电厂循环冷却水源热泵系统水质问题探讨

李 杨，冉春雨

（吉林建筑工程学院，吉林长春 130021）

电厂循环冷却水源热泵系统水质问题探讨

李 杨，冉春雨

（吉林建筑工程学院，吉林长春 130021）

在北方严寒地区，电厂循环冷却水蕴含的大量的低温余热，可以作为热泵的冷热源向建筑物供暖。本文介绍了电厂循环冷却水源热泵系统中存在的水质、腐蚀、结垢等问题，以及在解决这些问题时要注意的事项。

电厂循环冷却水；水质；污垢；除垢

电厂循环冷却水是一种蕴含大量低温余热的热能资源，在我国、加拿大和美国已经得到了比较广泛的应用[1]。但是由于电厂循环冷却水的水质问题比较复杂，因此大多数换热技术还是采取间接式换热方法，即采用间接式水源热泵供热系统（图1）。

图1 间接式循环水源热泵系统供热流程

1 电厂循环冷却水的水质情况和水质基本要求

冷却水的来源一般是自来水，运行一段时间后，随着水分不断蒸发，盐类含量越来越高，最后水质逐渐下降。由于冷却水直接与大气接触，冷却水流经冷却塔冷却时空气中固体颗粒的沉降和介质泄漏，也会导致水质降低。有机物可以使水中藻类大量繁殖，堵塞换热器和用水设备管路，甚至使金属管路结垢、腐蚀，轻则降低换热器的传热效率，重则造成管道堵塞，影响机组运行。

东北地区冷却水系统通常为敞开式系统，将水中的沉淀物质、腐蚀及主要离子的控制作为基本水质指标，水质指标如表1所示[2]。

表1 敞开式冷却系统冷却水的主要水质指标

2 电厂冷却水系统腐蚀类型及危害

2.1 电化学腐蚀

水中溶解氧引起的电化学腐蚀，即在金属表面形成微电池，在阳极区发生下面的反应：Fe→Fe2++2e；在阴极区发生2H2O+O2+4 e→4OH-；在水中发生Fe+2OH-→Fe(OH)2，Fe(OH)2的溶解度很低，在20℃的水中极易氧化，即4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓。根据腐蚀面积的大小可以分为点腐蚀、电偶腐蚀、氧浓差腐蚀和不锈钢应力破裂腐蚀。管道表面的“微电池”将会不断侵蚀管道，从而导致管道破裂，系统不能正常运行。

2.2 微生物腐蚀

微生物黏液与无机垢和泥沙等形成的沉积物附着在金属表面，妨碍氧气进入，使沉淀膜下方缺氧而变为阳极，周围金属变为阴极，形成氧的浓差电池，使金属腐蚀，即微生物腐蚀。主要发生下述反应：+8H+8e=S2-+4H2O+能量和Fe2++S2-=FeS↓。逐渐腐蚀金属管道，严重时导致管道穿孔破裂，使冷却水与介质相互渗漏，引起水冷器传热效率下降或管线阻碍。

2.3 生物粘泥腐蚀

由于光照和水温升高，水中细菌和藻类迅速繁殖，分泌的黏液将水中浮尘杂质和化学沉淀物等粘附在一起，形成粘稠的沉积物附着在换热器的传热表面上，称为生物粘泥或软垢。这种腐蚀会使冷却水的流量减少，降低换热器的冷却效率；如果生物粘泥将管子堵死，冷却水系统就不能正常运转。

2.4 其他离子引起的腐蚀

除了含重碳酸盐以外，氯化物、硫酸盐等也是循环水中含量较多的盐类。Cl-和会降低金属保护膜的保护性能，特别是Cl-穿过保护膜与氧发生反应，可加速碳钢的腐蚀。如果冷却水中Cl-含量过高，会导致设备上应力集中的部分迅速遭到腐蚀破坏。循环冷却水系统一般要求Cl-的含量不超过300mg·L-1。

3 电厂循环冷却水污垢引起的问题

3.1 换热系数降低

根据有关资料显示[3-5]，重碳酸盐是冷却水产生水垢的主要成分。重碳酸盐的浓度浓度达到过饱和时，或者当冷却水流经换热器传热表面时，会发生如下反应：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O，Mg(HCO3)2=MgCO3↓+CO2↑+H2O。其中的MgCO3会与水反应，生成难溶的Mg(OH)2。CaCO3与Mg(OH)2沉积在换热器传热表面，形成致密的水垢，其导热系数通常小于1.16W/ (m2·K)，因此导热性能很差。而钢材的导热系数为46.4-52.2 W/(m2·K)，可见水垢形成，必然会影响换热器的传热效率。

3.2 流动阻力增加

流体对物体的阻力分两种：一是流体粘性带来的粘滞阻力，二是物体周围流体流速差引起的压差阻力。根据阻力通式R=ψd2υ2ρ(式中d—颗粒直径；υ—颗粒与流体的相对速度；ρ—流体密度；ψ—阻力系数)可知，水中固体污垢会加强流体的粘稠度和流体内部的湍流，即υ变大，因此对管壁的冲刷作用和局部阻力均加强；随着附着在管壁上的污垢逐渐增加，管路的横截面积将减小，当水流量恒定时，会增加流体的流速，导致换热设备阻力上升，加重水泵的功耗并使其不能在最佳状态运行，使系统节能效果降低。

4 电厂冷却水的除垢方法

4.1 水中微生物的去除和控制

对于水中微生物来说，通常在水中添加氧化杀生剂、非氧化杀生剂和生物分散剂，避免冷却水被阳光直射，利用旁流过滤相对较大体积的生物团，定期清洗管道等方法。但是由于普通的旁滤设备精度低，只能去除颗粒大于55um的杂质，而冷却循环水中的铁锈、泥沙等主要物质并不能被去除。根据国家冷却循环水设计规范规定[6]，在对冷却循环水中的藻类、悬浮物、污垢、腐蚀、生物粘泥和介质进行处理及控制的同时，还必须控制水质的浓缩比，首选补充自来水或总硬度在300mg/L（CaCO3或MgCO3）左右的地下水时，将浓缩比控制在2.5倍左右。

4.2 水中离子的去除和结垢控制指标

冷却水中的钙镁离子的去除主要有两种方法：⑴离子交换树脂法。让水流通过离子交换树脂，使Ca2＋、Mg2＋吸附在树脂上，从而达到去除Ca2＋、Mg2＋的目的。⑵软化法。加入石灰可去除Ca2＋、Mg2＋，使其变为难溶化合物从而沉淀下来。加入NaOH可除去重碳酸盐碱度和镁硬，可调节水中PH值。加入NaCO3可除去永硬部分的钙，但是不能调节水中的PH值。在实际运行中，根据不同的水质特点，可同时加入以上三种物质，效果更好。加入酸类（通常加硫酸）或通入二氧化碳气体使重酸盐类物质稳定下来，然后加入阻垢剂，从而达到去除水垢的目的。根据当地的水质情况，在系统中回水管安装过滤设备、菌藻设备、全程处理器分别来解决污垢、菌藻类滋生的生物垢和悬浮、杂质、藻类等引起的复合垢问题。

由于循环水的水质情况很复杂，因此不能用单一的水质稳定法来处理结垢和腐蚀的问题，也不能通过溶度积理论来得出结垢控制指标值。根据循环水的运行经验，对循环水的结垢趋势的估计以及结垢情况的分析，可以得出相对准确的结构控制指标（表2）。

表2 循环水结垢控制指标

5 循环水运行时的水质管理

在换热时，应使用处理过的循环水，减少水对换热器的腐蚀。从结构、换热效率和换热效果来说可以选择高效螺纹换热管，高效螺纹管又可分为内挤压螺纹管和外螺纹管。其中，内挤压螺纹管管内水流动时通常呈现紊流状态，扰动性比较大，相对于光管中水流呈现层流状态而言，水中的粘性物质、污垢等不易沉积，防垢效果相对较好。循环水水质的控制还可以采取溢流、提高或降低浓缩倍率的方法。溢流主要是靠稀释循环水浓度来达到防腐防垢的目的，却不能去除水中的盐类、藻类和菌类。如果补水中的氯离子降低，碱度和硬度也有所下降，可适当提高浓缩倍率。合理控制循环水中的有机磷的含量，可以有效地控制循环水的结构趋势。

[1]吴荣华,徐莹,孙德兴,等.污水源及地表水源热泵取水换热技术研究应用进展[J].暖通空调,2008,38(6):25.

[2]王选禹,蔡伟江.循环冷却水系统的水质处理[J].黑龙江纺织,2004(2):12.

[3]邵波.电厂循环冷却水杀菌剂的研究[J].江西电力职业技术学院学报,2007(3):23-24.

[4]李良涛.电厂循环冷却水化学稳定处理试验研究[D].北京:华北电力大学,2007:25-30.

[5]陈颖敏,李静,张雅春.电厂循环冷却水处理方案试验[J].工业安全与环保,2008,38(1):11-14.

[6]火力发电厂水工设计规范[S].北京:中国电力出版社,2006.

Discussion on Water Quality Problems of Power Plant Circulating Cooling Water Source Heat Pump System

LI Yang，RANChun-yu
（Jilin Institute ofArchitectural and Civil Engineering,Changchun 130021,China）

In the northern cold areas,the circulating cooling water of power plant contains plenty of low temperature waste heat,which can offer heating to the buildings as cold and heat sources.This article describes the problems of water quality,corrosion and scaling in the power plant circulating cooling water source heat pump system,and the matters needed topayattention toin solvingthese problems.

power plant circulatingcoolingwater;water quality;dirt;scale removal

TU833

A

1008-178X(2012)09-0056-04

2012-06-03

李 杨（1983-），女，吉林长春人，吉林建筑工程学院教师，硕士，从事建筑环境控制系统节能研究。