凝汽器强化传热技术，不仅可以提高其换热效果 同时对循环水系统节水也有重要贡献在换热效果不变的前提下，提 山东大学硕士学位论文 高凝汽器换热管汽侧换热系数和降低凝汽器入口循环水温可使i 瞄界污 垢热阻增大，进而可以相应地提高循环水的浓缩倍率，达到节约循环 水补水和减少排污量的目的。凝汽器强化传热技术与循环浓缩倍率增 量以及节水量之间满足一定的定量关系通过实例计算发现，现场中 计算凝汽器强化传热技术引起的循环水系统节水量时，可以通过文中 给出的节水率变化曲线，确定不同冷却塔蒸发损失率所对应的循环水 节水率，进而确定节水量。 本课题的研究成果开辟了循环水系统节水研究的新思路，并为循 环水系统节水研究工作向纵深发展提供了理论依据，同时也为凝汽器 强化传热技术在现场中的推广应用提供了有利的支持。 关键词：循环水系统节水凝汽器强化传热污垢热阻浓缩倍率 玎 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rc o n s u m p t i o no fc i r c u l a t i n g - w a t e rs y s t e mi np o w e rs t a t i o n w h i c ho c c u p i e sag r e a tp r o p o r t i o no ft h et o t a lw a t e rc o n s u m p t i o ns h o u l d b ep a i dm o r ea t t e n t i o n i na d d i t i o n ，w a t e r - s a v i n gt e c h n i q u e so fc o o l i n g w a t e rs y s t e mc a nn o to n l ys a v eag r e a td e a lo fw a t e rr e s o u r c e ，b u ta l s o d e c r e a s ed i s c h a r g eo fs e w a g e ，f r o mw h i c ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y a n de n v i r o n m e n tc a nb e n e f i t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nw a t e r - s a v i n go f c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e m i s v e r yi m p o r t a n tf o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n u n d o u b t e d l y ，t h ep u r p o s eo fs a v i n gt h ec i r c u l a t i n g w a t e r c a nb e r e a l i z e db ym e a n so fi n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o nm u l t i p l y i n gf a c t o r h o w e v e r ，t h ea b o v em e a s u r e w i l lb eh a r mt ot h ew a t e r q u a l i t y s u b s e q u e n t l y ，w h i c hr a i s e st h et e n d e n c yo ff o u l i n ga tt h ew a t e rs i d e o f c o n d e n s e r t h ep r e v i o u sr e s e a r c h e sf o c u s0 nd e v e l o p i n gn e wt y p eo f w a t e rt r e a t m e n ta g e n t ，w h i c hs w e l l st h eg e n e r a t i n gc o s ta l t h o u g ht h e f o u l i n gc a nb ea v o i d e d h e n c e ，i nt h i st h e s i st h em e t h o dt oi n c r e a s et h e c o n c e n t r a t i o n m u l t i p l y i n g f a c t o rw a sp u tf o r w a r di nv i r t u eo ft h e e n h a n c e dh e a t t r a n s f e rt e c h n i q u ew h i c hc a nm a k eu pf o rt h ep a r to fh e a t e x c h a n g er e d u c e dd u et ot h ef o u l i n go nt h es u r f a c eo fc o n d e n s e r t h u s ， t h ep u r p o s eo fs a v i n gw a t e rc a nb ea c h i e v e dw i t h o u td e c r e a s i n gt h e h e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e f i r s t l y ，i nt h i s t h e s i st h ep r e v i o u sa c h i e v e m e n tr e g a r d i n gh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n to fc o n d e n s e rw a si n t r o d u c e di nt e r m so ft h e m e a s u r e so ni n c r e a s i n gh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs t e a ms i d ea n d r e d u c i n gc i r c u l a t i n g - w a t e rt e m p e r a t u r ea tt h ei n l e to fc o n d e n s e r s e c o n d l y ， b a s e do nt h ei n v a r i a n tc o n d e n s e rv a c u u mw a r r a n t ya n dh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n to fc o n d e n s e r ，t h ed e f i n i t i o no fc r i t i c a lf o u l i n gr e s i s t a n c e n i 山东大学硕士学位论文 w a sg i v e no u ta st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f c o n d e n s e ra n dt h ec i r c u l a t i n g w a t e rq u a l i t y i na d d i t i o n ，t h ef o r m u l ao n i n c r e m e n to fc o n c e n t r a t i o nm u l t i p l y i n gf a c t o rr e s u l t e df r o mi n c r e a s i n g t h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta tt h es t e a ms i d eo fc o n d e n s e ra n dr e d u c i n g t h ei n l e tc i r c u l a t i n g - w a t e rt e m p e r a t u r ew a sd e d u c e d t h e n ，t h eb e n e f i t f o r m u l ad u et os a v i n gw a t e ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a sp r e s e n t e d f i n a l l y ，t h ea b o v ef o r m u l a sw e r ep r o v e db yac a l c u l a t i o ne x a m p l ew i t h t h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n a ld a t ao fo n eu n i to f3 0 0 m w i tc a nb ec o n c l u d e df r o mt h et h e s i st h a t ：h e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n t t e c h n i q u e s i nc o n d e n s e rb e n e f i t sb o t hh e a t - t r a n s f e re f f e c ta n d w a t e r - s a v i n go fc i r c u l a t i n g - w a t e rs y s t e m c r i t i c a lf o u l i n gh e a t - r e s i s t a n t c a nb ea u g m e n t e db yi n c r e a s i n gh e a t - t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs t e a ms i d eo r r e d u c i n gc i r c u l a t i n g w a t e rt e m p e r a t u r ea tt h ei n l e to fc o n d e n s e rw i t h o u t r e d u c i n gh e a t t r a n s f e r e f f e c to fc o n d e n s e r c o n d e n s a t i o nm u l t i p l y i n g f a c t o rc a nb ei n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l ya n dt h ep u r p o s eo fw a t e r - s a v i n g a n dp o l l u t i o n r e d u c i n gw o u l db ea c h i e v e d i tc a nb ed i s c o v e r e df r o ma c a l c u l a t i o ne x a m p l et h a tw a t e r - s a v i n ga m o u n tc a nb ed e t e r m i n e db y c h a n g i n g - c u r v eg i v e ni nt h et h e s i sw h i l eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta ts t e a m s i d eo fc o n d e n s e ri si n c r e a s e d t h em e t h o dp u tf o r w a r di nt h i st h e s i sp r e s e n t san e ww a yo fw a t e r - s a v i n gi nc i r c u l a t i n g w a t e rs y s t e ma n dp r o v i d e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o r d e e p r e s e a r c ho n i t f u r t h e r m o r e ，i tp r o v i d e sf a v o r a b l es u p p o r tf o r a p p l i c a t i o no fh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n i q u e si nc o n d e n s e r k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n g w a t e rs y s t e m ；w a t e rs a v i n g ；c o n d e n s e r ； h e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t ；f o u l i n gh e a t r e s i s t a n t ；c o n c e n t r a t i o n m u l t i p l y i n gf a c t o r i v 山东大学硕士学位论文 主要符号表 a 一冷却塔蒸发损失率与环境温度有关的系数 岛一清洁系数 岛一冷却水温修正系数 以一管材修正系数 吒一冷却水流速，m i ， 皿一蒸汽负荷，船， 仇一循环冷却水流量，t l h 吃一蒸汽比焓，题 巧一凝结水比焓，j i k g g 一循环冷却水比热容，d ( k g 足) 0 一凝汽器入口循环水温度， 一凝汽器出口循环水温度， r 一循环冷却水温升， 研一凝汽器传热端差， 0 一对数平均温差， k 一凝汽器总传热系数，( 茁) f 一凝汽器换热面积，m z 靠一凝汽器换热管汽侧换热系数，协z k ) 以一凝汽器换热管水侧换热系数，w ( m ：k ) 一凝汽器换热管汽侧换热热阻，f m ：x ) w 心一凝汽器换热管水侧换热热阻，( m ：k ) w 冗i t 一凝汽器换热管管壁导热热阻，( m ：量) ，矿 卫一凝汽器换热管管壁导热系数，w l ( m 2 胃) 万一凝汽器换热管管壁厚度，埘 ，j 一饱和蒸汽温度， v 山东大学硕士学位论文 0 一循环水平均温度， 0 一凝汽器换热管外壁温度， 0 一凝汽器换热管内壁温度， 吐、一凝汽器换热管外径、内径，m 心一凝汽器换热管换热热阻，( m 2 x ) w r i 一水侧污垢热阻，( m 2 x ) w 一临界污垢热阻，( m 2 k ) w 丘一临界换热系数，w ( m 2 研 _ 一渐近污垢热阻，( 脚：k ) w l 6 一时间常数，h p 一运行时问，h 一i 临界清洗周期，h p 一补水率，即补水量占循环水总流量的百分数， p i 一蒸发损失率，即单位时间的蒸发损失占循环水总流量的百分数， p 2 一风吹损失率，即单位时间的风吹损失占循环水总流量的百分数， b 一排污损失率，即排污水量占循环水总流量的百分数， c 。一补充水的盐离子浓度，通常以系统中氯离子浓度为标准 c 一循环水的盐离子浓度 i 一循环浓缩倍率 g 一通过凝汽器换热管的热流密度，所2 b 一冷却塔改造后循环水温度变化量， r e 一雷诺数 p r 一普朗特数 m 一努谢尔数 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名： 日期： 山东大学硕士学位论文 第章绪论 1 1 世界水资源匮乏现状 “如果说上个世纪所发动的战争是由于争夺石油引起的，那么本 世纪的战争则是为争夺干净的水资源引发的”，有人曾经这样评价水资 源在2 l 世纪的重要性由此我们也可以看到世界水资源匮乏以及被污 染的现实状况。 根据国际经验，每人每年1 0 0 0 立方米可重复使用的淡水资源是基 本指标，低于这个指标的国家可能会遭到阻碍发展和损害健康的长期 性水荒目前，世界上有2 0 个左右的国家已低于这一指标据有关国 际组织预测，生活在缺水国家的人口将从1 9 9 0 年的1 3 2 亿增加到2 0 2 5 年的6 3 5 亿和9 0 4 亿之间，到2 0 5 0 年，预计生活在缺水国家中的人 1 3 将增加到1 0 6 亿和2 4 3 亿之间【1 1 。由此可以看出上述对水资源匮乏 的描述并不是“骇人听闻” 我国就是个严重缺水的国家，人均水量仅为世界人均水量的1 4 。 随着科技的进步，工业的迅速发展，以及人民生活水平的不断提高， 各行各业排放的废水量不断增加，势必使本来有限的水资源更加匮乏， 严重困扰经济的持续健康发展。 1 2 国家政策对节水的重视 电力工业是用水大户，水资源也直接影响到电力生产由于缺水， 有的电厂建厂时不得不采取“以水定电”，限制电厂规模；有的电厂在 干旱季节水资源紧张时被迫停机，不能满发在用水紧张的同时，又 大量排放冲灰水及废弃污水，污染环境为此，电厂必须对排水的治 理和超标罚款付出相当的代价，随着中华人民共和国水法的颁布 及水污染防治法等一系列法规的执行，国家对水资源的管理将进 山东大学硕士学位论文 一步加强。电厂作为用水与排水大户，加强用水和节水管理对于电厂 安全经济运行以及实现可持续发展有着重要意义。 近2 0 年来我国火电厂用水定额指标取得了很大的进步。据不完全 统计 2 1 ，我国大型火电厂8 0 年代平均耗水指标为1 4 2 1 5 6 1 3 1 3 ( s o w ) ，在国家经委与建设部于1 9 8 4 年9 月颁布的工业用水定 额( 试行) 规定值1 3 9 1 8 5m 3 ( s g w ) 的范围以内。1 9 8 8 年，原 能源部颁布的火力发电工程设计的基本要求和若干技术政策通知 明确指出：对采用循环冷却系统的大型火电厂，要求发电装机耗水率 在1 0 m 3 ( s g w ) 以下上世纪9 0 年代火电厂耗水统计数据显示已基 本实现该目标。以1 9 9 9 年的统计数据为例，大型火电机组( 单机容量 不小于3 0 0 m w ) 最大耗水指标为1 0 2 0m 3 ( s g w ) ，平均水平为0 8 n 1 3 ( s o w ) ，最小为0 6 9 7m 3 ( s g w ) ，由此可见，电站节水是有潜 力的。 2 0 0 2 年，国家经贸委和国家标准化管理委员会联合发布了电力、 石油化工、钢铁、造纸、印染5 个重点行业的取水定额国家标准【j j 。 其中取水定额第l 部分：火力发电g b t 1 8 9 1 6 1 2 0 0 2 现已由国家 经贸委作为国家标准批准颁布执行，该定额以电力建设研究所起草的 火力发电厂节水规划和中国电力建设工程咨询公司修编的火力 发电厂设计技术规程为基础，通过大量调查、专家研讨与行政审批 形成。取水定额中增加了装机取水率指标，以求从设计开始就对火 电厂用水进行控制。装机取水率是体现火电厂最大取水能力的一个重 要指标，它由夏季最大需水量除以装机容量求得，单位为1 1 1 3 ( s o w ) ， 其作用是：( 1 ) 作为设计取水建筑物的依据；( 2 ) 作为申请取水量的 依据；( 3 ) 作为火电厂用水的控制指标之一。取水定额中规定的装 机取水率即设计耗水指标：对于循环供水系统，单机容量3 0 0 m w 及以 上时，不宜超过o 8m 3 ( s g w l ：单机容量小于3 0 0 m w 时，不宜超过 1 0m 3 ( s g w ) 。对于直流供水系统，根据单机容量，分别不超过0 1 2 m 3 ( s g w ) 和o 2 0m 3 ( s g w ) 。 我国是一个水资源十分短缺的国家，水资源短缺已成为经济社会 全面、协调、可持续发展的严重制约因素。与此同时，水资源利用整 体效率不高，水资源利用方式粗放，在生产和生活领域存在严重的结 山东大学硕士学位论文 构型、生产型和消费型浪费。从我国的基本国情出发，节水是一项必 须长期坚持的战略方针和基本国策。针对我国水资源开发利用中存在 的问题和未来经济社会发展对节水型社会建设工作的要求，制定“十 一五”全国节水型社会建设规划，是建设节水型社会的基础性工作。 国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知( 国发 2 0 0 5 2 1 号) 明确要求编制“十一五”节水型社会建设规划，统筹 考虑、全面部署“十一五”期间我国节水型社会建设工作。编制“十 一五”节水型社会建设规划对促进全国节水型社会建设工作，保障节 水型社会建设工作科学、系统、有序地开展具有十分重要的意义。 1 3 火电厂水务管理分析 1 3 1 电厂耗水的分类 目前大多数电厂使用循环冷却水系统，该类型电厂耗水主要由冷 却塔损失，除灰系统损失、锅炉补给水、工业与生活用水等组成，其 中冷却塔和除灰系统损失水量因循环水浓缩倍率和除灰方式的不同而 有较大区别，造成各电厂耗水量各不相同。 冷却塔损失由蒸发、风吹及排污损失组成。蒸发损失主要与环境 温度有关，蒸发损失率按只= 触计算 4 1 ，其中址为冷却塔进水与出水 温度差，彳为与环境温度有关的系数，可由表1 一l 查得以循环水进 出口温差为1 0 c ，夏季于球温度为3 0 为例，则由上式计算出的冷却 塔蒸发损失率为1 6 。 表1 2 系数a 与环境温度之间的对应关系【4 j l 气温( ) l o一5o5l ol52 02 5 3 0 i l 足o 0 s0 0 90 1 00 1 l0 1 2o 1 3o 1 40 15 o ，1 6 冷却塔风吹损失率与是否安装除水器有关，自然通风冷却塔安装 除水器后风吹损失率一般按o 1 计算【4 1 。当蒸发损失率和风吹损失率 确定后，冷却塔排污率与循环水浓缩倍率有关，浓缩倍率提高，捧污 率降低 山东大学硕士学位论文 除灰用水与灰渣量及除灰方式有关在灰渣量相同的情况下，以 干除灰方式最为省水。目前工程设计中，除灰用水一般采用冷却塔排 污水或其它回水。 表l 一3 典型2 3 0 0 m # 火电机组耗水量统计1 5 j ! !。登! 盛竺。竺! 兰 置挣墙蔫发水授 7 j 7 6 取 i “* 循环水量为拜n o m h 鼍冷塔风唆承摄 6 7 7毫 - 0 1 曩冷蒜捧跨木攮 帕i1 2 i 。 箍：繇嚣3 匐收术甩怍工韭用术嚣蒯木赠攥葺境 鲁炉秆蛤未 工生用承 生话用木 厂区除茛蝴术 厂井木力昧茂闱术 蕾煤采兢冲冼瑚尘甩术 船授正常工挽考虑 3 1 0l 拍 部分回收蓐分用爱睁塔斯水 o， 只考虑厂区职工生恬用术 o1 0 0 1 4 5用爱狰詹捧污表捧木 o拍 垮化站化学木处疃醺鲁用木 ，o 争圯站，化擘木处理便鲁l o 丕婴墨丛查笪堕垄丝!趁垦苎堡 垦圭鱼星型璺查 龟堕 2 1 2塑! 苎 越宣生蓉i 选拄擅益友2 堡生“窒醯 1 3 2 各类耗水量比较 表1 3 中的统计数据基本上代表了火电厂中各类用水消耗量在 电厂总耗水量中占的比例。需要说明的是，表1 3 中，湿冷塔的排污 损失被全部回收，用作工业用水、除灰用水以及输煤系统冲洗、抑尘 用水，因此在表1 3 中统计耗水量时，湿冷塔的排污损失量是以零来 表示的，但在统计耗水比例时，作者认为应将回收利用的排污水还原 为冷却塔排污耗水量。具体做法就是把工业用水、除灰用水以及输煤 系统冲洗、抑尘用水中用到湿冷塔排污水的耗水量累加起来作为湿冷 塔排污耗水量图1 1 是根据上述观点以该表中的统计数据为依据， 画出的电厂中各类水耗在总耗水量中所占比例的示意图。 山东走擘颟参擘往 之 嘲1 一l 火q ；l 厂巾各类耗水秤总耗水帚巾所 比例示意鞘 出圈p 叫：以看如，疆环冷却求薏绕t l t 的蕊笈损失在惑耗永萎z | t 占的比蜘是罐人袍，这剐总耗承釜舱5 7 ，这避循坪冷却永系统需簧 及时补充新鲜水的最i 攫原网。溅冷塔的蒸发攒失，风吹损失和摊污 搦大构成了循薜冷却隶系统豹盛耗水撅夹，占帆龌总耗零羹黔s 7 1 3 3 莱电厂耗水指标实倒分析 隔1 2 是丰鲢掘菜必力发电厂3 0 0 m w 机缀和6 0 0 m w 捱组2 0 0 5 年每 月统计的单位发屯耗水撼数据衙出的。 罔l 一32 0 0 5 年粜屯厂3 0 0 m w 机组柳6 0 0 9 w 机组发电承耗统计幂意照 取水定额巾埘定：对十循环口 水系统。荦机容量3 0 0 m w 及以 1 蹲，不宜越过0 8 m 3 疆$ e w ) ：零讯奔量夺子3 0 0 m w 辩，不宣超过 10m 3 ，( s a w ) 。该也厂，采用循环供水方式，嗣1 4 f 统计机组的单 山东大学硕士学位论文 机容量分别为3 0 0 m w 和6 0 0 m w 。从图中可以看出该电厂2 0 0 5 年控制 的单位耗水指标均接近取水定额中规定的上限值( o 8 m 3 ( s g w ) ) ， 有的甚至超过该上限值，如2 0 0 5 年1 0 月份该厂3 0 0 m w 机组对应的单 位耗水量达o 9 5m 3 ( s 6 w ) ，同时该机组在9 月份和1 1 月份的单位 耗水量也超过规定的上限值。从上图中还可以看出，该电厂对于 6 0 0 m w 机组发电水耗的控制还是比较理想的，并且发电水耗随季节变 化的规律在图中也表现的很明显，环境温度镜高的5 、6 、7 、8 月份的 发电水耗明显高于1 0 、1 l 、1 2 月份，然而该规律在3 0 0 m w 机组的统 计结果中表现得并不明显。上述分析结果表明该电厂应采取相应的节 水措施加强对3 0 0 m w 机组发电水耗的控制。 相关统计 6 1 表明目前国内大容量机组的单位发电耗水量基本满足 国家政策中相关控制指标的要求，但我们也应当看到国内火电厂单位 发电耗水量与国外相比还存在较大的差距。主要体现在国外机组普遍 采用循环冷却水系统的高浓缩倍率1 7 l ，水力除灰系统的灰水高回用率 和低的全厂废水外排量。这些差距为我们研究电厂机组节水工作指明 了方向。 1 4 节水对策 我国水资源的短缺和废水外排污染加剧了作为耗水大户的火力发 电厂的用水困难。因此要求火电厂在采用高效、洁净技术的同时，尚 需考虑大力节水。为达到上述目标，上至国家政策，下到现场工作人 员都在电厂节水问题上出谋划策，”给出了很多节水对策 s 1 2 】。现将主 要对策总结如下：j? t “ ( 1 ) 国家对于电厂节水工作非常重视，几次下令关停小容量火电机组， 要求腾出水量建设超临界机组。到2 0 0 3 年全国共关停小火电1 2 g w ， 腾出水量来发展6 0 0 m w 及以上的超临界机组，实现“以大代小”和技 术跨越。 ( 2 ) 建立示范性干湿并列联合冷却系统装置的电厂，使长年运行的空 冷段发挥节水功能，在夏季运行湿冷段发挥省煤效能( 用以弥补空冷 塔在夏季冷却效果不佳所导致的机组效率偏低的不良影响) 。 6 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 建立示范性洁净煤燃气一蒸汽联合循环电厂。i g c c 联合循环发 电厂可节水3 0 5 0 ，节水效果好，污染少，可满足环境保护要求 ( 4 ) 充分利用城市再生水。生活废水经深度处理后，作为电厂循环冷 却水的补充水使用 ( 5 ) 对火电厂中耗水量最多的项目采用新技术、新工艺节水。如：采 用节水型空冷机组根据图1 1 的统计结果，电厂中的循环水耗水量 占总耗水量的8 7 ，由此看来循环水系统节水是电厂节水工作的重中 之重若采用节水型火电空冷机组，就可以删掉这个耗水大项，如在 大同、太原、丰镇等严重缺水的地区采用的空冷机组。 ( 6 ) 采用干式除灰排渣。湿式除灰排渣项目虽不占全厂新鲜水耗水量， 然而由湿冷塔排污水供给；但若采用空冷机组，除灰排渣仍为湿式， 就需要供应新鲜水，这显然不协调。合理的做法是排渣和除灰均采用 现代无水输送技术 虽然有上述节水对策。但在现场中具体应用中还是存在很多问题， 如：干式冷却塔虽然可以节约大量的冷却水，但其冷却效果不好，尤 其在夏季，环境温度普遍较高时，凝汽器真空恶化，造成机组效率下 降，严重时还会损坏机组，造成不良影响；并且干冷塔的投资一般比 较高，因此在实际确定是否采用干式冷却塔时，需进行经济性和安全 性的综合考虑另外，目前较成熟的干式排渣除灰技术还是采用国外 的，设备和技术投资较高，因此现在电厂普遍采用的还是湿式排渣除 灰技术，设备的国产化和国内技术的进一步完善是该项技术得以普及 的前提。 1 5 本课题的思路及研究意义 根据上述对火电厂的水务管理分析可知，循环水系统耗水量占到 了电厂总耗水量的8 7 ，因此，循环水系统节水是火电厂节水工作面 临的重要问题本文就是针对火电厂循环水系统节水问题提出自己的 观点和解决方法。 随着能源意识和节水环保意识的增强，人们已经开展了电站节能 和节水工作的研究，并且都在各自的领域取得了显著成效。电站中的 7 山东大学硕士学位论文 节能工作开展的比较早，人们尝试使用各种方法提高设备的换热系数， 如新型换热管件的引入1 1 卜15 1 、各种强化换热管的使用【1 6 ”】值得一 提的是目前电站普遍使用的凝汽器换热管，其汽侧换热方式为膜状冷 凝，然而现在国内外已有关于凝汽器换热管珠状冷凝的研究【l s q 4 1 ，并 将此项技术应用于实际生产，可以大大提高凝汽器汽侧换热系数。这 样凝汽器即使在相对较差的换热条件下也可以维持规定的真空度。如 机组夏季运行时，凝汽器入口的循环水温度比较高，导致凝汽器真空 度下降。一般情况下，现场通过增大循环水流量来维持凝汽器中一定 的真空度，这不仅增加了系统水耗而且也增加了循环水泵电耗，大大 提高了运行成本。如果将强化换热管引入凝汽器，就可以在运行成本 基本不变的情况下保证凝汽器规定的真空度 冷却水在循环利用过程中水分不断蒸发，水中难溶盐离子浓度不 断增加，逐渐达到过饱和状态，从水中析出成垢。污垢热阻的存在导 致凝汽器换热系数降低，如果采用强化传热技术弥补由于污垢热阻的 存在而减小的换热系数，则可保证凝汽器的总传热系数不变。如将能 够实现珠状冷凝的换热管应用于凝汽器，可大幅度提高管外换热系数， 达到提高凝汽器总传热系数的目的。因此在换热效果不变的前提下， 强化换热管所允许的污垢热阻肯定大于普通换热管。这意味着，前者 对循环水水质的要求比后者低，此时可适当提高前者所对应的循环浓 缩倍率，达到节约循环水的目的由于循环水补水量减少，用于补水 水质处理的药剂量相应减少为维持循环水总流量不变，系统排污量 也相应减少这样，就从节能的角度不仅实现了节水的目的，还降低 了药剂处理费用，减小了污水排放对环境造成的污染，达到一举数得 的效果，并使节水工作向高效、低成本、低污染的目标迈出了一大步 本文基于上述思路把节能和节水研究的工作统一起来。 山东大学硕士学位论文 第二章相关理论研究现状 2 1 循环水系统节水研究现状 循环水系统的节水问题早在上世纪5 0 年代就引起人们的重视，国 内外学者在各个方面做了大量的研究工作，并取得了显著的成效，现 场运行人员在实际运行过程中也积累了大量的实践经验本文以现有 参考资料为依据，在对几十年来前人关于循环水系统节水研究的纵向 叙述和横向对比的基础上，力图将循环水系统节水问题的有关研究叙 述清楚、完整和条理，并在此基础上探索节水新技术和发展新方向。 表2 1 节水技术在国内火电厂循环冷却水系统中的应用状况及节水效果比较f 。j 表2 1 基本涵盖了目前国内火电厂在循环冷却水系统节水方面 所采取的措施和努力的方向。现分别对表中所列各节水技术措施进行 介绍并对其优缺点进行客观评述。 2 1 1 采用燃煤空冷机组 发电厂空冷技术是实现电厂循环水系统节水的重大技术措施。发 山东大学硕士学位论文 电厂空冷系统也称为干冷系统。它是相对于常规发电厂湿冷系统而言 的。常规发电厂的湿式冷却塔是把塔内的循环水以“淋雨”方式与空 气直接接触进行热交换，其整个过程处于“湿”的状态，其冷却系统 称为湿冷系统。空冷发电厂的空冷塔，其循环水与空气是通过散热器 间接进行热交换的，整个冷却过程处于“干”的状态，所以空冷塔又 称为干式冷却塔或干冷塔。 目前用于发电厂的空冷系统主要有三种l ，即直接空冷系统、带 表面式凝汽器的间接空冷系统和带喷射式( 混合式) 凝汽器的问接空 冷系统。其中，直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝， 空气与蒸汽间进行热交换，所需冷却空气，通常由机械通风方式供应。 海勒式间接空冷系统主要由喷射式凝汽器和装有散热器的空冷塔构 成，系统中的冷却水是高纯度的中性水，该冷却水进入凝汽器直接与 汽轮机排汽混合并将其冷凝，受热后的冷却水绝大部分由循环冷却水 泵送至空冷塔散热器，经与空气对流换热冷却后再送至喷射式凝汽器 进入下一个循环带表面式凝汽器的间接空冷系统又称哈蒙式间接空 冷系统，该空冷系统是在海勒式间接空冷系统的运行实践基础上发展 起来的新系统。哈蒙式间接空冷系统由表面式凝汽器与空冷塔构成， 该系统与常规的湿冷系统基本相同，不同之处是用空冷塔代替湿冷塔， 用不锈钢管凝汽器代替铜管凝汽器，用除盐水代替循环水，用密闭式 循环冷却水系统代替敞开式循环冷却水系统。 采用空冷设备以后，没有了冷却塔蒸发损失、风吹损失以及排污 损失，即最大限度的实现了循环水系统节水，2 3 0 0 m w 机组的电厂耗 水量可降至0 0 6 m 3 s 左右，耗水指标可降至0 i m 3 ( s g w ) 左右i s ! 。但 由于空冷设备投资昂贵，电厂投资增加近1 0 ，且空冷机组的排汽背 压比采用湿冷时高，机组效率降低，厂用电率也有所增加，因此只在 “富煤缺水”地区或干旱地区采用空冷设备，以最大限度节约用水。 另外，节水工作是一项综合性工作，要进行综合治理，通盘考虑 节水效果，而不能顾此失彼。若采用空冷机组，除灰排渣仍为湿式， 就需要供应新鲜水作为冲灰水，这显然是不合适的。合理的做法就是 使用与之配套的风冷型干排渣、气力除灰技术并建设干贮灰场炉渣 冷却输送装置m a c ( m a g a l d ia s hc o o i e r ) 是一项不用水的干除渣技 1 0 山东大学硕士学位论文 术，它用一种特制钢带输送，同时引入适量的自然风有效冷却炽热的 炉底租渣，再用碎渣机将租渣粉碎成小于5 0 m m 的颗粒，经再冷却、输 送至贮渣仓贮存，供综合利用或运走。这样改变了火电厂传统的水力 捞渣机等耗水除渣方式，实现了无渣水排放，为火电厂除灰车间提供 洁净环境目前美国、意大利等国的机组在老电厂改造和新厂建设工 程上均选用m a c 系统以取代传统的水力除渣系统 2 6 1 干除灰系统有正 压气力干除灰系统和负压气力干除灰系统其中正压干除灰系统采用 0 8 m p a 压缩空气，输送距离l k m 左右；负压千除灰系统输送气压 一0 0 6 一0 0 4 m p a ，输送长度不宜超过2 0 0 m 。气力干除灰系统虽然节 省了冲灰水，但具有运输距离短、投资大、维护工作量大、调试周期 长等缺点目前国内使用的干排渣和气力除灰是引进国外的技术，因 此投资较高 综合看来，空冷机组在燃煤电厂使用过程中还存在一些现实的问 题，在决定是否采用空冷机组时，应综合考虑各种影响因素 2 1 2 发展大容量机组 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 0 1 0 01 2 51 3 53 0 06 0 07 0 0 机组容量m w 图2 1不同容量火电机组循环冷却水设计流量比较 图2 1 是作者在对不同容量火电机组的循环水系统现场调研的 基础上得出的，具有一定的参考价值。图中显示，循环冷却水单位设 计流量随机组容量的增大呈现递减的趋势，即：机组容量越大，单位 发电量对应的循环水耗水量越少。基于上述理论，国家几次下令关停 譬摹o一塔盘魁掣番繁罱企瞬悟 山东大学硕士学位论文 小容量火电机组，要求腾出水量建设超临晃机组。到2 0 0 3 年全国共关 停小火电1 2 g w ，腾出水量来发展6 0 0 m w 及以上的超临界机组，实现 “以大代小”和技术跨越。 2 1 3 从补水水源上考虑的节水措施 通常情况下，以地下水或地表水作为循环水的补水水源，这使得 补水在很大程度上受季节的限制。如旱季的时候，地下水水位普遍下 降，如不考虑其它的补水水源，机组的正常运行就会受到影响。因此， 在地下水被开采得差不多的今天，应寻找其它的补水水源。 人们尝试使用各种水源作为循环冷却水的补水水源。曾德勇等【2 7 】 提出经过二级处理的城市污水可作为火电厂循环冷却水系统的补水 华能北京热电厂对此进行了尝试。实际运行表明，城市污水经二级处理 后再经石灰处理及聚合硫酸铁处理、辅以加酸调p h 值、液氯灭菌，循 环水系统采用有效的水质稳定剂并进行氯锭杀菌灭藻，凝汽器铜管的 腐蚀速率小于0 0 0 5 m m a ，粘泥附着速度每3 0 天小于l o m g c m 2 。实 践证明，在一定的浓缩倍率范围内( 2 0 2 5 ) ，城市二级污水可用于循 环冷却系统。并且具有良好的经济效益和社会效益。 近几年，有关学者和现场运行人员根据电厂运行实际情况充分挖 掘污水再利用的潜力提出了电厂污水零排放的运行方案，建立了污水 处理厂，经处理后的水回收利用，既节约了水源又降低了污水对环境 的污染，起到了很好的经济效益和环保效益。李海波等【2 | i 提出以电厂 循环冷却水系统补充水水质标准，作为对电厂污水净化处理的要求，在 净化处理中引入电厂冲灰水作为助凝剂，提高了处理效果，然后用净化 后的污水做阻垢缓蚀试验，筛选出合适的配方，达到污水回用的目的， 使电厂污水基本达到零排放。黄德勇等 2 9 1 提出采用曝气生物滤池、过 滤、杀菌等工艺对齐鲁石化热电厂的废水( 包括生活污水、养鱼塘排水) 进行了处理。处理后的水作为循环水的补充水。结果表明，该处理工艺 合理，系统运行稳定，出水浊度1 n t u ，c o d m n 5 m g l ，氨氮2 m g l ， 异养菌1 0 0 0 个m l ，达到电厂循环水补水水质要求。经过核算，回用 每吨废水可节约4 9 5 元，投资不到1 年即可收回成本，经济效益和环境 山东大擘硕士学位论文 效益显著。许臻等1 3 0j 提到菏泽发电厂采用曝气生物滤池一气浮一砂滤 工艺处理生活污水，使处理后的污水水质达到冷却水补水要求，然后 作为补充水加入到循环水系统中。实践表明该系统运行稳定，各项指 标均达到设计要求，污水回用后，节水效果明显。 电力建设研究所和华北电力设计院合作开展了弱酸旁路软化处理 的试验研究p ”旁路处理的最大特点是，弱酸树脂所处理的水是冷却 塔浓缩过的水，即排污水，其碱度、硬度比补充水大，可以充分发挥 离子交换树脂的交换能力。但同时应指出的是采用旁路处理时，水中 的阻垢剂可能会影响树脂的性能，国内还没有旁路处理的经验，因此， 其可行性还有待于进一步研究和证实。 2 1 4 从提高浓缩倍率上考虑的节水措施 火电厂循环水是耗水大项，除了在补水水源上采取污水回用措施 外，减少循环水损耗的技术途径是提高循环水系统的浓缩倍率。早期 循环水处理的浓缩倍率不大于2 5 ，现在采用有机阻垢剂、缓蚀剂、 杀菌灭藻剂手段，用综合工艺可将循环水浓缩倍率提高到4