9F級燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組循環冷卻水生化處理試驗研究

胡明明 趙穎星 王新軒 張曉東 劉政修 趙瀟然

（1. 北京京西燃氣熱電有限公司，北京 100041；2.北京京能能源技術研究有限責任公司，北京100022）

0 引言

水資源是基礎性自然資源和戰略性經濟資源，是社會經濟可持續發展、維系生態平衡與和諧環境的重要基礎。全國發電總裝機容量中，火力發電用水量占全部工業用水量的40%?；鹆Πl電廠用水量大，水的問題已成為北方地區建設、發展電力工業的制約因素，因此，做好火力發電廠水資源的高效管理十分必要。

2015年04月，國務院頒布了《水污染防治行動計劃》（水十條），提出了水污染防治的總體要求，并制定了2020-2030年工作目標及主要指標。2018年《中共中央國務院關于全面加強生態環境保護堅決 打好污染防治攻堅戰的意見》提出，著力打好碧水保衛戰。因此，開展火力發電廠深度節水、實現全廠廢水零排放高度契合國家政策，是應盡的社會責任，并關系到企業的生存和可持續發展。

北京京西燃氣熱電有限公司（以下簡稱京西熱電），位于石景山西部高井地區，安裝有一套“二拖一”及一套“一拖一”西門子“9F”級燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組，總裝機容量為1307.8兆瓦，年發電量58.85億千瓦時，供熱能力883兆瓦，供熱面積1800萬平方米。

京西熱電全廠工業水源為城市污水處理廠（高碑店污水處理廠和吳家村污水處理廠）處理后的中水，來水主要用于機組循環冷卻系統補水及化學水處理系統原水。循環冷卻水采用常規的“硫酸+阻垢+殺菌滅藻”處理工藝，循環冷卻水濃水倍率控制在3.5左右，廠區主要生產排水為循環冷卻水系統排水。根據機組實際運行情況，在夏季工況時最大排水量約350m3/h，冬季工況最大排水量約60m3/h。

北京市環保局對京西熱電的環評批復：生產廢水需經處理達到GB3838-2002《地表水環境質量標準值》中Ⅲ類標準，其中TN≤10mg/L，后作為高井溝景觀補充水。為保證循環排污水水質符合環評批復要求，循環排污水經過“復合生物濾池（CBF）+流動床連續砂過濾” 處理，經過深度脫氮、有機物降解和懸浮物過濾后達標排放。

2015年04月，國務院頒布了《水污染防治行動計劃》（水十條），提出了水污染防治的總體要求，并制定了2020-2030年工作目標及主要指標。2018年《中共中央國務院關于全面加強生態環境保護堅決 打好污染防治攻堅戰的意見》提出，著力打好碧水保衛戰。為節約水資源，降低發電綜合水耗，提高經濟效益，京西熱電積極開展全廠深度節水工作，期望實現燃氣電廠全廠廢水零排放。循環冷卻水采用生化處理技術，大幅度提高循環冷卻水濃水倍率，實現全廠廢水零排放，是比較理想的技術路線。

循環冷卻水生化處理技術摒棄了傳統的火電廠循環冷卻水加酸、加阻垢緩蝕劑等聯合化學處理方法，利用經過篩選、培養、馴化的有益微生物菌群和相適應的營養調節劑對敞開式循環冷卻水進行微生物化學處理，根據循環冷卻水補水水質，循環冷卻水倍率在提高至8～20倍運行的同時，實現冷卻系統的阻垢、緩蝕、避免藻類滋生粘泥等處理目標。為節約水資源，實現全廠廢水零排放，保證循環冷卻水系統安全穩定經濟運行，京西熱電進行了循環冷卻水生化處理動態模擬試驗，驗證循環冷卻水生化處理技術效果，并確定實際運行控制標準。

1 循環冷卻水生化處理動態模擬試驗

1.1 試驗水質

京西熱電全廠生產用水水源取自高碑店污水處理廠和吳家村污水處理廠處理后出水，動態模擬試驗水質指標，如表1所示。

表1 動態模擬試驗水質

1.2 試驗過程

循環冷卻水生化處理技術動態模擬試驗分三個階段：

（1）試驗準備：接取試驗用水、動模裝置（裝置配備儀器、儀表、熱力、動力系統、管路閥門等）調試、試驗需用藥品及試片、試管用品材料、常規水質指標分析化驗準備；

（2）試驗階段：主要是正式啟動循環冷卻水動態模擬試驗裝置后，循環冷卻水濃縮、穩定倍率運行兩個階段，主要包括金屬試片加掛、日常水質化驗分析、運行數據查看等；

（3）試驗數據分析：主要是模擬試驗結束，水質進行多項指標分析、金屬試片和試管處理分析、對試驗各項數據進行分析匯總。

1.2.1 循環冷卻水動態模擬試驗濃縮階段

循環冷卻水濃縮階段：循環冷卻水系統只進行補水，不排污，進行循環冷卻水濃縮，基本上每天濃縮倍率增加1倍左右，至11天時循環冷卻水濃縮倍率達到12倍，在此期間調控循環冷卻水主要指標pH在7.5～8.2之間，堿度＜2.0mmol/L，如圖1所示。

圖1 循環冷卻水動態模擬試驗在線pH曲線

從日常水質分析數據看均在此范圍內，兩組試管在線污垢熱阻也基本0.004～0.006×10-4（m2·K/W）之間，如圖2所示。

在線電導率基本成線性趨勢上升，最高至8450μS/cm，如圖3所示。

1.2.2 循環冷卻水動態模擬試驗運行階段

循環冷卻水動態模擬試驗日常運行控制階段，循環冷卻水系統維持濃縮倍率在11～12倍區間運行。調整設定動態模擬裝置在線電導率，對應電磁閥開啟停止上下限在8300～8500μS/cm，排污流量設定6L/h，保持循環冷卻水濃縮倍率在 11～12倍間波動，分析控制循環冷卻水pH與堿度等指標，觀察控制電腦在線污垢熱阻變化情況，觀察各試片情況，觀察冷卻塔內部填料有無綠藻滋生。

1.3 試驗數據分析

1.3.1 動態模擬試驗循環冷卻水數據

動態模擬試驗循環冷卻水日常分析是指試驗裝置啟動運行后，每天定點取兩組循環冷卻水樣化驗分析，確認循環冷卻水生化處理調控在預計控制范圍之內。由于兩組化驗分析相近，選取A組作為循環水化驗數據分析對象。動態模擬試驗結束時A組循環冷卻水水主要水質指標分析數據，如表2所示。

A組循環冷卻水日常監測電導率曲線如圖4所示。

圖4 循環冷卻水動態模擬試驗A組在線電導率曲線

A組循環冷卻水日常監測濃縮倍率（以Cl-計）曲線如圖5所示。

圖5 循環冷卻水動態模擬試驗A組循環冷卻水日常監測濃縮倍率以cl計曲線

A組循環冷卻水化驗日常監測Ca2+變化曲線如圖6所示。

圖6 動態模擬試驗A組循環冷卻水化驗日常監測Ca2+變化曲線圖

A 組循環冷卻水Ca2+與Cl-濃縮倍率比較如圖7所示；

圖7 動態模擬試驗A組循環冷卻水Ca2+與Cl-濃縮倍率比較圖

1.3.2 動態模擬試驗循環冷卻水水質分析

（1）動態模擬試驗循環冷卻水pH總體在7.6～8.2區間波動，和實驗室日常監測數據基本一致，與循環冷卻水生化處理調控循環冷卻水pH目標7.5～8.2基本吻合，說明以此補充水的循環冷卻水生化處理可控；

（2）動態模擬試驗循環冷卻水濃縮倍率確認為實際濃縮，通過循環冷卻水的Cl-和Ca2+對應指標的濃縮倍率確認是真實循環冷卻水濃縮，Ca2+沒有結垢析出；并通過計算Cl-濃縮倍率與Ca2+濃縮倍率的差值，最大值為0.12，小于0.2控制標準，循環冷卻水生化處理實現穩定高濃縮倍率運行；

（3）動態模擬試驗循環冷卻水電導率基本與含鹽量成線性比例關系，由于生化處理的特點，要消耗堿度等帶電離子，所以電導率的濃縮倍率比氯離子和鈣離子濃縮倍率同比低1～2倍，所以在濃縮倍率12倍時，電導倍率約10倍左右，為此，循環冷卻水生化處理的電導率作為總體判斷循環冷卻水濃縮的一個實時監測依據；

（4）動態模擬試驗循環冷卻水堿度總體在1.0～2.0mmol/L區間波動，符合循環冷卻水生化處理調控循環冷卻水堿度不高于2.0mmol/L要求，沒有酚酞堿度出現，有效保障不形成碳酸鈣水垢；

（5）動態模擬試驗循環冷卻水其他水質指標情況：循環冷卻水濁度無明顯變化，小于5NTU，可防止循環冷卻水系統沉積物下腐蝕；循環冷卻水總鐵含量小于2mg/L，符合GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》[1]要求；循環冷卻水色度有較大幅度增加，約70號左右，符合生化處理特點；循環冷卻水全硅與鎂之積小于50000，避免出現硅酸鎂泥垢，符合GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》規定；循環冷卻水CODcr較高，主要是原補充水含量高出一般水平所致；循環冷卻水BOD5較低，主要是原補充水含量較低，基本為很難生物降解的CODcr部分，為此也造成循環冷卻水總體CODcr含量一定程度增高；循環冷卻水氨氮較低，符合GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》不大于5mg/L要求；循環冷卻水總磷、銅、鋁、鋅等離子含量都較低（小于1mg/L），基本與原水對應倍率濃度相近；循環冷卻水NO3-正常濃縮對應濃度，該濃度利于系統不銹鋼管材與設備的緩蝕性能。

1.3.3 動態模擬試驗在線污垢熱阻分析

污垢熱阻是循環冷卻水動態模擬試驗重要的分析指標，直接確定動態模擬試驗成功與否，是確定循環冷卻水處理三大目標之一（阻垢）的重要表征。本次模擬試驗，A、B兩組試驗污垢熱阻均處于非常低的數值區間，確認循環冷卻水生化處理高濃縮倍率下阻垢效果異常優異，整個模擬試驗期間最高污垢熱阻為0.06×10-4（m2.K/W），遠小于GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》中要求不大于3.44×10-4（m2.K/W）的數值，這也是循環冷卻水生化處理最突出的特點。

1.3.4 動態模擬實驗不銹鋼金屬試片腐蝕情況分析

金屬試片的腐蝕情況也是循環冷卻水動態模擬試驗重要的分析指標，是循環冷卻水處理緩蝕的重要表征。本次動態模擬試驗，主要根據現場設備及系統實際材質，選用304、316L不銹鋼材質金屬試片共4片，作為模擬試驗金屬腐蝕監測依據。根據試驗期間對4片掛在兩組進出口動模掛片器的金屬試片觀察，發現掛入前后試片無明顯變化，沒有局部腐蝕、點蝕， 如圖8表示，在氯離子接近1700mg/L的水中，緩蝕效果顯著。通過計算，不銹鋼金屬試片平均腐蝕率均小于0.005mm/a，符合國家標準GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》中規定要求。

圖8 動態模擬試驗A組出口側不銹鋼304、316L試片對比圖

試片平均腐蝕速率計算評價情況如表3表示。

表3 動態模擬實驗兩組循環冷卻水金屬試片腐蝕速率及評價

粘附速率計算評價情況如表4表示。

表4 動態模擬實驗兩組循環冷卻水金屬試管粘附速率及評價

1.3.5 動態模擬試驗不銹鋼金屬試管粘附速率情況分析

不銹鋼試管的粘附速率主要是表征循環冷卻水污垢（含水垢）沉積吸附在金屬管內表面的情況，也是反映循環冷卻水處理阻垢分散、抑垢、除垢的功效。根據本次動態模擬試驗結束后對兩支（A組、B組各1根）換熱管的肉眼觀察（管內表面較為光滑）和處理后定量分析，平均粘附速率為0.13mg/cm2.月，遠遠小于GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》規定不應大于15 mg/cm2.月要求，由此說明循環冷卻水生化處理對于改循環冷卻水的污垢抑制及去除能力強勁。

1.3.6 動態模擬試驗抑制有害菌藻情況分析

由于動態模擬試驗總體運行時間較短，以試驗結束時運行20天的水樣進行循環冷卻水異養菌總數分析，按國標GB/T 14643.1-2009《工業循環冷卻水中粘液形成菌的測定平皿計數法》[2]進行測定分析，經過培養最終測定A組循環冷卻水中異養菌總數為28000CFU/mL，B組循環冷卻水中異養菌總數為29000CFU/mL，均符合GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》規定不應大于100000CFU/mL要求；再有，從外部肉眼看，未見動態模擬試驗裝置的塑料冷卻塔與水箱內表面有綠藻滋生，說明循環冷卻水生化處理采用生態平衡抑制有害微生物和藻類滋生效果顯著，達到了循環冷卻水處理抑制有害微生物繁殖和藻類滋生生物粘泥目的。

2 結語

（1）循環冷卻水生化處理技術摒棄了傳統的火電廠循環冷卻水化學藥劑處理方法，利用經過篩選、培養、馴化的有益微生物菌群和相適應的營養調節劑對敞開式循環冷卻水進行微生物化學處理，大幅度提高循環冷卻水倍率，實現循環冷卻系統的阻垢、緩蝕、殺菌滅藻等目標，保證循環冷卻水系統安全、穩定、經濟及環保運行；

（2）循環冷卻水生化處理動態模擬試驗結果表明，碳鋼及不銹鋼腐蝕速率、污垢熱阻、粘附速度及有害微生物指標均能滿足GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》要求；

（3）通過循環冷卻水生化處理技術動態模擬實驗，確定了實際生產控制指標：pH7.5～8.2、氯離子不大于1300mg/L、鈣離子不大于800mg/L，循環冷卻水濃縮倍率控制在8～10倍之間；

（4）循環冷卻水生化處理技術與傳統循環冷卻水處理技術相比，具有節水減排、對環境無二次污染、運行參數控制穩定、補充水質變化容忍度超強、阻垢和溶垢同步、沒有新增設備投資和原有設備改造投資、綜合運營成本較低等系列優點，創新了火力發電廠節水方法及循環冷卻水管理手段，可應用于火力發電廠循環冷卻水處理；

（5）根據GB/T 50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》，考慮循環冷卻水系統風吹泄漏損失，當循環冷卻水濃縮倍率達到10及以上時，循環冷卻水系統排污水量可以降低至0t/h，實現全廠廢水零排放；

（6）循環冷卻水系統采用生化處理技術后，循環冷卻水濃縮倍率可以達到10倍左右，經核算每年循環冷卻水補水節約近100萬噸，直接經濟效益179萬元；每年降低循環冷卻水排污水量80萬噸，減少運行費用100萬元。