（环境工程专业论文）电厂化学水处理系统的仿真研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文致力于3 0 0 m w 火电机组电厂化学水处理系统的研究，确定其主要控制 参数、结构参数和影响参数，建立了一系列仿真数学模型，设计并开发了电厂化学 水处理系统的仿真软件。通过仿真实验验证，仿真结果基本达到了预定要求，可以 实现电厂化学水系统的基本控制功能，并且能动态模拟和显示参数。所开发的仿真 软件，既可以用于教学和培训，又可以用于科研，还可以由留有的接口进一步开发 成产品应用于实际。 关键词：电厂化学，数学模型，仿真 a b s t r a c t t h et h e s i sh a m m e r e da tt h es t u d yo ns i m u l a t i o no fc h e m i s t r yw a t e rt r e a t m e n t s y s t e mi n3 0 0m wp o w e rp l a n t s a tt h eb a s eo fc o n f i r m i n gt h ep a r a m e t e r so nc o n t r o l ， c o n f i g u r a t i o na n de f f e c t ，as e r i e so f m a t h e m a t i cm o d e l sf o rs i m u l a t i o nw e r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h et h e o r y ，s i m u l a t i o ns o f t w a r ew a sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e d b ye x p e r i m e n t sm e tr e q u i r e m e n t s t h es o f t w a r er e a l i z e s t h eb a s i cc o n v o lf u n c t i o no f c h e m i s t r yi np o w e rp l a n t ，a n ds i m u l a t e sa n ds h o w st h ep a r a m e t e r s ，i t c a nb eu s e df o r t e a c h i n g ，s t u d y i n g ，a n d a l s oc a nb ed e v e l o p e dt oa p p l yt op r a c t i c ef r o mt h ei n t e r f a c el e f t h u a n gs h a o w a ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y p r o f h uz h i g u a n g k e y w o r d s ：c h e m i s t r y o f p o w e rp l a n t ，m a t h e m a t i cm o d e l s ，s i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电厂化学水处理系统的仿真研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 蔹场猿 日期 御幺肌徭 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期迦丝i ! ! 堡 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章引言 近年来，随着火电厂机组参数的不断提高，对水汽质量的要求越来越严格。由 于高参数机组的设备材料对水汽运行工况比低参数机组敏感得多，化学水质量稍有 降低，就会造成热力设备的积盐、结垢、腐蚀等危害，从而发生管道变形、鼓包、 爆裂等事故，严重影响锅炉及汽轮机出力，降低发电厂的经济效率【1 i 。所以，安全、 可靠的电厂化学水处理系统己成为火电厂安全经济运行的主要因素之一。 由于计算机技术高速发展，各种自动控制设备不断开发，并在电力系统中得到 广泛应用，使火电厂，特别是高参数机组的综合控制自动化程度越来越高。分散控 制，集中管理的d c s 系统已应用于电厂化学水处理，用以实现水汽品质自动监督、 水处理自动控制等功能。 根据目前电厂化学水处理重要性不断提高这一情况，本课题应用先进的计算机 仿真技术，以西柏坡电厂二单元3 0 0 m w 机组的化学水处理系统为研究对象，建立 该系统的水处理工艺流程模型、结构参数模型、运行参数模型以及其他各类因素对 处理效率的影响模型，并开发化学水处理系统仿真软件，实现启停操作、正常运行 调整、运行状态和运行参数显示以及常见故障处理等多种仿真功能，以期达到( 1 ) 为火电厂水处理系统设计提供理论依据；( 2 ) 指导火电厂化学水处理系统的运行维 护工作：( 3 ) 使理论知识与实际系统流程图相结合，利用仿真软件更形象直观地反 映火电厂水处理系统的工作原理，为火力发电厂技术人员提供良好的培训工具；( 4 ) 为电厂化学水处理系统的科学研究提供实验手段与科学依据。总的说来，本课题在 推动火电厂化学水处理系统的运行维护水平，保证电厂安全生产，提高火电厂水处 理技术水平等方面均有重要意义和实用价值。 1 2 仿真技术简介 1 2 1 仿真的基本概念 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机 和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技 术，可分为实物仿真、数学仿真和半实物仿真1 2 】。本论文使用的是数学仿真，即计算机 仿真，它是用数学语言表述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究的过 程，这种数学表述就是数学模型。概括来说，计算机仿真具有三要素：系统、模型、计 算机：三项基本活动：模型建立、仿真模型建立、仿真实验p 】。其基本要求要做到以下 华北电力大学硕士学位论文 几点：清晰性、切题性、精确性和集合性。 1 2 2 计算机仿真的一般过程 计算机仿真概括的说是一个“建模实验一分析”的过程，是在研究系统过程中根 据相似原理，* t n c t 算机来逼真模拟研究对象的过程【4 j 。 其一般过程分为以下几个方面：忙1 f 1 ) 描述仿真问题，明确仿真目的； ( 2 ) 项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结构，确定相 应仿真系统的边界条件与约束条件； ( 3 ) 数学建模。根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者 采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数； “) 仿真建模。根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其他的仿真 工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统 的仿真模型； ( 5 ) 试验。设定实验环境和初始条件，进行实验，并记录数据； ( 6 ) 仿真结果分析。根据实验要求和仿真目的，对实验结果进行分析处理，根据分 析结果修正数学模型、仿真模型或仿真程序或者修正原型系统，以进行新的实 验，使仿真与实际系统一致。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 建立仿真数学模型 依据仿真对象具体工艺进行总体简化和设计，确定3 0 0 m w 火电厂化学水处理 系统的主要影响参数和控制参数，建立数学模型如下： ( 1 ) 补给水处理参数模型 补给水系统主要包括三个主要水处理系统，分别是预处理系统、一级复床除盐 系统和混合床除盐系统，每个水处理系统有各自的参数模型。预处理系统的参数模 型包括：单台过滤器进水流量模型、去除效率模型、反洗强度模型；一级复床除盐系统 参数模型包括：系统进水硬度、p h 值、【c l - 】模型、阴阳树脂的工作交换容量模型、弱 型树脂工艺性能主要影响因素模型；混合床除盐系统参数模型包括：混床出水电导率、 s i 0 2 】模型。 f 2 ) 凝结水精处理参数模型 包括再生度计算模型、高速混床出水溶解氧、电导率、p h 值、【s i 0 2 模型。 f 3 ) 给水处理参数模型 包括给水 s 1 0 2 】、一导电度、p h 值模型、给水加氨模型、联氨加药量模型、温度对 华北电力大学硕士学位论文 联氨和氧反应的影响模型。 ( 4 ) 炉水处理参数模型 包括p h c r 模型、 p 0 4 孓】与【一】关系模型、 s i 0 2 监测数据模型、bm 和b 的 关系模型。 ( 5 ) 零排放反渗透系统模型 包括机械搅拌澄清池的n a 2 c 0 3 、n a o h 、p f s 加药模型：无阀滤池的n a o c i 、p a c 加药模型；活性碳过滤器的n a 2 s 0 3 加药模型。 ( 2 ) 开发电厂化学水处理系统仿真软件 开发适用于3 0 0 m w 火电厂机组的电厂化学水处理系统仿真软件。软件的界面 包括六个主要化学水处理系统流程及控制参数显示和调整界面，不同水质工况下出 水水质的动态曲线显示界面等。软件还包含后台运行的数据库，作为所有数据的储 存容器。软件留有接口，可与现场监测仪器连接，进行实时监控查询功能；可以动 态模拟火电厂化学水处理系统起停、运行、控制、参数显示等内容，达到界面友好， 方便使用，能用于科学研究，能进行仿真运行培训的目的。 仿真软件以v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具，开发的最终仿真软件尽量做到功能完 善，以可安装的应用软件形式出现，可以完全脱离v b 开发环境，在w i n d o w s 操作 系统下独立运行。 ( 3 ) 进行仿真实验 用计算机作仿真研究，必须验证所有工作的正确性。仿真实验正是鉴于这一考 虑和目的而进行的，它是仿真研究过程中重要的一部分。本论文共做了六个仿真实 验，具体包括：给水中【n h 3 对 c 0 2 】的影响、温度对给水p h 值的影响、给水温度 对联氨与氧反应速率的影响、炉水中【p 0 4 3 。】对p h 值的影响、弱酸型离子交换树脂 失效碱度比对出水平均碱度比的影响、弱碱型离子交换树脂失效酸度比对出水平均 酸度比的影响。 由于条件所限，本文建立的仿真模型和开发的软件仍需进一步完善。但是，所 开发的仿真软件对于电厂化学水处理系统的运行和研究工作均具有重要意义。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电厂化学水处理系统概述 2 1 补给水处理系统 仿真对象的补给水处理系统为过滤、一级复床除盐加混床的固定床式水处理系统。 水源主要为零排放反渗透系统出水，当反渗透系统水量不足或由于其他原因无法供水， 采用深井水作为补给水替补水源。系统流程示意图如图2 一l 所示。补给水处理系统的 设计出力可以满足四台3 0 0 m w 机组的用水要求，现分述如下： 零排放反渗透出水+ 生水箱 生水泵 机械过滤器 弱酸阳离子交换器， 强酸阳离子交换器除碳器中间水箱+ 中间水泵弱碱阴离子交换器 强碱阴离子交换器+ 混合离子交换器 除盐水箱除盐水泵 凝补水箱 图2 1 补给水系统流程示意图 2 1 1 机械过滤器处理概述 由于锅炉补给水水源的水质较好，浊度通常在l o 2 0 m g l 之间，所以不需采用澄 清处理，直接进行预处理，即过滤处理，其主要目的是除去水中的悬浮物，进一步降低 补给水浊度。同时，随着浊度的降低，水中的一些有机物和细菌等微生物也可被除去。 仿真对象所选用的机械过滤器为三层滤料过滤器。三层滤料按滤层从上到下。以相 对密度逐渐增大、粒径逐渐减小的方式排列，其目的是为了改变普通过滤器中滤料“上 细下粗”的不利排列方式。通常情况下，选用的滤料上层是无烟煤、下层是石英砂，第 三层可采用石榴石、磁铁矿( f e 3 0 4 ) 、或钛铁矿等矿砂【5 l 。仿真对象所用三层滤料床的 组成如下表所示： 表2 一l 机械过滤器三层滤料床组成 名称上层( 无烟煤)中层( 石英砂)下层( 磁铁矿) 粒径( m m ) o 8 2o 5 0 8o 2 5 o 8 厚度( c m ) 4 22 37 三层滤床水力反冲洗分层后，形成上粗下细的三层。当待过滤的水由上而下通过三 层滤床时，上部粗滤料除去水中较大尺寸的杂质，起粗滤作用；下部细滤料进一步除去 细小的剩余杂质，起精滤作用。由此，每层滤料的的截污能力得到充分发挥。 2 1 2 一级复床除盐系统概述 4 华北电力大学硕士学位论文 随着锅炉自身技术的发展，对锅炉补给水水质的要求越来越严格。锅炉水源来水经 过预过滤处理，只是除去了其中的悬浮物、胶体、大部分有机物和一部分微生物，水中 的溶解盐类并没有除去，这不满足作为锅炉补给水的条件。所以在预处理后继续采用离 子交换工艺除去水中的溶解态离子杂质。 仿真对象的一级复床除盐工艺采用弱酸阳床强酸阳床弱碱阴床强碱 阴床的形式，这种组合方式适用于水中碳酸盐硬度和强酸阴离子的含量较高的情况。其 组合方式为单元制，一级除盐系统内部串联式连接，级除盐系统之间并联式连接。 在强、弱型阳树脂联合应用工艺运行时，待处理的水首先经过弱酸阳离子交换器， 除去水中大部分碳酸盐硬度，接着通过强酸阳离子交换器，除去水中其他阳离子和残余 碳酸盐硬度；再生时，再生液首先流经强酸树脂使其再生充分，然后未被利用的酸液再 流经弱酸树脂使其再生。同理，阳离子交换后的水首先经过弱碱阴离子交换器，除去水 中大部分强酸阴离子，接着通过强碱阴离子交换器，除去水中其他阴离子和残余强酸阴 离子：再生时，再生液首先流经强碱阴树脂使其再生充分，然后未被利用的碱液再流经 弱碱树脂使其再生。【6 j 强阳离子交换器的主要反应方程式如下： c a l | 。f c ai ：s d 2 r h + m g c 1 2_ r ： m g + 2 h c l ：儿( h c o ，) ：【n a ：【h ：c o ， 强阴离子交换器的主要反应方程式如下： f h c i r 倒+ b ：阻一尺 1 h ：c q l h ：s i q c l s o 、。h o h c o ， h s i o 、 弱酸离子交换和弱碱离子交换的反应方程式与强酸强碱的相似。两者的区别是弱酸 性阳树脂的活性基团为c o o h ，其主要与碳酸盐硬度发生离子交换反应；弱碱性阴树 脂的活性基团为n h 3 0 h ，其主要与强酸阴离子发生离子交换反应。弱酸树脂对水中常 见阳离子的选择性顺序为：h + c a 2 + m 9 2 + n a + ，弱碱树脂对水中常见阴离子的选 择性顺序为：0 h 一 s 0 4 n o c i 一 h c 0 3 一 h s i 0 2 一。 2 1 3 混合床除盐系统概述 经过一级复床除盐系统处理过的水，水质不是很纯。因为h 离子交换器出水中含有 强酸，抑制离子交换除盐的正反应，易于向逆反应方向发展，所以出水中仍含有少量 n a + 。为解决这个问题，采用混合床除盐。 5 华北电力大学硕士学位论文 混合床离子交换就是把阴、阳离子交换树脂按比例均匀混合在同一个离子交换器中 进行交换反应的工艺。其从本质上说就是一个多级复床除盐系统，水中阳离子交换和阴 离子交换多次交错进行，相对级数约达到1 0 0 0 2 0 0 0 级。经h 型交换产生的h + 和经 o h 型交换所产生的o h 一都得不到累积，基本上消除了反离子影响，使离子交换反应进 行的更彻底，解决了上述问题。其反应方程式为： z r 日+ 2 尺，。日+ 囊：，【( s 月o & , d i i 。c a m g 芝+r，：(蓥hsi。ol+2：。 2 肼枷伽+ i 黔融2 印 “【( 椰f o ，) ： 。2 【 ，) ： 2 2 凝结水精处理系统 22 1 主要水质问题及其起困 凝结水和补给水是锅炉给水的最主要组成部分。近年来，随着机组参数不断提高， 对给水水质要求越来越严格。资料显示：要求t n a + 】 0 1 u g l ， c 1 0 1 5 u g l 【7 j 。若不对 凝结水进行处理，很难达到这样高的给水水质要求。所以，一般情况下，对于亚临界及 以上参数的汽包锅炉和直流锅炉，通常要采用凝结水精处理装置。 引起凝结水水质问题的原因主要有以下两个方面： ( 1 ) 凝汽器泄漏 这一问题分为两个方面：一为凝汽器渗漏。在正常运行情况下，严密性好的凝汽器， 渗入的冷却水量为汽轮机额定负荷时凝结水量的0 0 0 5 o 0 2 。所以，凝汽器渗漏是 不可避免的。二为凝汽器泄漏。这是由于凝汽器各组成设备出现问题而造成的。凝结水 中杂质的含量，主要取决于漏入的冷却水量及其杂质含量。 ( 2 ) 会属腐蚀产物的带入 火电厂水汽循环系统中的某些设备和管道，由于某些原因遭到腐蚀，致使凝结水中 含有金属腐蚀产物。其成分主要为铁和铜的氧化物。 另外，补给水经过处理后，仍然会有一定含量的残留盐分。并且，当除盐水流过除 盐水箱、除盐水泵及路径管道时，也会携带少量的悬浮物及溶解气体。这些原因，都会 造成凝结水的污染。【即 2 2 2 水质调节原理 仿真对象的凝结水精处理系统设有凝结水升压泵，属于低压水处理设备；不设前置 过滤器，高速混床本身起到一定的过滤作用。系统按2 3 0 0 m w 机组容量设计，由两 6 华北电力大学硕士学位论文 列2 5 0 ( 凝结水量) 的高速混床单元组成，每台机组配两台混床，采用并联形式连 接。两列高速混床单元共用一套体外再生装置，体外再生装置由阳树脂再生器、阴树脂 再生器、树脂存储罐、混脂罐组成，并配有辅助的罗茨风机、再生水泵和酸碱再生单元。 高速混床的投运、停运及再生采用程序控制或就地盘操作。 凝结水精处理系统采用h o h 型高速混床。其交换反应式为： n a c i + r h r n a + h c l h c i + r o h + r c l + h 2 0 反应的最终产物是h 2 0 ，因此，离子交换反应易于向右进行，水的除盐比较彻底。 2 3 给水系统 锅炉给水系统即给水和给水的组成部分。主要是指凝汽器出口至省煤器入e l 的水系 统，包括凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵和高压加热器以及相连的管道。【9 】 2 3 1 主要水质问题 在给水系统中流动的水，是由汽机凝结水、化学补给水、各种疏水和生产返回水等 组成的，水质较纯，通常不会因为盐类析出而在管壁上结垢，可能发生的水质问题是金 属的电化学腐蚀。这类腐蚀不仅会造成给水管道及相关设备的损坏，而且由于腐蚀产物 随给水进入锅内，导致在锅炉蒸发面上发生金属腐蚀产物沉积，严重时造成锅炉管的损 坏。由此可见，给水污染及给水系统金属的腐蚀，对于锅炉机组的安全运行具有重要影 晌。 给水中往往含有0 2 和c 0 2 ，所以给水系统中的腐蚀主要分为三类： ( 1 ) 溶解氧腐蚀 f e + f e 2 + + 2 e 0 2 + 2 h 2 0 + 4 e - + 4 0 h 一 ( 2 ) 二氧化碳腐蚀 c 0 2 + i - 2 0 _ + w + h c 0 3 一 f e f e 2 + + 2 e 2 h + + 2 e _ + 2 h 2 ( 3 ) 同时有溶解氧和游离c o z 的腐蚀 在给水系统中，若同时含有0 2 和c 0 2 ，因为0 2 的电极电位高，易形成阴极，侵蚀 性强，c 0 2 使水呈酸性，破坏保护膜，则腐蚀就更严重。 由于给水系统中各种设备和管道大都是由碳钢制成的，所以本文主要讨论铁的腐 蚀。但是加热器中用于传热的管件通常由黄铜制成，所以铜的腐蚀同样不容忽略。给水 华北电力大学硕士学位论文 系统中，主要发生黄铜的脱锌腐蚀及其自身腐蚀。 2 3 2 锅炉给水水质调节 仿真对象采用全挥发性处理( a l l v o l a t i l e t r e a t m e n t ) 方式，即n h 3 和n 2 h 4 的联合 处理方法。 ( 1 ) 化学除氧 。 在除氧器后增设化学除氧，是为了进一步强化除氧水平，以最大限度消除给水系统 的溶解氧腐蚀 1 0 1 。仿真对象采用向给水中加n 2 h 4 的方法除去溶解氧。两者的反应为气 一液之间的异相反应，其发应原理到目前为止有三中假说，分别是n 2 h 4 和0 2 在溶液中 直接反应、发生表面吸附反应、间接反应1 5 1 。 n 2 h 4 + 0 2 + n 2 + 2 h 2 0 联氨除氧的合理条件为：温度高于1 5 0 c ，p h 值为9 1 1 的碱性介质，并且n 2 h 4 要有一定适当的过剩量。高压及以上的火电厂，从高压除氧器出来的给水，温度一般高 于1 5 0 。c ，给水p h 值调节到8 8 9 3 ，符合联氨除氧条件。其加药地点为除氧器出口。 n 2 h 。不仅仅与给水中的0 2 发生反应，还与给水中铁、铜的氧化物发生作用，并且 在一定温度和金属及金属氧化物的催化作用下发生热解。 6 f e 2 0 3 + n 2 h 4 + n 2 + 2 h 2 0 + 4 f e 3 0 4 2 f e 3 0 4 + n 2 h 4 + 4 h 2 0 + n 2 + 6 f e ( o h ) 2 2 c u 2 0 + n 2 i q 4 + n 2 + 2 h 2 0 + 4 c u 2 c u o + n 2 h 4 + n 2 + 2 h 2 0 + 2 c u 3 n 2 h 4 - + n 2 + 4 n h 3 另外，研究发现，n 2 h 4 和水中溶氧在某种条件下可以共存。所以，n 2 h 4 不但可 以除氧，而且在给水系统中由于电化学反应能起到钝化作用。 ( 2 ) 给水p h 值调节 造成给水p h 降低的主要原因是水中c 0 2 的存在。提高给水的p h ，就是要防止c 0 2 腐蚀，即h 的去极化腐蚀。课题的仿真对象采用给水加入挥发碱的方式调节p h 值，加 药地点为高速混床出口和除氧器出口。经验证明，加氨量为使给水p h 值调节到8 8 - - 9 3 为宣。原理如下： n h a o h + h 2 c 0 3 + n h 4 h c 0 3 + h 2 0 n h 4 0 h + n h 4 h c 0 3 - r n h 4 ) 2 c 0 3 + h 2 0 2 4 锅炉水处理系统 在汽包锅炉的水汽系统中，由汽包，下降管- 下联箱- 上升管，汽包 些! ! 皇垄盔堂堡主堂垡堡茎 所组成的回路，即锅炉水循环系统。 2 4 1 主要水质问题 由于锅炉内部一般处于高温高压状态，其水质特性与常温状态下存在很大差异，所 以其水系统存在的问题也更复杂。主要有以下几个方面： ( 1 ) 氧腐蚀 般情况下锅内不会发生氧腐蚀，但是当除氧器运行不正常、锅炉在基建和停用期 间无防护等异常情况下会发生这种腐蚀。 但) 沉积物下腐蚀 1 ) 酸性腐蚀 当炉水中有m g c l 2 和c a c l 2 时，处于沉积物下蒸发浓缩水中的这些杂质发生以下反 应： i m g c l 2 1 2 h 2 0 + m g ( o h ) 矗+ 2 h c l c a c l 2 + 2 h 2 0 c a ( o h ) 2 1 r + 2 h c l 这两个反应的生成物m g ( o h ) 2 和c a ( o h ) 2 会形成沉淀物，而浓缩的炉水变成了强酸溶 液，以致在沉积物下发生金属的酸性腐蚀。并且，酸腐产生的氢可以使碳钢脱碳，金相 组织受到破坏，反应产物甲烷使金属内部产生压力，使金属逐渐形成裂纹。 2 ) 碱性腐蚀 给水中总会含有少量的碳酸盐，当其进入锅内后，在高温条件下，发生下列反应而 产生游离n a o h ： h c o a 一+ c 0 2 + o h 一 高浓度的n a o h 会破坏金属表面的f e 3 0 4 氧化膜，并与铁直接反应，发生碱性腐蚀。 4 n a o h + f e 3 0 4 + 2 n a f e 0 2 + n a 2 f e 0 2 + 2 h 2 0 f e + 2 n a o h + n a 2 f e 0 2 + h 2 ( 3 ) 水蒸汽腐蚀 当过热蒸汽温度高于4 0 0 * ( 2 时，碳钢就会和水蒸汽发生反应，从而遭到腐蚀。 ( 4 ) 应力腐蚀 分为腐蚀疲劳、应力腐蚀开裂和苛性脆化等几种不同类型。 ( 5 ) 形成水垢和水渣 如果锅内水质不纯，运行一段时间以后，就会形成水垢和水渣。水垢主要有钙镁水 垢、硅酸盐水垢、氧化铁垢和铜垢。在以除盐水、蒸馏水为锅炉补给水的锅炉中，水 渣的主要组成部分是一些金属的腐蚀产物：如铁的氧化物、铜的氧化物、碱式磷酸钙 c a l 0 ( o h ) 2 ( p 0 4 ) 6 】、蛇纹石【3 m g o 2 s 1 0 2 2 h 2 0 和钙镁盐类。 当锅炉炉管结垢后，会导致鼓包和爆管事故，还会引起沉积物下腐蚀。当锅炉中水 9 华北电力大学硕士学位论文 渣太多，会影响锅炉的蒸汽品质，堵塞炉管。以上这些都会严重影响锅炉的安全运行。 2 4 2 汽包锅炉炉水水质调节 炉水水质调节有很多种方法，亚临界机组比较常用的是协调p h 磷酸盐处理。仿 真对象就是采用此种方法。 ( 1 ) 磷酸盐处理 传统的磷酸盐防垢处理就是使炉水经常维持一定含量的磷酸根，以除去钙镁盐垢。 由于锅炉水处在沸腾条件下，且p h 值般在9 1 1 的范围内，会发生以下反应： 1 0 c a 2 + + 6 p 0 4 一+ 2 0 h 一+ c a j o ( o h ) 2 ( ! 0 0 4 ) 6 3 m 9 2 + + 2 s 1 0 3 2 一+ 2 0 h 一+ h z o + 3 m g o 2 s 1 0 2 2 h 2 0 生成的碱式磷酸钙和蛇纹石都是一种松软的水渣，易随锅炉排污排除，且不会粘附在锅 内转变成水垢。 ( 2 ) 协调p h 一磷酸盐处理 由于单一的磷酸盐处理工艺会产生游离n a o h ，且容易发生易溶盐“隐藏”现象， 所以发展了协调p h 一磷酸盐处理工艺。其原理是向汽包内添加适当药品，使炉水既能 有足够高的p h 值( 9 - - 1 1 ) 和维持一定的p 0 4 3 _ ，又不含有游离n a o h ，这就避免了传 统磷酸盐处理工艺的缺点。具体方法是使炉水的r 值( n a p 0 4 卜摩尔比) 控制在2 3 0 - - 2 ，8 0 的范围内。 n i l l 2 】 仿真对象使用的调节药品为n a 3 p 0 4 、n a z h p 0 4 和n a o h 。实际工作中，药品的配方 应按锅炉的不同水质条件来决定。当r 值高于3 0 ，锅内处理应由原来的单一配方改为 “n a 3 p 0 4 + n a 2 h p 0 4 ”处理的配方。当 p 0 4 3 - 】已经很高，但是p h 值仍然低于9 时，锅 内处理应由原来的单一配方改为“n a 3 p 0 4 + n a o h ”处理的配方。 2 5 化学循环水处理 2 5 1 循环水系统概述 循环水系统由循环水泵、凉水塔及水池、凝汽器、胶球装置以及水泥沟道、钢铁管 道、阀门等组成。仿真对象的循环水系统采用闭式循环的运行方式，循环水由循环水泵 升压，经进水管进入凝汽器铜管内水侧，冷却乏汽后，经回水管回到凉水塔中部配水装 置，由凉水塔内淋水格栅均匀布水向下落，并和空气进行热交换，冷却后的水落入凉水 池，经水泥沟道进入循环水泵，继续循环。 循环水的补充水取自水库，分别补入# 1 、2 两个机组进水水沟内。正常情况下# 1 、 2 机的循环水溢水经过零排放弱酸系统处理后，作为# 3 、4 机组循环水的补充水，当弱 酸处理水源或出力不足时，# 3 、4 机循环水的补充水用水库水。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 5 2 水质特点及处理 火力发电厂循环冷却水的用量很大，占发电厂总用水量的9 0 左右。循环水处理主 要是防腐、防垢及防止产生有机附着物，目前大多采用加稳定剂配合杀菌灭藻处理。循 环水处理不好，容易使凝汽器铜管结垢、腐蚀及产生有机附着物。由于污垢及有机附着 物的传热性很差，导致凝结水的温度升高，从而使凝汽器真空恶化，影响汽轮机的出力 和运行的经济性。1 1 3 1 根据水质情况，正常情况下，仿真对象采用加水稳剂进行阻垢、防腐处理。受补充 水条件所限，仿真对象的循环水在高温季节难以维持较低的浓缩倍率，所以在此期间采 用加酸和稳定剂联合处理。为控制微生物生长，在高温季节增加杀菌灭藻处理。现将其 原理分述如下： ( 1 ) 加酸处理 循环水加酸处理的目的是中和水中的碳酸盐，这是一种改变水中碳酸化合物组成的 防垢方法。常用的酸是硫酸，因其价廉且便于贮存和运输。反应为： c a ( h c 0 3 ) 2 + h 2 s 0 4 + c a s 0 4 + 2 c 0 2 + 2 h 2 0 加酸的量并不需要全部中和h c 0 3 一，只要维持循环水中的碳酸盐硬度( h t ) 不超过极 限碳酸赫硬度( h t ) 即可。 循环水的加酸地点无严格限制，可加在循环水泵前的补充水水流中，这是考虑到水 中如有游离c 0 2 ，可使h t 的值增大；从减轻凝汽器铜管腐蚀方面考虑，宜将酸加在送 入冷却塔的循环水中。 ( 2 ) 力口水稳齐0 循环冷却水中加入水稳剂可以提高循环水中碳酸盐极限浓度，对c a c 0 3 起到吸附和 分散作用，达到防止结垢的目的。 ( 3 ) 加浓硫酸和水质稳定剂的联合处理 受补充水条件所限，仿真对象的循环水在高温季节难以维持较低的浓缩倍率，在此 期间采取加浓硫酸和水质稳定剂的联合处理方式。 ( 4 ) 杀菌灭藻处理 为控制微生物，在高温季节循环水进行杀菌灭藻处理，其加药期是每年的六月到十 月。药品加在循环水泵入口加药池内。 2 6 零排放反渗透系统 水资源危机是当今世界面临的重要问题，水资源的严重匮乏已经成为制约我国国民 经济发展的一个重要因素。火力发电厂是用水大户，通过对不同环节不同用水点的分析， 华北电力大学硕士学位论文 实现水资源的优化利用，是节约水资源，实现可持续发展的重要方面。1 1 4 】 仿真对象循环水水质的控制方式为# 1 、2 机循环水按低浓缩倍率运行，补充水为水 库水；# 3 、4 机循环水按高浓缩倍率运行，补充水为弱酸处理出水。# 3 、4 机循环水 排水经反渗透系统处理后淡水回用，浓水排至除尘系统作为冲灰用水。 在零排放反渗透系统中，本论文所仿真的部分为：以拌l 、2 机的循环水排水经弱酸 处理后的出水作为补充水的# 3 、4 机组的循环水排水经过反渗透处理后淡水回用这部 分。 系统流程为图2 2 所示： 2 6 1 机械搅拌澄清池 机械搅拌澄清池属于泥渣循环型澄清池。池体主要由第一、二反应室、分离室、进 出水系统、排泥系统等部分组成，原理是利用池内预先滞留的泥渣作为接触介质，使加 入混凝剂后发生的絮凝作用进一步发生混凝作用，达到沉淀以去除水中悬浮物与胶体等 杂质的作用。 仿真对象采用的混凝剂为聚合硫酸铁( p f s ) ，分子式为 f e ( o h ) n ( s 0 4 ) 3 一吡】。 混凝处理要求p h 值大于9 0 ，当p h 值不合适时加入n a o h 调节。 同时，机械搅拌澄清池中要加入软化剂n a 2 c 0 3 。水的软化是在水中加入一定量的 化学药品，使钙、镁离子转变为难溶于水的化合物而沉淀析出的方法。 2 6 2 无阀滤池 无阀滤池运行时，进水经进水管进入滤层上部，自上而下通过滤层，清水经底部配 水装置和连通道进入上部冲洗水箱，水箱充满后经出水管至清水池。运行中滤层不断截 留悬浮物，阻力不断增大，虹吸上升管内的水位不断上升。当水位上升到虹吸下降管中 的空气，当真空度达到一定程度时即形成虹吸，这时冲洗水箱中的水经过连通管对滤层 进行冲洗。当水箱中的水位下降到虹吸破坏管口时，虹吸被破坏，冲洗结束，滤池进入 下一周期的运行。澄清池在运行正常的情况下，无阀滤池的运行周期在1 2 小时。 控制出水浊度小于3 m g m 。 采用3 0 的工业h c l 来调节p h 值，加药点设在无阀滤池出水母管上的混合器内， 控制p h 值在7 5 左右。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 采用5 的工业n a o c l 进行杀菌，加药点设在加酸点后。 2 6 3 活性炭过滤器 活性碳吸附过滤的作用在于去除水中的有机物，保证出水的c o d 负荷后续r o 装 置的要求。 为保证不使双滤料机械过滤器出水中过量的余氯进入活性碳过滤器，加n a 2 s 0 3 消 除水中的过量余氯。加药点设在活性碳过滤器进水母管内。 2 6 4 反渗透 反渗透膜对源水水质的要求很严格，所以在运行时一定要保证零排放前置预处理装 置的运行稳定行。总的说来，r o 装置要达到以下进水标准： 表2 2r 0 装置进水标准 项目单位标志污染指数( 1 5 m i n ) 游离氯含量 m g l 0l 铁 m l 0 0 5 c o d m g l 2 0 p h 7 8 在保安过滤器的进水管道内，要加入阻垢剂，以防止对r o 装置的正常运行产生影 响。仿真对象采用的阻垢剂为p t p 0 1 0 0 。当膜组件压差超过起始压差1 5 、系统连续 运行脱盐率比初始值降低1 0 以上、r o 装置长时间停运、系统各运行参数正常，但是 淡水出水量降低1 0 以上时，r o 组件需要进行化学清洗。 华北电力大学硕士学位论文 第三章仿真模型的建立 3 1 建模的概念与方法 3 1 1 建模的概念 数学模型是一种抽象的模拟，它用数学符号、数学公式、程序、图表等刻画客 观事物的本质属性与内在联系，是现实世界的简化而本质的描述。创建一个数学模 型的全过程称为数学建模，即运用数学的语言、方法去近似地刻画该实际问题，并 加以解决的全过程。1 1 5 3 1 2 建模的一般步骤【6 】 数学建模是十分复杂的创造性劳动，但是也存在一种切实可行的规律。数学建 模的一般步骤应该是： ( 1 ) 模型准备。拿到问题之后，首先是了解问题的实际背景，明确建模的目 的，查阅已有的资料，研究对象的各种信息、数据，弄清对象的特征，并在此基础 上探讨解决问题的办法。 ( 2 ) 模型假设。根据实际对象的特性和建模目的，对与研究对象有关联的多 种因素进行分析，找出主要与次要因素、本质与非本质因素，并用精确语言做出假 设，这是建模的关键。不同的简化与假设会得到不同的模型，假设做得不合理或过 于简单，会导致建模失败或部分失败，假设做得过多过细，会使模型太繁杂，令下 一步工作无法进行。 ( 3 ) 模型建立。根据所做假设，利用适当数学工具来描述各变量之间的关系， 建立相应的数学结构即模型。数学工具应根据问题特征、建模目的及建模者的擅长 而定。同一问题可采用不同的方法建立起不同的模型，但应遵循一个原则，那就是 尽量采用简单的数学工具，以便建立的模型能被更多的人了解和使用，因为建模的 最终目的是为了解决问题。 ( 4 ) 模型求解。运用适当的数学工具对模型求解。它包括数值解、解析解、 图解、逻辑推理、定理证明等，其中必不可少的要借助计算机来完成。 ( 5 ) 模型仿真分析。对求得的结果进行数学仿真分析，通过各种参数的变化， 用模型来做出数学预测，自动寻优来获得晟优决策与最优控制。 ( 6 ) 模型检验。将模型仿真分析的结果返回给实际模拟的对象，用实际的结 果对模型的合理性、适用性、正确性、灵敏性做出评价。一般还包括误差分析、新 旧模型比较、实际可行性分析等，这是十分重要的一步。若检验中发现有问题，但 建模与求解无误。通常问题出现在假设上，就应返回到第二步，修改假设并重新 1 4 华北电力大学硕士学位论文 建模，如此多次反复直至检验无误。 3 2 补给水处理系统 3 2 1 机械过滤器数学模型 3 2 1 1 单台过滤器进水流量模型 q = r e x ( d 2 ) 2x h 一1 0 x r n d 式中： q 一单台机械过滤器进水流量( m 3 m ) ； d 一机械过滤器的直径( m ) ： h 一滤层高度( m ) ： r n d 一随机函数。 3 2 1 2 去除效率模型 ”= 1 一e 一“ 式中： 一过滤系数( 模型中假定其为常数) ： l 一水流经的滤层厚度。 3 2 1 3 反洗强度模型 反洗强度指单位时间过滤截面积上的反冲洗水量。 q = 1 0 k u m f 式中： q 一反洗强度( l ( m 2 s ) ) ： k 一富裕系数( 取值1 1 1 3 ) ； u 。f 一最大粒径滤料的最小流化速度( c m s ) 。 3 2 2 一级复床除盐数学模型 3 2 2 1 系统进水硬度、p h 值、 c 1 模型 h = h i + r n d p h = p h i + r n d 【c 1 = 【c i i + r n d 式中： h 、p h 、 c 1 一补给水硬度( m m o l l ) 、p h 值、氯离子浓度( m g l ) ； 公式( 3 1 ) 公式( 3 2 ) 公式( 3 3 ) 公式( 3 4 ) 公式( 3 5 ) 公式( 3 - 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 h i 、p h i 、 c l - i 一补给水硬度( r e t o o l l ) 、p h 值、氯离子浓度( m g l ) 的基值。 3 2 2 2 阴阳树脂的工作交换容量模型 乓= ( s + j ) x q 公式( 3 7 ) e 阴= ( s + s i 0 2 6 0 + c d 2 4 4 ) q 公式( 3 8 ) 式中： e 阳、e 。一分别为阳树脂和阴树脂的工作交换容量( m o l m 3 ) ： s 一阳床出口酸度( m o l m 3 ) ； j 一系统进水碱度( m o l m 3 ) ； q 一周期制水量( m 3 ) ； v 硐、vm 一分别为阳树脂和阴树脂的体积( m 3 ) ： s i 0 2 、c 0 2 一系统进水中s i 0 2 、残留c 0 2 的浓度( m 3 ) 。 3 2 2 3 弱型树脂工艺性能主要影响因素模型 此模型考虑得影响因素主要为：运行流速、水温及树脂粒度。 z 叫( 警) 6 式中： z 一动力学参数； k 一树脂粒度影响系数： u 一运行流速( m h ) ； t 一水温( ) 。 3 2 3 混床出水电导率、【s i 0 2 】数学模型 s i 0 2 = s i 0 2 i + 0 1x r n d 1 c = k ；+ o 0 2 2 x r n d 式中： s i 0 2 、k 一混床出水的s i 0 2 浓度( p g l ) 、电导率( _ t s c m h s i 0 2 i 、l ( i 一混床出水的s i 0 2 浓度( 1 _ t g l ) 、电导率( p s e m ) 的基值。 3 3 凝结水精处理系统 3 3 1 再生度计算模型 公式( 3 9 ) 公式( 3 一l o ) 公式( 3 1 1 ) 再生度的计算模型中，氢型混床离子交换反应的最终产物为h 2 0 ，p h 值近似为7 ， 则 一 _ o h _ 】= 1 0 m o l l 。仿真对象水质要求 n a + 】_ l u g l = 4 3 5 1 0 m o f l ， c l _ 】 = 1 5u g l = 4 2 1 0 m o l l 。【1 8 】【1 9 】 华北电力大学硕士学位论文 式中 ( k 篁+ ) 。阻+ 】 陋刎2 盎枷晰 馘( 3 - 1 2 ) n a + 】 r h 一阳树脂的再生度( ) ； 足。n a + 一阳床的反应电离常数( 1 5 ) ： 【h + 】一氢离子浓度( m o l l ) ： n a + 】一钠离子浓度( m o l l ) 。 ( k 。c , - ) 。 o h 】 月叫 2 疆丽 c l - l o 。 馘( 3 - - 1 3 ) c ，一】 式中： 【r o h 一阴树脂的再生度( ) 5 k w c r 一阴床的反应电离常数( 1 1 1 ) 。 【o h 】一氢氧根离子浓度( m o l l ) ； c l _ 一氯离子浓度( m o l l ) 。 3 3 2 高速混床出水溶解氧、电导率、p h 值、【s i 0 2 】数学模型 d o = d o i + 1 0 5 r n d公式( 3 一1 4 1 p h 2 p h i + o 0 9 r n d公式( 3 1 5 ) s i 0 2 = 【s i 0 2 i + 0 1 r n d公式( 3 1 6 ) k = k i + 0 0 2 2 r n d公式( 3 1 7 ) 式中： d o 、p h “s i 0 2 、k 一高速混床出水的溶解氧含量( p g l ) 、p h 值、s i 0 2 浓度( “g l ) 、 电导率( 肛s c m ) ： d o i 、p h i 、【s i 0 2 i 】、k i 一高速混床出水的溶解氧含量( p g l ) 、p h 值、s i 0 2 浓度( “g l ) 、 电导率( 肛s c m ) 的基值。 3 4 给水处理系统 3 4