（模式识别与智能系统专业论文）再生水补水对热电厂循环冷却水系统的腐蚀影响及控制研究.pdf

北京建筑i ：程学院硕士学位论文 摘要 摘要 水资源是制约经济和社会发展的关键因素之一，污水资源化因此成为应对水危机的重要 研究领域。火电厂是工业用水大户，将再生水回用于火电厂冷却水系统对于节约水资源具有 重要意义。 本研究以北京京能热电股份有限公司循环冷却水系统为依托，针对系统腐蚀问题，通过 再生水及循环冷却水水质测试和循环冷却水系统现场腐蚀测试，评价再生水补水对循环冷却 水系统的影响，掌握循环冷却水系统水质特点和变化规律，了解碳钢、黄铜和不锈钢材质的 耐腐蚀性。针对再生水补水时循环冷却水中浊度、磷含量显著增人的问题，通过模拟冷却水 的极限浓缩倍率试验、钢缓蚀剂试验和调节磷浓度试验，分析浊度、磷含量的来源，并采用 旋转挂片法和电化学方法分析磷含量对腐蚀性的影响。 在试验研究的基础上，从材料选择、循环冷却水水质环境和系统运行管理等方面提出循 环冷却水系统腐蚀控制对策，为系统安全运行提供参考。 关键词：再生水，循环冷却水，水质，金属材质，浊度，磷，腐蚀 北京建筑工程学院硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c ei so n eo ft h ek e yf a c t o r sw h i c hr e s t r i c te c o n o m i ca n ds o c i e t yd e v e l o p m e n t ，a n d s e w a g er e c l a m a t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l dt oc o p e 谢mw a t e rc r i s i s w a t e r d e m a n di nt h e r m a lp o w e rp l a n tt a k e sam a i nr o l ei ni n d u s t r i a lw a t e r , s or e c l a i m e dw a t e rr e u s e di n c o o l i n gw a t e rs y s t e mo ft h e r m a lp o w e rp l a n ti sm e a n i n g f u lt os a v ew a t e rr e s o u r c e t h i ss t u d ya i m e da tc o r r o s i o nr e l i e so i lt h ec i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e mi nb e i j i n g j i n g n e n gt h e r m a lp o w e rp l a n tl i m i t e dc o m p a n y b yt h ew a t e rq u a l i t yt e s t so fr e c l a i m e dw a t e ra n d c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e ra n dt h ec o r r o s i o nt e s t so f m e t a lp i e c e si nc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e ro n s i t e ， t h ei n f l u e n c eo fr e c l a i m e dw a t e ra sm a k e - u pt oc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e mw a se v a l u a t e d ，t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dc h a n g er u l eo fw a t e rq u a l i t yi nc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e mw a ss t u d i e da n d t h er e s i s t a n c et oc o r r o s i o no fc a r b o ns t e e l ，c o p p e ra n ds t a i n l e s ss t e e lw a sc a l c u l a t e d i no r d e rt o s o l v et h ep r o b l e mo ft u r b i d i t ya n dp h o s p h o r u si n c r e a s ew h e nr e c l a i m e dw a t e ri sr e c y c l e da s m a k e - u pw a t e r , t h ee x p e r i m e n t so i ll i m i t i n gc o n c e n t r a t i o nm u l t i p l e ，s t e e lc o r r o s i o ni n h i b i t o ra n d p h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o nw e r ea c t e dt oa n a l y z et h es o u r c e so ft u r b i d i t ya n dp h o s p h o r u s t h e i m p a c to fp h o s p h o r u so nc o r r o s i o nw a sm e a s u r e db yr o t a r yp i e c em e t h o da n de l e c t r o c h e m i c a l m e t h o d b a s e do nt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s ，t h ec o r r o s i o nc o n t r o lm e a s u r e sw h i c hc a nb e i n t e r f e r e df o rs a f ea n ds t a b l es y s t e mp e r f o r m a n c ew e r ep r o p o s e df r o mt h ea s p e c t so fm a t e r i a l s e l e c t i o n ，t h ee n v i r o n m e n to fc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rq u a l i t ya n dt h eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：r e c l a i m e dw a t e r , c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e r , w a t e rq u a l i t y , m e t a lm a t e r i a l ，t u r b i d i t y , p h o s p h o r u s ，c o r r o s i o n h 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：、罗婧热 日期：知j 口年；月日 授权书 本人同意将所著硕士学位论文再旋术束l 、水 蔼热凡丁循补堤钾水惫纨曲禹蚀歌响眨檀铺研氟 著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北 京建篁王猩堂医硒究生丝行使。上述授权的范围包括：三匕立建筮 至程堂院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作 权问题引起的责任。 j 壁塞建笪王猩堂医须依照我国著作权法的有关规定，充分尊 重本人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期年。 作者联系方式： 地址：牝京i i 6 敢臣良噬维路i 琴 电话：o l o g 跳1 9 6 t 手机：l 计g s 砧2 2 呼d 论文作者：罗嫱娥 ( 签章) 劲j 驴年弓月日 邮编：j 咖竹 传真： 电子信箱：f 叫，2 d j d p j 厶咖 北京建筑工挈a 学院硕士学仪沦文l 络论 l 绪论 1 1 课题研究背景 水资源是人类生活和生产中基础性的自然资源，对维持社会和生态环境可持续发展具有 重要意义。然而随着全球t q k 化的刁i 断发展，城市化速度加伙，居民生活水平刁i 断提高，使 全球用水量和取水量不断增加。2 0 世纪世界人u 增加了近3 倍。淡水消耗量增加了约6 倍， 目前全世界6 0 亿人口中约有1 3 的人口仍处于极度缺水的状态。水资源危机的加剧和水环 境质量的不断恶化已使水资源短缺成为备受眦界关注的资源环境问题之一。 我翻的水资源总吊居世界第六何，但时空分布极不均匀，入均水资源叶有量仅为付界人 均占有量的1 4 ，属于缺水国家曙。随着经济和社会快速发展，上业化和城市化进程加快，使 我国水资源短缺现象愈加突出。同时，用水量的增加导致污水总量的增加，使未经妥善处理 就直接排入水体的污水量急剧增加，造成耳益严重的水体污染。 目前，节约川水、保护水资源、开辟新水源是积极应对水资源问题的有效措施，污水资 源化即污水再生利用，它不仅减少污染物的排放罩，而且节约大量的新鲜水源，是采用的有 效措施之一。樽生水( r e c l a i m e dw a t e r ) 即指污水经适当处理后，达到一定的水质标准，满 足某种使用要求，可以进行有益使用的水m 。 污水再牛利用对象书要有农林牧渔、i k 用水、城市杂用水、工业用水、环境用水及补充水 源水h 。其中工业用水种类繁多，水质要求各不相同，例如，用于电子工业的水质要达到高 纯度的标准。用于食1 i l i 力u 工业的水质耍达到饮川水的标准，用于皮革制造业的水质标准则较 低。但是几乎所有的：l ：业生产中都有冷却用水系统，冷却系统用水在工业用水中占相当大 的比例，约为7 0 ”。 冷却水用水量大，对水质的要求刁i 高，囚此是污水回用的首选对象。再牛水回用于冷却 水系统已经取得了明显的环境效益和经济效益，也足目前污水再生利川的重要研究领域。 1 2 工业冷却水系统概述 工业冷却水系统按照冷却水供给方式分为两类：一类足直流冷却水系统；另一类是循环 冷却水系统。 1 2 1 直流冷却水系统m 直流冷却水系统是指冷却水通过热交换器换热后立即排放。其特点是设备简单，不需要 冷却构筑物，操作比较方便，一次投资较少。但消耗水最较大，冷却水经一次使用后，就直 接被排放，使用的水量比循环冷却系统要高5 0 倍左右。在水资源日益紧缺的形势下为了节 约水资源，直流冷却水系统已很少采用，多被改为循环冷却水系统。 1 2 2 循环冷却水系统 在循环冷却水系统中，冷却水在换热过程中温度升高成为热水，热水再经过冷却后循环 使用。循环冷却水系统又可分为密闭式循环冷却水系统和敝丌式循环冷却水系统两种形式。 密闭式循环冷却水系统和敞开式循环冷却水系统的不同点在于换热后形成的热水的冷却方式 不同。在密闭式循环冷却水系统中，热水通过二次冷却器用其他冷却介质( 如空气) 来冷却， 冷却水不与空气接触。而在敞开式循环冷却水系统i | j ，换热形成的热水经过冷却塔与空气接 触，以蒸发散热的形式带走水中的热量，经蒸发冷却后继续使朋。 密闭式循环冷却水系统的冷却水是封闭的，没有水量蒸发，因而循环冷却水系统中各种 矿物质和离子浓度几乎不发生变化。敞开式循环冷却水系统存在蒸发冷却作用，部分水蒸发， 但这部分水中的矿物质留在系统中，因此敞开式循环冷却水系统中矿物质是不断增加的，这 种现象称为浓缩现象，并由此导致盐类结垢、系统腐蚀和菌藻问题的产生。 密闭式循环冷却水系统一股只在传热量较小或有特殊要求的工业尘产系统中采f j ，如空 调、发电机冷却器。对于传热量大的工业用水都采用敞开式循环冷却水系统，这也是应用最 北京建筑上双学院硕上学位沦文l 绪论 广泛的冷却水系统。 1 2 3 热电厂循环冷却水系统 1 2 3 1 热电厂循环冷却水系统简介 在：l ：业冷却用水中，冷却水使用量一吁据首位的是发电厂1 。发电厂根据是否对外供热分 为凝汽式发电厂和热电厂，凝汽式电厂只发电，热电厂既发电又对外供热，也称为热电联产。 由于热电联产具有节水节能、环境污染小等优点，我国_ i 分晕视并鼓励发展热电联产。 热电厂冷却水用水量大，基本都采用敞开式循环冷却水系统，热电j 一循环冷却水系统如 图1 1 所示。 图i 1热电厂敞开式循环冷却水系统 冷却水循环过程是：补充水与冷去后的水丰h 混合经水泵送入凝汽器在流动过程中将汽 轮机排卅的蒸汽冷却成凝结水，同时自身被蒸汽加热，温度升高。被加热后的冷却水进入冷 却塔与空气进行热变换，在蒸发冷却过程中存在蒸发损失和风吹损失，使冷却水量减小。冷 却后的水再与补充水一起被送入凝汽器，重复冷却流动过程。 以热电厂循环冷却水系统为代表，进行再生水回用于循环冷却水系统的研究，对再生水 回用于冷却水系统的丰h 关研究具有借鉴意义。 1 2 3 2 京能热电厂循环冷却水系统 北京京能热电股份有限公司( 以下简称京能热电厂) 现拥有4 台2 0 0 1 唧现代化大型燃煤 供热汽轮发电机组，年发电量5 0 亿k w h 左右，供热而积2 4 0 0 万m 2 。 京能热电厂循环冷却水系统为敞开式，共有2 座6 0 0 0m 2 的义曲线型自然通风冷却塔和4 格巾8 o m 横流式机力通风冷却塔。循环冷却水系统水容积为4 万m 3 ，循环水量冬季约为6 万m 3 ，h ，夏季约为l o 万m 3 h 。 循环冷却水系统补充水原来收自永定河地表水，自2 0 0 7 年5 月1 6 日改为再生水。再生 水补水量冬季约为1 0 0 0 m h ，夏季约为1 5 0 0 - 一1 6 0 0 m 3 h 。l 3 号机组凝汽器为h s n 7 0 - i b 铜 管，4 号机组为h s n 7 0 一l a 铜管，循环冷却水管道材质为碳钢。采用加酸、加阻垢荆、缓蚀剂、 杀菌剂联合处理方法控制循环冷却水系统的腐蚀、结垢、微生物问题。 1 3 再生水回用于冷却水系统的历史和现状盯j 1 1 3 1 国外再生水回用于冷却水系统的历史和现状 在国外，诸如美国、英国和南非等国家普遍将城市污水经深度处理后同用于循环冷却水， 尤其以美国的实际应用最多。这些国家污水回用的经验说明再生水回用于冷却水系统在技术 上是可行的，经济上是适宜的。 美国拉斯维加斯市污水处理厂于1 9 8 1 年建成投产处理规模为2 4 1 0 5m 3 d ，其二级出 水经过- 千i 灰法澄清，双层滤池过滤，最后由接触池消毒后出水，再生水一部分供给市内的科 拉拉电厂和森路士电厂作循环冷却水，一部分用于浇灌高尔夫球场及绿地，其余回流至米德 湖。 2 北京建筑上剃学院硕上学位论文 i 绪论 美国马里兰州巴尔的摩海u 的背河污水处理厂建于2 0 世纪6 0 年代，处理规模为( 2 8 4 3 ) x 1 0 5 m 3 d ，服务人u1 0 0 万人。其二级m 水深度处理工艺为混凝一沉淀一过滤一加，氨一 脱氯，每天有近4 1 0 5 m 3 再生水送往附近的伯利恒钢厂剧作循环冷却水，至今已有4 0 多年历 史。 美国班伯克再生水厂的处理规模为3 4m 3 d ，该厂与热电厂建在一起。二级污水经过化 学澄清一过滤- j j n 氯一脱氯处理后，回用作热电厂冷却水的补充水。 将再牛水回用作冷却用水，在美国还有许多实例。如内华达州南部内华达电力公司将二 级城市m 水经投氯、化学防腐、阻垢处理后，回用于电厂循环冷却水系统。德克萨斯石油公 司将级城市出水加氯、化学软化、沸石处理后回州于工业锅炉刖水和冷却川水。丹顿发电 厂将丹顿市的城市废水深度处理后作为冷却水及锅炉补水。美围最大的核电站p a l ov e r d e 件。 核电站将两个城市污水处理厂的再牛水用于循环冷却水。德克萨斯州的n i c h o l 电站和琼斯电 站o ，直接利用其所在城市的二级处理污水作为冷却水，浓缩倍率可达4 。 英国科里登发电站1 9 5 0 年起使用污水处理厂的出水，起初这座发电站的冷却水系统受到 磷酸钙结垢问题的困扰。从1 9 5 7 年起采川硫酸氨来控制结垢，氨被硝化成硝酸，降低了循环 水的p h 值，防i l 了磷酸钙的形成。 南非使用污水作为j ：业用水也有半个世纪之久，3 个发电厂利用约翰内斯堡的城市污水 5 1 0 4m d 作为冷却水。 i 3 2 国内再生水回用于冷却水系统的历史和现状 我国于1 9 8 6 年开始污水回用技术的试验研究，城市污水回用相继被列入国家“七五”、 “八五”、“九五”重点科技攻关计划，其间已经有将再生水回用丁循环冷却水系统的工程实 例，但我国的污水再生利用技术水平和利用率与发达国家相比，仍然存在明显差距。 北京华能热电厂在设计时即确定选用高碑店污水处理厂的二级出水作为循环冷却补充水 水源。设计的二级出水深度处理工艺为机械搅拌加速澄清一推流式氯接触池一变空隙滤池一 推流式氯接触池，该深度处理系统于2 0 0 0 年6 月正式投入使川，净化能力约为2 7 1 0 4m j d ， 其中9 5 用于循环冷却水系统补水，5 供应输煤系统冲洗和绿化、冲厕等川水。 大连市春柳河水质净化厂是我园第一个污水回用示范二r = 程，它是在大连市春柳污水处理 厂基础上增加了三级处理，于1 9 9 2 年投产使用。示范工程的设计规模为lx 1 0 4 m 3 d ，处理工 艺为混凝( 澄清) 一过滤一消毒工艺= 。目前大连春柳污水处理j 一的回用水已成功应用于煤气厂 冷却、焦化厂冷却、印染厂工艺用水系统等方而。 太原北郊污水处理厂通过对二级处理工艺进行改造，即用a 2 0 工艺代替原来的生物吸附 一再生常规处理工艺，使山水水质达到太原钢铁公司循环冷却水水质要求，每天可以为人原 铡铁公司提供冷却水补水1 8 l o om 。 太原化工集团于1 9 9 4 年新建了一座污水回用深度处理厂太原化工集团公司水厂回 用分厂，一期规模为2 4 1 0 4m 3 d 。其水源为太原杨家堡城市污水厂的二级处理出水，由4 k m 输水管道引进厂区，回片j 分厂选用前滤池一生物接触氧化一混凝沉淀一双层滤料过滤一氯消 毒深度处理工艺，将污水进行再生后回州为化工厂循环冷却水及化肥厂丁艺用水。 大连红盟化二 厂、哈尔滨炼油厂、天津石化公司也都采用再生水作为循环冷却水系统补 充水，并取得了较好的经济效益。 1 4 再生水回用于循环冷却水系统的问题及研究趋势 再生水由于水质成分复杂，尽管进行了深度处理，回用于循环冷却水系统仍然会产生腐 蚀、结垢、微生物滋生的问题。 1 4 i 腐蚀问题 1 4 1 1 金属腐蚀的机理引 金属腐蚀是指金属在周围介质( 液体或气体) 的作用下，由于化学反应、电化学反应或 3 北京建筑上程学院硕上学能论文l 绪论 物理作用而受到破坏或性能恶化。循环冷却水系统f 一冷却水对金属的腐蚀l ：要足电化学腐蚀 过程。由于1 i 同会属材料的电极电位4 i 同，即使是同一种余属，从微观一卜来看，盒属组织及 其表而是不均匀的，同时冷却水中的溶解物质也不是绝对均匀的，这就造成金属表而在微观 上的电位不等，即存在电位差。当金属与水接触时，表面会彤成许多微小的腐蚀电池：电极 较负( 低) 的为阳极，电位较正( 高) 的为阴极。电予由阳极向阴极流动，从而发生腐蚀反 应3 1 。 以碳钢为例，碳钢的基本组成是铁索体( f e ) 、渗碳体( f e 3 c ) 和石暴( c ) ，m 于铁索体的 电势( - o 4 4 v ) 比渗碳体和石墨( + o 3 7 v ) 低，以及碳钢表而和与其接触的冷却水的不均匀 性，在表面上形成y i ：多微小的低电位区和高电做区，每时电极通过金属构成一个腐蚀电池， 在金属表面和溶液中分别发生氧化反应和还原反应，铁索体在微电池中作为阳极被腐蚀。 ( 1 ) 吸氧腐蚀：当金属表面的水膜呈中性或弱酸性时，发生吸氧腐蚀。 阳极反应：f e - - f e 什+ 2 e( 式i - i ) 阴极反应：2 h 2 0 + 0 2 + 4 e - * 4 0 w( 式1 - 2 ) 水溶液中：f e p + 2 0 1 f - - f e ( o h ) 2( 式i - 3 ) 阳极区f 不断丢失电子，变成f e 2 + 进入水溶液中，产生的 乜子通过金属转移到阴擞区金 属表面，与水和溶解往水中的氧气反应生成o h 。往水中，f e 2 + 和0 h 相遇申成f e ( 0 h ) 2 ，f e ( o h ) 2 不稳定被继续氧化成f e ( 0 h ) 3 ，即铁锈引。 ( 2 ) 析氢腐蚀：当金属表而的水膜呈较强的酸性时，由n e r n s t 方程式 1p t e o = 嚣+ 等i g h + ( 式l 一4 ) f _ 可知，h 浓度增加会使得析氢电位增大，当其大干金属的电极电位e m 时，金属就会发生 析氢腐蚀。 阳极反应：f e f e p + 2 e( 式1 - 5 ) 阴极反应：2 h + + 2 e - ，h 2 t( 式i - 6 ) 由于造成金属腐蚀的是金属的阳极溶解反应，因此金属的腐蚀破坏 j 现在腐蚀电池的阳 丰发区。 l4 1 2 腐蚀对循环冷却水系统的影响 循环冷却水系统中有金属换热器、金属管道与金属阀门等不同金属材料的设备和配件， 系统常用的金属材料有碳钢、不锈钢、铜合金、锚、钛和钛合金等。冷却水在系统。p 循环流 动。与会属材料长时间接触，很容易造成金属的腐蚀。 金属腐蚀按照腐蚀形态可以分为全面腐蚀和局部腐蚀。而局部腐蚀是造成冷却水中金属 腐蚀的关键。由于金属表面在微观上存在着阴阳极，形成极微小的腐蚀电池。这些微阳极及 微阴极大量分布在整个金属表血上，形成了全山腐蚀。腐蚀产物在整个金届表面形成之后， 可能具有一定的保护作用。使腐蚀速率减慢，所以全面腐蚀的危害性矸i 是很大。局部腐蚀面 积较小且较为集巾，腐蚀产物覆盏不全而，没有保护作用，因此局部腐蚀速率比全而腐蚀快， 可能在短期内造，j 梵金属穿孔或龟裂，从而增加非计划检修次数，缩短设备寿命，一些设备甚 至会因此报废。2 。5 1 4 2 结垢问题 1 4 2 1 垢的来源 通常将附着在冷却水管壁表而，卜的沉积物统称为污垢，包括水垢、淤泥、生物黏泥和腐 蚀产物四部分，并将后三种沉积物统称为软垢。 水垢又称硬垢，一般指钙、镁、铁的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐以及磷酸盐等，这些盐的 溶解度很低，并由于温度升高或冷却水在循环冷却过程中的不断蒸发浓缩，因而容易征温度 高的传热部位达到过饱和而结晶析出当水流速度较小或传热面较粗糙时，这些结晶就会沉 4 i 匕京建筑工程学院硕士学能论文i 绪论 秘在传热面上形成水垢。软垢相对水垢而言体积较大、质地疏松稀软，其i f i 淤泥以泥砂为_ l ： 微生物黏泥以微生物自身及其分解代谢产物为主体。混有有机物、泥沙和尘土等：腐蚀产物 为管道腐蚀产生的金属氧化物，主要是氧化铁、氧化铜等。 冷却水补充水中不可避免会带有一定的浊度、有机物和少量微生物。而敞开式循环冷却 水系统中冷却水闪与空气接触而带入泥砂、粉尘、微生物，：i ：艺介质有时也会泄漏入冷却水 中，还有系统中因腐蚀产生的腐蚀物，这些因素都会引起冷却水系统中沉秋物的形成。 循环冷却水系统1 i 一微生物黏泥属于污垢的一部分，因而生物黏泥与水垢在来源、对冷却 水系统的影响方而不能截然分开。 1 4 2 2 循环冷却水系统中结垢的危害 不管是水垢还是软垢，附着在冷却水设备上都会降低设备的导热性能，如碳酸盐水垢的 导热系数低于1 6 w ( m k ) ，而钢材的导热系数一般为4 5w ( m k ) | l e v i l , 从而使设备换热效 率下降。污垢沉积在冷却水管道上会减小管道的过流面积，减少冷却水的过流量，也会导致 系统换热效率降低，从而增加能耗。另一方而，水垢或软垢的沉积还会使设备或管道的电位 发生变化，为微生物的滋生提供场所，从而进一步引起垢下腐蚀。严重时甚至造成设备非正 常停产7 。 1 4 3 微生物问题 1 4 3 1 微生物滋生的原因 再生水水质和循王1 ：冷却水系统工艺过程造成了系统i i 微生物的滋生，循环冷却水系统巾 最常j ! l 的微生物大致有三类：细菌、真菌和藻类。6 “。 城市污水处理厂二级出水经深度处理后虽然达到了工业循环冷却水系统补充水水质标 准，但再生水仍不可避免地龠有有机物、氮和磷等微生物所需的营养物。并携带少鼍微生物。 在循环冷却水系统中，水温通常为3 2 - - - 4 2 引，p h 位范凼通常为8 5 左右，适宜多 种微生物的生长。同时，微牛物的数量和它们生长所需的营养源如有机物、碳酸盐、硝酸盐、 磷酸盐、铁等均因冷却水循环浓缩而增加：再加上冷却塔、冷水池常年露簧室外，阳光充足， 济解氧浓度高，并吸收了空气中的灰尘、泥沙、微生物及孢子，为微生物的生长提供了良好 的条件。 1 4 3 2 循环冷却水系统中微生物的危害 微乍物对循环冷却水系统产生的危害丰要是形成微牛物黏泥，j 兀速金属腐蚀过程。 微生物黏泥附着在管道、设备或冷却塔壁卜，造成系统堵塞和结垢，增大水力损失，降 低热交换器的传热效率和冷却塔的冷却效率。同时，微生物黏泥一旦形成便粘在金属表而上， 使缓蚀剂难以在金属表面形成保护膜，从而妨碍药剂发挥应有的缓蚀效能。微生物黏泥还为 厌氧菌，如硫酸盐还原茵等的滋生提供场所。 微牛物牛长繁殖过程会促进腐蚀的发生，微生物在新陈代谢过程中会产生各种类型的酸， 如硫细菌产生硫酸，硝化细菌产生业硝酸和硝酸，这些酸类会使水质组成发生变化而引起金 属腐蚀心。此外。因为生物黏泥在金属表而卜的不均匀黏附，黏泥较厚或有黏泥的金属部位 贫氧而成为腐蚀屯池阳极，黏泥较薄或无黏泥的金属部位氧浓度较高而成为腐蚀电池的阴极， 从而形成了金属的电化学腐蚀。当冷却水中有厌氧性硫酸盐还原菌存在时，其还原产物h 2 s 可直接腐蚀金属生成硫化亚铁，硫化亚铁沉积在铡铁表面与米被硫化亚铁覆盖的钢铁构成腐 蚀电池，同样加速了腐蚀的发生。” 实际卜，循环冷却水系统i i l 腐蚀、结垢和微生物滋生这三大问题是相互联系而不可分割 的，腐蚀产物会形成污垢，污垢又会引起腐蚀：污垢是微生物滋生的场所，微生物生长又会 形成生物黏泥。因此，需婴综合考虑循环冷却水系统中腐蚀、结垢和微生物的影响。 1 4 4 研究趋势 为了减轻再生水补水造成的腐蚀、结垢和微生物问题危害，国内外科技工作者在污水深 5 北京建筑工程学院硕上学位论文 i 绪论 度处理、水质指标对材料的腐蚀影响、水处理剂的研发以及循环冷却水运行管理等再生水回 用的各个方而都进行了有益的研究。其中污水回用处理技术、缓蚀阻垢剂腐蚀结垢摔制技术 以及杀菌除藻剂微生物控制技术方而研究较多，针对以再生水作为补水水源时的循环冷却水 系统水质变化规律、水质财系统腐蚀结垢性能影哪d 等方面的研究则相对较少。 1 4 4 i 污水深度处理 对城市污水处理厂二级出水进行深度处旦i ! ，可以将水中各种离予或有机物的含量大大降 低，保证冷却用水的水质。目前较常用的深度处理工艺足混凝沉淀一过滤一消毒，而水处理 的各利成熟技术的应用也很普遍，如离子交换、m b r 、活性炭吸附等，同时新的处理方法也 在不断研究探索中，如臭氧处理、膜技术处理等。 1 4 4 2 水质对材料的腐蚀影响 冷却水系统常用的金属材料有碳钢、不锈钢、铜( 黄铜、青铜) 材，应针对不同的冷却 水进水水质，避免水质敏感因素对某种材料的影响。 王绍华驯对再生水r i 钙硬、总硬、碱度、氯根、氨氮、亚硝氮、硝氮、c o d 、硫酸根、 磷酸根的检测分析表明：n h 4 + - n 对碳钢腐蚀的影响最为严重：c i - 和s 0 4 2 - 对碳钢腐蚀的影响 趋势相似，但s 0 4 2 。以点蚀为主；p 0 4 孓、n o 厶- n 以及少量的c a 2 + 和h c q 侧碳铡腐蚀有一定 的抑制作用。 a n n ar e a n i i “分析了河湖水作为冷却水进水时t d s 、t s s 、d o 、氨、h 2 s 、l a n g e l i e r 指 数、沉降速度等囚素，认为氨含量对铜材的腐蚀具有显著影响。 诈品品l 指j i j ：对某一特定的不锈钢，卤素离子阻止了保护性良好的钝化膜的形成，是 影响不锈钢点蚀的主要因素。 1 4 4 3 水处理剂研发 投加水处理剂，包括阻垢剂、缓蚀剂和杀菌刺等是工斗k 企奠k 普遍采用的化学处理方法， 根据冷却水水质的腐蚀和结垢倾向合理确定水处理剂的类型和投加量足保障循环冷却水系统 安全运行的有效措施。 张玉忠晗3 1 通过静态阻垢和旋转挂片腐蚀试验，确定了某污水处理厂二级水回用作循环 冷却系统的阻垢缓蚀剂w s - y 配方，具体组成为有机膦酸、有机膦羧酸混合缓蚀阻垢齐l j ( 质 量比为2 ：1 ) ：3 0 ：丙烯酸及其酯类、有机磺酸盐等四元共聚物分散剂：3 0 ；锌盐缓蚀 剂：1 5 ；铜缓蚀剂：3 ；h 2 0 ：2 2 ，加药浓度为5 0 p p m 。 目前的研究内容多针对某种冷却水水质状况。通过试验确定投加缓蚀阻垢剂的种类或药 量，给水处理药剂的普遍推广带来不便，所以研究开发新型、普遍适用的水质稳定剂仍是今 后的研究方向之一。 1 4 4 4 循环冷却水系统运行管理 加强循环冷却水系统运行管理，如控制循环冷却水系统运行条件如p h 、水温、流速等， 是防腐阻垢、防止微牛物滋生的重要手段。 p h 太低，容易造成腐蚀，而p h 太高，又容易引起结垢。因此应根据水质条件确定系统 的适宜p h ，某些有腐蚀倾向的水可以选择较高的运行p h 值，对某些有结垢倾向的水则不能 选择过高的运行p h 值。 冷却水中形成水垢盐类的溶解度随着温度的7 1 高而降低，同时冷却水在冷却塔被冷却及 在换热器被升温的两个过程中不断交替进行，造成系统水温变化很大，应加以调节和控制， 避免形成水垢。 循环冷却水系统的流速增大，一方而有利于冲刷作用，可以防止污垢沉积，另一方而， 因促进了溶解氧向金属表面的扩散，有促进腐蚀的趋势。 i 矧此需要根据冷却水水质和实际运行过程，综合考虑系统运行条件的影响，调节或控制 系统运行条件，加强循环冷却水系统安全运行管理。 6 北京建筑j 二震d 学院硕士学位论文 l 绪论 1 5 课题研究内容和意义 1 5 1 研究内容 结合京能热电厂循环冷却水系统的实际运行情况，本课题主要研究内容为： 1 再生水和循环冷却水水质研究 通过测定循环冷却水系统中补水即再生水和冷却水的多种水质指标，如p h 、温度、溶解 氧、电导率、悬浮物、浊度、氯根、硫酸盐、碱度、硬度、氨氮、硝酸氮、总氮、正磷酸盐、 无机磷酸盐、总磷酸盐、c o d i - 。、f e 2 + 、c u 2 + 等，并结合京能热电厂原补水水源河水的水质 测定数据，比较循环冷却水系统水质特征，评价再生水水质对循环冷却水系统的影响，分析 循环冷却水系统中水质变化规律。 2 现场环境中金属抟片的腐蚀研究 在循环冷却水运行流程中选取补水泵房水池、冷却塔下集水池和循环泵房前池3 个挂片 点。通过失重法测定碳钢、黄铜、不锈钢金属挂片的腐蚀速率，分析现场环境因素如水流流 速对材料的腐蚀影响。 3 模拟冷却水巾浊度、磷含量变化及对腐蚀的影响研究 针对循环冷却水中浊度和磷含量显著增加的问题设计极限浓缩倍率试验、钢缓蚀剂试验 和调节磷浓度试验，分析浊度和磷含量增加的原凶及磷含量对溶液腐蚀性的影响。 1 5 2 技术路线 本研究是在充分了解围内外再牛水回用于冷却水系统的研究现状基础上，针对再牛水补 水时循环冷却水系统的腐蚀问题，通过水质试验和现场腐蚀试验评价再生水补水对循环冷却 水系统的影响，掌握循环冷却水系统水质特征和变化规律，了解温度、流速对系统的影响， 并主要分析研究了再生水补水时循环冷却水中浊度、磷含量增加的原凶及由此造成的腐蚀影 响，从而提出系统腐蚀控制对策和建议，具体技术路线如图1 2 所示。 图1 2 课题技术路线 7 北京建筑工程学院项上学位论文 l 绪论 1 5 3 意义 水资源问题将成为2 1 世纪全球资源环境的首要问题。我国的水资源形势同样升i 容乐观， 特别是城市缺水问题严重，北方城市高峰季节只能满足需水量的6 5 7 0 ，同时，水体污染 造成“水质型”缺水的现象越来越突出。保护水资源，进行污水深度处理和回用是促进水循 环、提高水资源利用率、创建良好水环境、促进循环型社会进程的重要举措。 随着我困城市水环境基础设施建设的不断完善。城市污水收集和处姚率不断提高，为再生 水提供了可靠的供水水源比1 1 。另一方而，工业冷却水需水量人，特别是火电厂由于工艺条件 约束，冷却用水在伞部用水量巾占较高比例，但冷却水水质要求不i 箭，因此再生水回用于工 业冷却水系统既解决了工业用水的问题，义实现了污水再利用，对于缓解水资源短缺和水体 污染矛盾具有积撇意义憎“。 本课题适应北京市大j i l 模摊j “雨生水工业利用的实际需求，依托京能热电厂循环冷却水 系统的工程实际，重点研究再生水补水对循环冷却水系统的影响，循环冷却水系统水质特征， 再生水补水时系统浊度和磷含量增大对冷却设备和管道的腐蚀性能影响，并在此基础上提出 控制腐蚀的对策。 课题的实施能够为再生水回用于热 也厂循环冷却水系统提供更好的理论指导和技术支 撑，以电厂循环冷却水系统为代表为 生水一i ：业利用提供经验借鉴。往污水再生利用越米越 成为缓解水危机的必要手段时，课题研究为推动城市水资源可持续开发、建立水的社会循环 新模式提供参考，也是对我囡城市污水资源产业化利用及城市水环境保护进行的有益探索。 8 北京建筑丁程学院硕士学位论文 2 循环冷却水系统水质研究 2 循环冷却水系统水质研究 2 1 引言 京能热电厂原采用永定河河水作为循环冷却水系统补水水源。根据北京市政府对：i ：业用 水的要求，自2 0 0 7 年5 月1 6h 起以北京市水源六厂的再牛水作为循环冷却水补水水源。水 质研究以京能热电厂循环冷却水系统的实际运行情况为基f i ；l ；，比较原补水水源( 河水) 和现 补水水源( 再生水) 的水质特点，分析温度对再生水、循环冷却水、浓缩倍率的影响及循环 冷却水在流动过程中的水质变化情况，评价再生水水质埘热电厂循环冷却水系统的影响。掌 握循环冷却水系统的水质环境。 水质指标参照水和废水监测分析方法( 第四版) ，按照工业循环冷却水国家标准进行 分析，分析方法如表2 1 所示，分析数据见附录a 、b 。 表2 i 水质分析方法或仪器 测试指标分析方法或仪器 p h 浊度 电导率 溶解氧 悬浮物 碱度 钙、镁离子 氯离子 c o d 磷 氨氮 硝酸盐氮 总氮 总铁 硫酸盐 c u 2 r 玻璃电极法 w z s 一1 8 0 浊度仪 d d s j 一3 0 8 a 型电导率仪 y s i5 5 0 a 溶氧仪 重最法 酸碱指示剂滴定法( g b t1 5 4 5 l - 9 5 ) e d t a 滴定法( g b t1 5 4 5 2 9 5 ) 摩尔法( g b t1 5 4 5 3 - 9 5 ) 高锰酸钾法( g b t1 5 4 5 6 - 9 5 ) 钳酸铵分光光度法( z bg 7 60 0 2 - 9 0 ) 纳氏试剂光度法 紫外分光光度法 过硫酸钾氧化紫外分光光度法 邻菲u 岁啉分光光度法 重最法 h i9 3 7 4 7h a n n a 仪器 2 2 补水 2 。2 1 不同补水水源水质比较 补水水质是影响循环冷却水系统安令稳定运行的关键因素，通过j i c 测补水的各项理化指 标，可以掌握循环冷却水系统的运行状况，并能够及时调整补水的水质和水量。通过河水和 存生水水质特点的比较，分析再生水补水对热电厂循环冷却水系统的影响。 南表2 2 可知，河水和再生水水质均符合工业循环冷却水处理设计规范( g b 5 0 0 5 0 2 0 0 7 ) 中相关项的要求，且再生水除有机物指标外，各指标的变化范围均小于河水变 化范围，对于循环冷却水系统的稳定运行有利，因此再生水不失为热电厂循环冷却水系统的 一种良好补水水源。 9 北京建筑t 程学院硕十学位论文 2 循环冷却水系统水质研究 表2 2 不同补水水源的水质情况 说i p jl ：表。i l t 水和嘻生水水质数抛南京能热电厂。水化验窀测定河水水质是2 0 0 6 年测定数捌的月平 均值，其中含铁母是9 1 2 月份数据。再生水水质是2 0 0 8 年测定数据的月平均值总磷含量为6 1 2 月份 数据。 2 ：表l i j 水质控制指标的c o d 为c o d o ，河水羽i 再生水的c o d 为c o d m 。一般情况下水样的 c o d c o d c r 由图2 1 看出，再牛水的钙硬度比河水的大，而总硬度比河水的小，表示再生水t i 钙硬 度占总硬度的比例增加，由于碳酸钙、磷酸钙等钙垢比碳酸镁、磷酸镁等镁垢的溶解度小， 因而再尘水补水增大了钙垢形成的机会。是再生水回用丁循环冷却水系统的不利因素。 对于与循环水系统腐蚀趋势有关的水质指标，如p h 、有机物、氯根和硫酸根，再生水比 河水的小，说明易造成腐蚀的离予浓度降低，但p h 的降低，使再生水的腐蚀性增加，也给循 环冷却水系统带来不利影响。 鲁 之 若 2 掰 西 删 j 、 磐 舌 h 晕 墉 j 望 2 嘲 巅 缸 j 望 嘲 骚 缸 图2 i河水和冉乍水补水水质比较 再生水虽然经过了深度处理。但水中可被微生物利用的氮、磷营养物质含量较高，可能 促进系统中微生物的滋生，从而加重生物黏泥及生物腐蚀的危险性。 2 2 2 补水水质稳定性判断 碳酸钙是循环水系统l i 最常见、危害最火的水垢，但碳酸钙膜对金属又有一定的保护作 i o o 0 0 0 o o o o 拍加坫m 5 0 一荤h善8u 1_【o昌毯擎 1_【o星越酪嚣 1io基型鬈剞 f 1 一z 巡爱 北京建筑t 程学院硕+ 学位论文 2 循环冷却水系统水质研究 用，所以水中碳酸钙含量过低又会促使金属腐蚀。因此通常根据碳酸钙溶解，r 衡计算得出碳 酸钙饱和p h 值( p h s ) 。再由稳定指数( s ) 判断腐蚀或结垢倾向。稳定指数虽然为经验式判 断，但对系统运行仍具有一定的参考意义。副 p h s = 9 7 0 + a + b - c d 式中： 总溶解网体系数； b _ q 度系数； c _ 钙硬系数，等于i g c a ； 卜碱度系数，等于i g m 。 s = 2xp h s 。p h 表2 3 稳定指数( s ) 判断指标 ( 式2 - i ) ( 式2 - 2 ) 通过计算河水_ ： u 阿生水补水的稳定指数，判断补水的腐蚀或结垢倾向，见袭2 4 。 表2 4补水水质稳定性判断 由表2 4 可知，一生水水质属于严币腐蚀性水质，而河水为腐蚀性水质，因此尽管傅巾 水中多项与腐蚀有关的指标均小于河水，但总的趋势是再生水腐蚀倾向高于河水，囚而对循 环冷却水系统的腐蚀控制提出更高要求。 2 2 3 补水水质随时间的变化 以京能热电厂水化验室测定的2 0 0 6 年河水水质和2 0 0 8 年再生水水质数据为依据，对比 河水和一生水水质指标往全年时问内逐月变化情况，分析补水水质随时问的变化。 2 2 3 i p h p h 是循环冷却水系统的霞要参数，p h 偏低容易引起腐蚀，p h 太高又因影响碳酸钙的溶 解平衡导致结垢，p h 也影响微生物的生长活动。从图2 2 看出，再生水的p h 几乎伞年都低 于河水，且较河水p h 的变化平缓，处在7 0 8 0 的范网内，有利于循环冷却水系统的p h 控制及系统的稳定运行 1 0 o 9 5 9 o 8 5 暑8 0 7 5 7 o 6 5 6 o 1 月z 月3 月4 , qs t 46 月7 月8 月9 f - i o 月1 1 月, z f 4 图2 2 河水和再生水p h 逐月变化 2 2 3 2 电导率 如图2 3 所示，河水和再生水电导率的逐月变化情况基本一致，但再生水的电导率低于 河水，说明再生水中总的溶解盐离子量下降，有利于系统的防腐阻垢。 北京建筑工程学院硕七学位论文2 循环冷却水系统水质研究 笛 u 3 褥 啦 掣 2 0 0 0 1 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 8 0 0 6 0 0 1 月2 门：1 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月 图2 3 河水和再生水电导率逐月变化 2 2 3 3 浊度 由图2 4 看山。再生水的浊度几乎全部都低于河水，且起伏较小。这可能是冈为浊度受 水中和空气中悬浮颗粒数量的影响较大，河水比再生水受到更多天气的十扰和影响。 7 0 6 o 5 o 宝4 0 答3 0 ：冤 2 0 1 0 o o 1 月z y l： 月4 月5 h6 月7 门8 爿9 月i o , qi i 爿1 2 月 图2 4河水和再生水浊度逐月变化 2 2 3 4 碱度 如图2 5 所示，再生水的碱度维持征2 o 4 0 m m o l l 的水平，较河水的变化范围小对 循环冷却水系统的水质波动影响较小。 3 o 目 3 毯 答 “ 7 o o