陳  震1，王  濤2，劉紅艷3，朱麗萍4，祝  青1

　　(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437；2.上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海201306；3.上海申能吳涇第二有限公司，上海200241；4.華能上海石洞口發(fā)電責(zé)任有限公司，上海200942)

<strong>　　摘  要： 通過(guò)分析上海地區(qū)火電廠不同水處理工藝以及進(jìn)水水源的變化情況，總結(jié)這些電廠多年的補(bǔ)給水運(yùn)行出水水質(zhì)數(shù)據(jù)，研究其在高含鹽量進(jìn)水水質(zhì)下，其水處理工藝出水水質(zhì)是否滿足（GBT12145-2008）鍋爐補(bǔ)給水質(zhì)量要求。為上海地區(qū)火電廠水處理工藝設(shè)計(jì)改造提供依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞： 離子交換；RO；EDI

0 引言

　　上海地區(qū)火電廠采用的補(bǔ)給水處理工藝：老電廠為傳統(tǒng)離子交換除鹽系統(tǒng)，大部分電廠是在傳統(tǒng)離子交換除鹽系統(tǒng)上加裝了一級(jí)反滲透；新設(shè)計(jì)的現(xiàn)代火電廠采用二級(jí)RO+混床除鹽系統(tǒng)或二級(jí)反滲透+EDI的全膜水處理系統(tǒng)。

　　化學(xué)補(bǔ)給水全膜系統(tǒng)包括超濾(UF)、反滲透(RO)和EDI三部分，裝置采用可編程控制器(PLC)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制，可遠(yuǎn)程控制和就地手動(dòng)操作。電廠全膜除鹽系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)年的運(yùn)行使用，反滲透及EDI裝置均會(huì)出現(xiàn)不同程度的脫鹽率、回收率下降的情況，造成設(shè)備的供水能力不足，影響機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　如某電廠補(bǔ)給水采用全膜處理，在運(yùn)行5年后，EDI裝置的出水水質(zhì)從運(yùn)行初期的0.06 μS/cm上升至0.1 μS/cm，鈉、硅的去除能力明顯下降，在EDI系統(tǒng)清洗后，水質(zhì)可恢復(fù)至0.07 μS/cm，在運(yùn)行2～3個(gè)月時(shí)間后，鈉、硅控制指標(biāo)大幅升高，說(shuō)明采用清洗不能完全恢復(fù)系統(tǒng)的性能。RO裝置的系統(tǒng)回收率均不到60%，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)回收率≥85%的要求，EDI出水中鈉、硅超過(guò)失效控制指標(biāo)，影響鍋爐的安全運(yùn)行。

　　為保證上海地區(qū)在海水倒灌影響期間鍋爐補(bǔ)給水處理設(shè)備的可靠運(yùn)行，必須摸清各種處理工藝的處理效果、運(yùn)行控制條件，選擇適合上海地區(qū)火電廠的補(bǔ)給水處理工藝，保證所選擇的補(bǔ)給水處理設(shè)備的高效運(yùn)行，提高補(bǔ)給水系統(tǒng)出力與出水水質(zhì)。

1 上海地區(qū)火電廠水處理系統(tǒng)工藝流程

　　1.1 電廠水處理系統(tǒng)工藝流程

　　目前上海地區(qū)火電廠中高橋石化熱電廠、金山石化熱電廠、星火熱電廠、閔行電廠采用的處理工藝為傳統(tǒng)離子交換除鹽系統(tǒng)，長(zhǎng)興島二電廠、吳涇一電廠、吳涇二電廠、外高橋一、二電廠、石洞口一電廠、閘電燃機(jī)電廠、石洞口二廠一期工程采用的是一級(jí)RO+離子交換除鹽系統(tǒng)；漕涇燃機(jī)、大漕涇電廠為二級(jí)RO+離子交換除鹽系統(tǒng)；臨港燃機(jī)、石洞口燃機(jī)、石洞口二廠二期工程、奉賢燃機(jī)為二級(jí)反滲透+EDI的全膜水處理系統(tǒng)。

　　圖1為全膜水處理工藝流程。全膜處理系統(tǒng)是目前最新的鍋爐補(bǔ)給水水處理制水技術(shù)，其使用EDI設(shè)備替代傳統(tǒng)混床技術(shù)。EDI工藝是將離子交換樹(shù)脂填充在陰、陽(yáng)離子交換膜之間形成EDI單元，其離子化物質(zhì)在電場(chǎng)的作用下,通過(guò)導(dǎo)電物質(zhì)從產(chǎn)水中遷移出去,達(dá)到生產(chǎn)高純水的過(guò)程。在這個(gè)單元兩邊設(shè)置陰、陽(yáng)電極，在直流電作用下，將離子從其給水（通常是反滲透純水）中進(jìn)一步清除。

　　水中陽(yáng)、陰離子通過(guò)陽(yáng)、陰離子交換膜分別允許各自的陽(yáng)、陰離子透過(guò)。

　　EDI模塊的產(chǎn)水水質(zhì)取決于模塊將離子從淡水室遷移至濃水室的能力，如果進(jìn)水中的離子含量過(guò)高，則產(chǎn)水水質(zhì)變差。運(yùn)行中需控制允許最高的進(jìn)水電導(dǎo)率。

　　EDI模塊約70％的電能消耗在水的電離上，在EDI模塊中，濃水室陰膜表面的pH值較高，結(jié)垢傾向嚴(yán)重，為保證脫鹽率，防止EDI模塊結(jié)垢，必須控制進(jìn)水結(jié)垢物質(zhì)含量。

　　進(jìn)水中氧化劑會(huì)使EDI中離子交換樹(shù)脂和離子交換膜（包含RO膜）快速降解，造成離子交換能力和選擇性透過(guò)能力衰退，除鹽效果惡化，縮短RO、EDI模塊使用壽命。運(yùn)行中需控制進(jìn)水中氧化劑的含量。

　　顆粒雜質(zhì)會(huì)污堵隔室水流通道、樹(shù)脂空隙、樹(shù)脂和膜的孔道，導(dǎo)致模塊的壓降升高、離子遷移速度下降。有機(jī)物、藻類可以被吸附到樹(shù)脂及膜的表面，降低其活性。被污染的樹(shù)脂和膜傳遞離子的效率降低，膜堆電阻增加，運(yùn)行中需保證進(jìn)水中含有較少的雜質(zhì)含量。

　　膠態(tài)硅可以通過(guò)超濾及RO裝置等物理處理工藝去除，而活性硅在通過(guò)RO及EDI裝置后難以徹底去除。硅酸化合物對(duì)EDI模塊的影響：在濃水室結(jié)垢的硅酸鹽很難除去。設(shè)計(jì)要求EDI進(jìn)水SiO2含量小于0.5 mg/L。

　　1.2 電廠補(bǔ)給水運(yùn)行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

　　表1顯示，對(duì)超臨界火電機(jī)組，鍋爐補(bǔ)給水電導(dǎo)率、TOC、SiO2分別要求小于0.15 μS/cm、200 μg/L、10 μg/L。其中，TOC必要時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 上海地區(qū)電廠原水水質(zhì)分析

　　2.1 原水水質(zhì)分析

　　2.1.1 原水含鹽量分析

　　目前上海地區(qū)使用的原水水源為長(zhǎng)江水質(zhì)的電廠是石洞口一、二廠、寶鋼、外高橋一、二、三廠；吳涇一、二電廠、臨港燃機(jī)為黃浦江水；上電漕涇、漕涇燃機(jī)、奉賢燃機(jī)為上海內(nèi)陸河水質(zhì)，其水質(zhì)情況見(jiàn)圖2。

　　長(zhǎng)江水質(zhì)受海水倒灌影響較大，在長(zhǎng)江“枯水”期(一般為每年的11月下半月至翌年的5月上半月)，水中氯離子含量達(dá)1 700 mg/L，偶爾可3 500 mg/L。在進(jìn)入“汛期”時(shí)，原水的電導(dǎo)率減小，到每年的5、6月份降至最低。當(dāng)進(jìn)入“枯水”期時(shí)，原水的電導(dǎo)率上升。有海水倒灌時(shí)，電導(dǎo)率上升明顯。2014年2月份原水電導(dǎo)率甚至上升至1 489 μS/cm。上海內(nèi)陸水源為黃浦江水源的支流，基本與黃浦江水源接近，其水源也受到季節(jié)性的影響，但原水水質(zhì)年波動(dòng)幅度比較低，受海水倒灌的影響較小。電導(dǎo)率主要分布在600～800 μS/cm之間。上電漕涇電廠位于上海市金山區(qū)漕涇鎮(zhèn)，緊靠杭州灣北岸。從圖2可以看出，靠近金山地區(qū)的內(nèi)陸水也受海水倒灌的影響，在冬季“枯水”期，原水的電導(dǎo)率明顯上升，但上升幅度與長(zhǎng)江水質(zhì)相比幅度較低，黃埔江的原水電導(dǎo)率最高可達(dá)到1 000 μS/cm左右。

　　2.1.2 原水有機(jī)物分析

　　黃浦江水和長(zhǎng)江水年有機(jī)物變化曲線如圖3所示。

　　由圖3可以看出，黃浦江水有機(jī)物的含量較長(zhǎng)江水高，黃浦江水有機(jī)物平均含量在5.3 mg/L左右，長(zhǎng)江水平均在3 mg/L左右。對(duì)于以黃埔江水為原水的電廠，在進(jìn)全膜系統(tǒng)前應(yīng)當(dāng)增設(shè)活性炭，降低進(jìn)水有機(jī)物的含量，防止膜系統(tǒng)受有機(jī)物污染和滋長(zhǎng)微生物。

　　2.2 各種處理工藝在高含鹽量時(shí)出水水質(zhì)分析

　　2.2.1 常規(guī)的離子交換處理工藝

　　普通常規(guī)除鹽處理進(jìn)水水質(zhì)是按表2所列的水質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　表3顯示，在進(jìn)水電導(dǎo)率達(dá)到800 μS/cm時(shí)，混床出水電導(dǎo)率已達(dá)到0.18 μS/cm，TOC為820 μg/L，超過(guò)超臨界火電機(jī)組補(bǔ)給水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，在海水倒灌期間，當(dāng)海水電導(dǎo)率達(dá)到1 500 μS/cm以上時(shí)，常規(guī)離子交換處理工藝無(wú)法制水運(yùn)行，強(qiáng)制運(yùn)行，其周期制水量非常短，出水水質(zhì)劣化，水耗、酸堿耗極高。以前在海水倒灌期間采取的工藝處理措施是采用低含鹽量的深井水替代高含鹽量的原水，保證離子交換處理工藝能正常制水，隨著地下水資源的限制開(kāi)采，這種運(yùn)行方式已不能滿足現(xiàn)代工藝的生產(chǎn)要求。

　　2.2.2 一級(jí)RO（二級(jí)RO）+離子交換處理工藝

　　常規(guī)離子交換工藝存在抗高含鹽量能力差、出水水質(zhì)不能完全滿足超臨界火電機(jī)組補(bǔ)給水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，大多數(shù)電廠對(duì)原補(bǔ)給水處理工藝進(jìn)行了改造，加裝了一級(jí)RO設(shè)備，在一級(jí)RO處理設(shè)備后，再配置常規(guī)的一級(jí)除鹽系統(tǒng)，其進(jìn)水水質(zhì)按RO90%除鹽能力計(jì)算，可以處理進(jìn)水電導(dǎo)率達(dá)到6 000 μS/cm高含鹽量的水質(zhì)。部分新設(shè)計(jì)的電廠如百萬(wàn)機(jī)組上電漕涇電廠、漕涇燃機(jī)電廠，其采用的處理工藝則為二級(jí)RO+混床的處理工藝。

　　從上海石洞口二廠一期“RO+離子交換”系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)中，選擇其中三組含鹽量高的數(shù)據(jù)(如表4所示)進(jìn)行分析。結(jié)果如圖4～圖6。

　　從表4、圖4、5、6數(shù)據(jù)可知，當(dāng)海水倒灌時(shí)反滲透進(jìn)水的電導(dǎo)率高至3 800 μS/cm，經(jīng)反滲透除鹽后出水的電導(dǎo)率在300～400 μS/cm，其出水電導(dǎo)率也基本穩(wěn)定在0.06～0.08 μS/cm，硅、鈉全部符合超臨界火電機(jī)組補(bǔ)給水控制指標(biāo)，說(shuō)明采用一級(jí)RO+離子交換處理工藝或二級(jí)RO+混床的處理工藝，在抗高鹽量、較高有機(jī)物的進(jìn)水水質(zhì)時(shí)，其出水水質(zhì)全部符合超臨界火電機(jī)組補(bǔ)給水控制指標(biāo)。

　　2.2.3 全膜處理工藝

　　新設(shè)計(jì)的電廠采用的是全新的全膜水處理工藝，其代表電廠是上海石洞口二廠二期、臨港燃機(jī)、奉賢燃機(jī)電廠。

　　表5、圖7、8 數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)EDI進(jìn)水的電導(dǎo)率基本在1.7～3.4 μS/cm時(shí)，其出水的電導(dǎo)率在0.089～0.127 μS/cm，高于采用一級(jí)RO+離子交換的制水工藝的出水水質(zhì)0.06～0.08 μS/cm，但能滿足超臨界火電機(jī)組補(bǔ)給水電導(dǎo)率小于0.15 μS/cm的控制指標(biāo)。

　　對(duì)已經(jīng)運(yùn)行5年，在EDI進(jìn)水電導(dǎo)率高于5 μS/cm時(shí)，其出水電導(dǎo)率已超過(guò)0.2 μS/cm，高于超臨界火電機(jī)組補(bǔ)給水電導(dǎo)率小于0.15 μS/cm的控制指標(biāo)。

　　對(duì)于全膜系統(tǒng)，反滲透的脫鹽率隨運(yùn)行時(shí)間的增加逐漸下降（圖9所示），EDI處理設(shè)備對(duì)進(jìn)水電導(dǎo)率有一定的要求，在原水含鹽量升高至一定值時(shí)，或由于EDI系統(tǒng)隨運(yùn)行時(shí)間的增加，EDI膜上污染加劇，樹(shù)脂交換基團(tuán)脫落氧化，處理能力下降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致全膜系統(tǒng)的出水水質(zhì)無(wú)法達(dá)到超臨界火電機(jī)組補(bǔ)給水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，使全膜系統(tǒng)降低出力或停止運(yùn)行。

　　2.3 其他出水水質(zhì)指標(biāo)比較

　　上海石洞口二廠一期采用一級(jí)RO+離子交換除鹽系統(tǒng)，上海石洞口二廠二期、上海臨港燃機(jī)電廠采用全膜處理系統(tǒng)，上電漕涇為二級(jí)RO+混床的處理工藝。在不同處理工藝下，出水Na+濃度、SiO2濃度分別如圖10、11所示。

　　從圖10、11中可以明顯地看出，各個(gè)電廠除鹽水水質(zhì)有明顯的差異，上海石洞口二廠二期的出水水質(zhì)波動(dòng)較大，上海石洞口二廠一期、上電漕涇電廠的出水水質(zhì)較穩(wěn)定。在全膜處理的出水水質(zhì)中，出水的鈉、硅含量要高于一級(jí)RO+復(fù)床+混床和二級(jí)RO+混床的制水工藝。

　　除鹽水中有機(jī)物含量是電廠定期監(jiān)測(cè)的指標(biāo)。若水處理系統(tǒng)出水有機(jī)物含量高，有機(jī)物會(huì)進(jìn)入鍋爐，在高溫下分解形成有機(jī)酸，導(dǎo)致鍋爐形成酸性腐蝕。圖12、13分別是上電漕涇電廠、石洞口二廠二期2012年～2014年有機(jī)物的檢測(cè)結(jié)果。

　　從圖12、13可以看出，上電漕涇發(fā)電廠二級(jí)RO+混床、水處理系統(tǒng)產(chǎn)水有機(jī)物含量TOC均小于100 μg/L，離子交換補(bǔ)給水混床出水TOC最高可達(dá)600 μg/L，凡補(bǔ)給水采用RO處理工藝后，其補(bǔ)給水的TOC水質(zhì)均低于GBT12145-2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　2.4 溫度對(duì)膜運(yùn)行效果的影響

　　通過(guò)對(duì)臨港燃機(jī)電廠采集數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水的水溫對(duì)設(shè)備處理效果也有很大的影響。溫度—電導(dǎo)率的關(guān)系如圖14所示。

　　從上圖的變化曲線可以看出，隨著溫度的升高，產(chǎn)水電導(dǎo)率也在升高，在15℃以上水溫時(shí)，反滲透膜的產(chǎn)水量接近設(shè)計(jì)產(chǎn)水量，而產(chǎn)水的電導(dǎo)率較低。該系統(tǒng)控制運(yùn)行水溫在15℃以上時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行效果較好。圖15為溫度與產(chǎn)水量的關(guān)系。

　　從圖15可以看到，隨著溫度的升高產(chǎn)水量先是有一個(gè)明顯的升高，隨著溫度繼續(xù)升高，二級(jí)反滲透的出水水量上升程度會(huì)趨于平緩，最終達(dá)到最大產(chǎn)水量。

　　結(jié)合圖14、15的變化關(guān)系曲線，反滲透系統(tǒng)存在最佳的運(yùn)行溫度。臨港燃機(jī)電廠在設(shè)計(jì)所定的二級(jí)反滲透產(chǎn)水就是56 m3/h，從圖15看出在15 ℃時(shí)產(chǎn)水量是54 m3/h，接近了理論設(shè)計(jì)值。按膜與水溫的性能關(guān)系，水溫每提高1 ℃，產(chǎn)水率約增加2%，臨港燃機(jī)電廠的運(yùn)行水溫至少控制在16 ℃以上。

　　2.5 不同水處理工藝的使用特點(diǎn)

　　通過(guò)以上研究分析，各種水處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如表6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　上海地區(qū)火電廠采用常規(guī)離子交換水處理工藝，在海水倒灌期間，該工藝不能使用，需要采用其他低含鹽量水源。在進(jìn)水有機(jī)物含量高時(shí)，其出水TOC高于GBT12145-2008補(bǔ)給水標(biāo)準(zhǔn)要求，不適合近海與高有機(jī)物的進(jìn)水水源。

　　在高含鹽量的進(jìn)水條件下，采用全膜處理工藝電廠，當(dāng)RO脫鹽率有較大下降，EDI性能指標(biāo)下降時(shí)，出水水質(zhì)會(huì)超出GB12145補(bǔ)給水標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　采用RO+離子交換處理工藝的電廠，其出水水質(zhì)基本不受進(jìn)水水質(zhì)的影響，出水鈉、硅、電導(dǎo)率、TOC均能滿足GB12145補(bǔ)給水標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　通過(guò)對(duì)RO+離子交換處理工藝的電廠和全膜處理工藝電廠出水水質(zhì)分析比較， RO+離子交換處理工藝對(duì)原水水質(zhì)的適應(yīng)能力、出水水質(zhì)要優(yōu)于全膜處理系統(tǒng)。

　　全膜水處理系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)具有占地面積小、污染小等特點(diǎn)；原水水質(zhì)的穩(wěn)定性對(duì)于全膜水處理設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大影響。

　　對(duì)采用RO處理工藝的電廠必須控制好進(jìn)水溫度。

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