量子管通環在350MW高背壓機組熱網循環水系統中的應用

盧溫厚，徐志鴻

1.國家能源泰安熱電有限公司，山東 泰安 271000

2.北京微朗世紀科技有限公司，北京 100097

1 項目背景

某企業350MW超臨界機組于2019年進行了高背壓供熱改造，通過對汽輪機低壓轉子和凝汽器的改造，將汽輪機背壓由4.9kPa提高至54kPa，低壓缸排汽的飽和溫度提高至83.3℃；將凝汽器改造為供熱系統的熱網加熱器，充分利用低壓缸排汽的汽化潛熱加熱熱網循環水，降低汽輪機的冷源損失，提高機組的循環熱效率。供熱首站至城區西路供回水和東路供回水均采用DN1200的循環水管道，承擔泰安市區超過2000萬m2的供熱任務，熱網循環水回到凝汽器時存在結垢和腐蝕的隱患，一旦凝汽器換熱管出現結垢腐蝕情況，不僅會影響機組負荷，更重要的是將顯著降低其供熱能力，嚴重影響城區的供暖安全。

在高背壓工況下，該凝汽器設計循環水量為13700m3/h，冷卻面積為23000m2，管內平均循環水流速為0.81m/s，清潔系數為0.9，水阻為84.90kPa。另外，在高背壓工況下膠球系統不能投運，凝汽器換熱管一旦出現結垢或腐蝕現象，將導致凝汽器熱換熱效果降低，機組帶負荷能力下降，直接影響首站供暖負荷。熱網加熱器進汽壓力為0.40～0.55MPa（絕對壓力），進汽溫度為257℃，出水溫度設計為130℃，水側阻力≤40kPa。該企業的水源為城市第二污水廠的中水，在電廠進一步處理后補入熱網循環水系統，因此對熱網循環水質處理要求較高。為了避免凝汽器換熱管和熱網加熱器換熱管結垢或腐蝕，保證供熱設備長久穩定運行，經過技術論證及考察，在熱網循環水進凝汽器前，進行加裝物理法水處理設備-量子管通環的應用研究。

2 量子管通環阻垢緩蝕技術概述

量子管通環阻垢技術是一種新穎的緩蝕阻垢技術，發明于20世紀90年代的德國，由當時斯圖加特大學的物理學家舒伯特與德國IAB生物能量技術研究所聯合研制而成，其理論基礎來自量子力學中物質屬性的波粒二象性。早期的一代產品量子管通環由德國IAB生物能量技術研究所率先推向市場，在工業水處理除垢防腐領域引起了強烈的反響。21世紀初該產品被引入中國市場，廣泛應用于工業水處理領域，包括化工、電力、鋼鐵行業的大型循環冷卻水系統，自備電廠循環冷卻水系統，中小型工業熱交換系統，熱力站的供暖系統，油田注水系統，油氣集輸管線，等等。

（1）除垢機理的量子理論依據。在量子力學中，有一個物質波的概念，又被稱為德布羅意波。德布羅意是一位法國物理學家，他指出實物粒子也具有波動性。在微觀世界里，對于尺度足夠小的物質，是不能忽略量子物理中的波粒二象性這一物質屬性的。除了電子，后來人們還陸續證實了質子、中子、原子、分子的波動性。對于這些粒子，德布羅意給出的E=hv和P=h/λ關系式同樣正確。宏觀世界中的物質都是由微觀粒子構成的，微觀粒子的內構成與其波動屬性都具有一定的固有特征，如果這種特征發生變化，勢必影響由其形成的宏觀物質的結構穩定性。構成晶體化合物的晶格發生畸變，則晶體結構的取向以及松散度、致密性等物理屬性相應發生改變。在結晶時形成比較酥松的晶體，防止晶體之間進一步吸附嵌入板結成致密的水垢。

無論是新系統還是已經投入運行的老系統，在設備和管道表面均有一層金屬氧化物或直接與水接觸的金屬單質。WELLAN2000量子管通環釋放出的超精微振動波作用于金屬原子和水中的氧原子，干擾鐵離子與氧定向結合，在管道表面上生成以Fe3O4為主要成分的金屬氧化膜，隔絕腐蝕因子的侵襲，對金屬表面起到保護作用。同時，量子管通環所釋放的超精微振動波活化水分子可以瓦解剝離老垢，消除垢下細菌滋生的溫床，從而抑制細菌的大量繁殖，大幅減少細菌酸性分泌物對金屬管道的腐蝕。在實際應用中，量子管通環具有良好的綜合緩蝕表現。

（2）微朗量子管通環工作原理。量子管通環由信息儲存能力很強的特種合金材料組成，通過釋放預先“刻錄”在產品內的特制生物信號（超精微振動波）到管網水體中，改變水及水中垢、銹、菌藻等物質的分子振動模式。這些物質在新的分子振動能量基礎上，經過長期緩慢相互作用，物理性質發生改變，水分子的活性及滲透力增強，水垢及銹蝕變軟脫落，菌藻的生長得到抑制，從而逐步實現防垢、防銹、抑制菌藻等功能，達到保障用水管道系統正常使用和延長設備使用壽命的目的。

經過處理的水垢或脫落成塊狀或疏松成粉狀,金屬管道壁的鐵銹也會慢慢剝離進入水中，水中的總固形物含量會出現先上升再下降最后回落到一個很低的正常水平的狀態，因此在閉路循環系統應用時需要對含鹽離子高的系統水進行定期排污。

（3）量子管通環除垢技術發展與應用情況?；诹孔恿W原理開發的阻垢緩蝕技術源于德國IAB生物能量研究所，該研究所由德國的水處理專家瓦格納先生聯合斯圖加特大學于20世紀80年代創立。產品最初應用于社區供水等民用市場，因其表現良好，經過技術升級開發逐步進入循環冷卻水系統、油田污水處理等工業市場。

（4）量子管通環的應用環境及對設備的要求。設備傳熱面水側黏附速率不大于15mg/（cm2·月），碳鋼設備傳熱面水側腐蝕速率小于0.075mm/年，銅合金和不銹鋼設備傳熱面水側腐蝕速率小于0.005mm/年。

（5）量子管通環安裝非常簡便，產品外觀特點為一個完整的圓形金屬環，由兩個半圓形金屬環對扣卡在管道外圍，用內六角螺栓緊固，并使用專用絕緣膠帶將產品內表面與金屬管道外壁隔離。安裝點距離電源、電機、電纜線等帶電體1m以上。

3 應用方案

350MW超臨界高背壓機組熱網循環水系統如圖1所示。為了防止凝汽器和熱網加熱器換熱管結垢、腐蝕，影響供熱系統安全，在考察比較了系統加藥和管網加裝量子管通環后，認為量子管通環方案環保、可靠，免維護，更適合高背壓機組熱網循環水系統。因此，在2019年11月，該背壓供熱機組城市熱網循環水回水至凝汽器管道上安裝了2只量子管通環，量子管通環內徑為1226mm，距凝汽器前端分別約30m、80m，熱網循環水經過量子管通環處理后匯合，再進入凝汽器換熱。熱網循環水設計回水溫度為50℃，循環水溫升28.32℃，在凝汽器加熱升溫后，再去熱網加熱器進行二級加熱，以滿足城市熱網溫度和熱量的需求。

圖1 350MW高背壓機組凝汽器循環水系統示意圖

4 應用效果檢測與評估

安裝量子管通環后，設備保持正常運行，在每個供暖季結束后都將冷凝器打開檢測驗視設備內表面是否有結垢或腐蝕現象。經過兩個供暖季的連續應用和技術人員的細致檢查，凝汽器和熱網加熱器換熱管均沒有出現泄漏現象，也沒有結垢或腐蝕現象。對熱網循環水系統中的水樣進行總鐵含量的分析測試，結果表明，管道也沒有發現腐蝕現象。檢查量子管通環，兩個供暖季內沒有任何維護，產品工作穩定，兩個供暖季的水質指標監測表明水質穩定，保證了供暖設備的安全可靠。

5 結論

經過兩個供暖季的應用和檢測，量子管通環的使用效果明顯，沒有發生任何結垢與腐蝕問題，總體上保障了供暖設備的安全性，達到了應用研究的目的。綜合該產品在循環冷卻水系統上的應用情況，對其技術特點作出如下總結：

（1）阻垢效果比較穩定，污垢沉積速率能達到相關行業標準，能保護凝汽器、熱網加熱器不結垢，保持良好換熱效果，節約能耗；

（2）量子管通環安裝簡便，環保節能，無污染，無運行費，無特殊維護要求；

（3）就量子管通環的安裝環境而言，只需保證電場強度不超過50V/M即可，應用場所廣泛，安裝位置靈活；

（4）熱網循環水系統化學藥劑明顯減少，在水質穩定時已完全替代加藥；

（5）量子管通環使用壽命可達15年以上，綜合效費比較高。

鑒于量子管通環具備以上優點，值得在高背壓機組熱網循環水系統中推廣使用。