无磷阻垢剂WS330海水循环冷却阻垢试验研究

中国电力ELECTRIC POWERVol. 52, No. 9Sept. 2019

无磷阻垢剂WS330海水循环冷却阻垢试验研究

唐伟峰1，张佳琦2，李飞2

(1. 上海电力股份有限公司 土耳其煤电项目筹建处，上海　200010；

2. 纳尔科（中国）环保技术服务有限公司，上海　200333)

摘　要：某沿海燃煤电厂采用“烟塔合一”技术，循环冷却水为海水。为确保循环水系统安全、可靠、经济运行，开展了循环水阻垢剂的静态试验与动态模拟试验。选用无磷阻垢剂WS330作为循环水处理阻垢剂，通过静态试验确定阻垢剂剂量，之后在动态模拟装置上进行了多项指标的模拟试验。结果表明：WS330阻垢剂质量浓度维持在8 mg/L、浓缩倍率≤2.5 时，系统运行良好；钛金属换热器的腐蚀速率为2.5×10–5 mm/年，平均黏附速率为0.33 mg/(cm2·月)，污垢热阻值为1.4×10–5 m2·K/W，均远低于各项指标的上限要求。考虑到现场实际应用中的水质及工况波动，运行时的循环水浓缩倍率建议控制在1.5~2.0。分析认为，“烟塔合一”工程对海水作为循环水浓缩倍率的试验结果影响较小。

关键词：火电厂；烟塔合一；循环冷却水；无磷阻垢剂；静态试验；动态模拟；极限浓缩倍率中图分类号：TK54.7；TM621.8           文献标志码：A           DOI：10.11930/j.issn.1004-99.201812001 

0 引言

海水直流冷却技术发展已有百余年历史，迄今广泛用于沿海各行各业。从20世纪70年代开始，在探索无公害海水直流冷却技术的同时，人们开展了海水循环冷却技术研究与应用，并率先在电力、化工用水量大的行业大规模推广应用，历经近50年的发展，已积累了丰富的经验。

本文所述工程项目为2×660 MW超超临界燃煤发电机组，同步建设烟气脱硫和SCR脱硝装置，排放指标将优于欧盟标准和燃机标准。厂址位于土耳其阿达纳省，尤穆尔塔勒克（Yumurtalik）市，苏爵世（Sugözü）村庄附近，紧靠地中海，占地约2.76×105 m2。电厂所在地区是土耳其第21个海龟筑巢海滩之一。综合调研大气环境（相对湿度、平均气温）、水环境（取、排水量、水质）、厂址（地貌、地势），结合场平的开挖量、循环水管系统施工的便捷性及工程造价等因素，工程采用“烟塔合一”海水循环方案，即将烟囱与冷却塔合二为一，冷却塔在将凝汽器端热量带走之后，废气在塔内进行二次热交换。这样不但降低了工程造价，而且可以进一步提升尾气

收稿日期：2018−12−05； 修回日期：2019−01−31。

排放标准。“烟塔合一”技术始于20世纪80年代的德国。迄今，德国采用“烟塔合一”技术的新建电厂总装机容量已经超过6 000 MW[1]。21世纪初，中国开始引入“烟塔合一”技术并逐步推广[2]。

为了确保该“烟塔合一”海水循环冷却水系统的安全、可靠运行，需进行静态阻垢试验，筛选符合环境友好型的阻垢配方，并优化药剂使用浓度；在此基础上进行动态模拟试验，为现场应用提供参考依据。

1 静态阻垢试验

1.1 碳酸钙极限浓缩试验原理

本文根据文献[3-6]，综合考虑现场海水水质的季节性波动、当地环评报告、以往海水循环冷却水系统现场的运行经验，拟使用WS330无磷阻垢剂进行实验室模拟试验。WS330为丙烯酸-丙烯酰胺磺酸盐类共聚物，其兼具阻垢、分散作用，适用于海水循环冷却水系统。同时，WS330具有荧光标记基团，可以用荧光监测设备检测其药剂浓度。

为了得到该药剂的最佳投加剂量及控制条件，根据文献[7]，对WS330进行了极限碳酸盐浓缩倍率试验。其中，以CCa2+表示钙离子（Ca2+）浓缩倍率，CJD表示碱度浓缩倍率，CCl-表示氯离

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子（Cl–）浓缩倍率。在溶液出现结垢之前，

CCa2+=CJD=CCl−。随着水分蒸发，Ca2+浓度与碱

度的乘积超过其饱和常数，开始生成晶核，进而出现结垢，此时CCa2+=CJD＜CCl−[8-9]。根据文献[4]，

当|CCl--CJD|>0.2时，认为达到极限浓缩倍率。

1.2 试验水样配制

根据2014年6月—2015年5月地中海海水水质报告及现场采样复测校核后，于实验室配制试验用水，温度为50 ℃。试验用水主要水质指标如表1所示。 

表 1 试验用水主要指标

Table 1 The main indices of the experimental prepara-tion water

检测项目检测结果电导率/(μS·cm–1)58 400Ca2+

质量浓度/(mg·L–1

)

540Mg2+质量浓度/(mg·L–1)1 340K+质量浓度/(mg·L–1)450Na+质量浓度/(mg·L–1)

12 520碱度(以HCO−3计)/(mg·L–1

)

130Cl–质量浓度/(mg·L–1)

22 800SO24−质量浓度/(mg·L–1)

3 740

1.3 试验方法

静态阻垢试验参考文献[7]，将600 mL试验用水加入2 000 mL烧杯中，将烧杯放入50 ℃水浴锅中加热浓缩。期间，不断补入配置好的试验用水，以维持烧杯内液位稳定。蒸发过程取样分析，检测水中氯离子浓度及碱度变化，并计算相应浓缩倍率。1.4 阻垢试验的结果

WS330质量浓度为5 mg/L时CCl−和CJD测试结果如图1所示。由图1可知，当浓缩倍率达到2.8时，CCl−与CJD出现偏离，二者差值超过0.2，可知试验条件下的水质极限浓缩倍率在2.8左右。

取WS330质量分数分别为5×10–6、8×10–6、10×10–6等3个剂量做进一步试验，结果如图2所示。由图2可知，随浓缩时间的延长，3种药剂浓度下的CJD值都逐渐升高，在80 h时达到的极限浓缩倍率分别约为3.0、3.3、3.4。

根据以上试验结果，本文推荐使用WS330无磷阻垢剂，投加剂量为8 mg/L，浓缩倍率不超过

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4.03.53.0DJC2.52.0碱度浓缩倍率；1.5氯离子浓缩倍率1.01.0

1.5

2.0

2.53.0

3.5

4.0

C 

Cl−

图 1 WS330 质量浓度为 5 mg/L时CJD与CCl−变化曲线

Fig. 1 WS330 curve of JD vs Cl- concentration cycle at

5 ppm concentration

4.03.53.0DJC2.55×10−6；2.08×10−6；1.510×10−61.0020406080100 

t/h图 2 WS330 不同质量分数时的CJD值

Fig. 2 WS330 JD concentration cycle change curve at

the concentration of 5, 8, and 10 ppm

3；同时，通过动态模拟试验验证静态试验的可

行性，并测试其他与结垢、腐蚀相关指标。

2 动态模拟试验

运用循环冷却水动态模拟系统（pilot coolingtower，简称PCT）进行模拟试验，评价无磷药剂WS330在模拟海水水质条件下的性能及可达到的极限浓缩倍率。2.1 试验设备

动态模拟试验装置如图3所示，其主要由3DTRASAR荧光示踪检测控器（以下简称3DTRASAR）、模拟换热器、冷却塔、塔池、补充水存储罐、循环泵、挂片架、加药泵以及相应的电路控制装置组成。

循环水的水质参数，如pH值、电导率、氧化还原电位（ORP）等由3D TRASAR检测，并根据设定值自动控制，药剂剂量由3D Trasar实时在线监测并根据设定值自动控制，排污由电导率设定点控制，从而实现试验期间稳定的浓缩倍率。模第 9 期唐伟峰等：无磷阻垢剂WS330海水循环冷却阻垢试验研究

图 3 动态模拟装置（PCT）

Fig. 3 The pilot-scale dynamic simulation

device（PCT）

拟换热器可根据试验要求，调节热负荷和换热管的金属种类。由模拟换热管的各项指标计算出不同金属材质在相应热负荷和水质条件下的腐蚀速率、黏附速率和污垢热阻。由腐蚀挂片可计算出相应金属在无热负荷条件下的腐蚀速率。2.2 动态模拟装置参数及其设置

动态模拟试验装置保有体积为150 L；循环量为20 L/min；换热器液体流速为 1.2 m/s；换热器出口水温为 38~40 ℃；热通量为71 128 kJ/（m2·h）。

热交换器电加热管的电压及热通量设置如表2所示。由于动态模拟装置可同时模拟8根换热器管的热通量，试验设计过程中，以660 MW机组凝汽器的设计热通量（约71 128 kJ/（m2·h））为基准，在不同热通量（0~100 416 kJ/（m2·h）） 

表 2 热交换器电加热管的电压及热通量

Table 2 Voltage and heat flux of heat exchanger elec-tric heating tube

电加热钛管编号

换热管加热换热器热通量/（从管架底部至顶部编号）

电压/V

(kJ·(m2·h)−1)

8180100 416716079 496616079 496515071 128415071 128312046 024212046 0241

0

0

情况下进行试验，以模拟现场实际和极端运行情况。其中，1组换热器不带热负荷，以考察管道在不同热通量状态下的腐蚀及结垢情况[10-11]；6号与7号、4号与5号、2号与3号为平行样。2.3 动态模拟试验加药方案及试验用水

WS330药剂质量浓度为8 mg/L；试验采用次氯酸钠（NaClO）来抑制系统中的微生物，采用ORP探头控制NaClO的添加，维持余氯质量浓度在0.1 mg/L左右。次氯酸钠溶液冲击性投加。动态模拟试验用水水质同静态试验（见表1），于实验室配制。

2.4 动态模拟试验监控指标及结果

动态模拟试验历时25天（2018年4月16日—5月11日），试验期间对电导率、药剂浓度、pH值和次氯酸钠浓度进行监控。为考察WS330阻垢剂在试验用水水质条件下的极限浓缩倍率，试验时先将浓缩倍率控制到2.0左右，稳定后观察一段时间，再将浓缩倍率提升至2.5左右；稳定后再观察一段时间，之后继续提升浓缩倍率数，直至系统出现结垢。

（1）循环水电导率。循环水电导率变化如图4所示。由图4可知，整个浓缩过程分为2个阶段，第1阶段平均电导率为120 mS/cm，相对应浓缩倍率为2.0；第2阶段平均电导率为150 mS/cm，相对应浓缩倍率为2.5。电导率的精确控制是极限浓缩倍率测试的重要前提[12]。

180)1601−m140c·S120m100(/率80导60电40200

50505051223011-------44445550000000-------8888888111111100000002222222 

日期

图 4 动态模拟试验过程中电导率控制结果

Fig. 4 Conductivity control in dynamic simulation test

（2）WS330药剂浓度控制。试验过程中WS330质量浓度设定点为（8.0±0.2） mg/L，药剂由于消耗或者补水稀释导致质量浓度低于7.8 mg/L时，系统开始自动补充药剂，至质量浓度为8.2 mg/L时停止（见图5）。由图5可见，试验过程中

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WS330的浓度较为稳定，质量浓度维持在8.0 mg/L左右。

)1−L·g10m(/8度浓6量4质0233S0W50505051223011-------44445550000000-------8888888111111100000002222222 

日期图 5 动态模拟试验过程中WS330的实时浓度

Fig. 5 Real – time concentration of WS 330 in dynamic

simulation experiment

（3）ORP控制。ORP值的大小反应系统水质的氧化还原性，氧化性杀菌剂NaClO在投加过程中会提升系统的氧化性，ORP值会上升。随着NaClO的消耗，ORP值逐渐下降，通过ORP测量探头能有效控制系统内的余氯在合适的范围。整个试验过程中，ORP值都在一定范围内波动（见图6），表明系统微生物控制稳定。

350300V250m/200PR150O10050050505051223011-------44445550000000-------8888888111111100000002222222 

日期图 6 动态模拟试验中ORP监测结果

Fig. 6 ORP monitoring with NaClO addition in dynamic

simulation experiment

（4）pH值变化。动态模拟试验过程中pH值的变化趋势如图7所示。本试验未加酸控制系统的pH值，pH探头仅起监测作用。由图7可见，随着浓缩倍率的提高，模拟试验系统内水的pH值迅速升高，并最终维持在8.3~8.4。

（5）Ca2+、Cl–浓度和碱度。动态试验过程中Ca2+、Cl–和碱度的测定结果如图8所示。由图8可见，这3种物质的浓度具有相同的变化趋势，且与电导率变化趋势一致。通过与补水3种物质浓度进行比较，可计算得出系统的浓缩倍率。

1

8.68.48.2值8.0 H7.8p7.67.47.27.050505051223011-------44445550000000-------8888888111111100000002222222 

日期图 7 动态模拟试验过程中pH值的变化趋势

Fig. 7 The changing trend of pH value in dynamic

simulation experiment

1 6007 000Ca2+；;1 400))11碱度；6 000

)−−1LL··1 200Cl−

−Lgg5 000·mmg((1 000m//(度)/1−浓O8004 000度量C浓H质(6003 000量 +质2度−laC碱4002 0002001 000C00

0505050511223011--------4444455500000000--------88888888111111110000000022222222 

日期图 8 动态模拟试验中循环冷却水的Ca2+浓度、Cl–

浓度和碱度

Fig. 8 Ca2+, Cl– and alkali of circulating cooling water in

dynamic simulation experiment

动态模拟试验中，分别在浓缩倍率为2.0和2.5左右时稳定一段时间，以评估相对应浓缩倍率下的运行稳定性。通过水样滴定分析与换热器金属表面观察，在浓缩倍率2.5时，系统没有明显的结垢倾向[13-16]；随着浓缩倍率从2.5进一步提升，发现钛管表面有少量垢产生，水质分析结果表明：CCa2+和CJD比CCl−低0.1左右，与0.2的差值还有明显的距离，但此时已观察到有沉淀出现，随即停止试验。系统水样中异养菌总数小于100 cfu/mL，说明微生物控制良好。综上所知，在该海水水质条件及试验方法下，动态模拟试验的极限浓缩倍率为2.5左右。

（6）沉积与腐蚀控制。本次试验所用的换热器为钛金属管，热通量参照凝汽器钛管的设计要求加载热负荷。为了便于观察结垢、腐蚀等现象，钛管外表面与循环海水进行接触。试验结束时，钛管外表面形貌及局部放大结果如图9所

第 9 期唐伟峰等：无磷阻垢剂WS330海水循环冷却阻垢试验研究

示。钛管部分外表面有非常少量的垢，由于光线问题，很难在照片中体现。钛管酸洗时垢很容易溶解，说明垢样沉积时间不长，通过称重（具体数据略），计算钛管的腐蚀速率为2.5×10–5 mm/年，远低于0.005 mm/年的上限，黏附速率为0.33 mg/（cm2·月），远低于15 mg/（cm2·月）的上限。

图 9 动态模拟试验结束后换热管的表面形貌

Fig. 9 Surface morphology of heat exchange tubes after

the completion of PCT simulation experiment

（7）污垢热阻。通过监测试验开始、结束时的换热器进、出口温度，计算出换热器的污垢热阻（具体数值略）。工艺侧使用加热棒加热，其未与水或蒸汽直接接触，不会产生污垢，所以计算得到的污垢热阻值实际上是水侧的污垢热阻。在此期间加热棒的表面温度维持在150 ℃左右。将所有数值带入式（1），最终得到的污垢热阻值R=1.4×10–5 m2·K/W，此数值远小于3.2×10–4m2·K/W 的上限要求。另外，此数据与较低的黏附速率相吻合。

R=[πDL/(FQ)]×{[(T0T−Tin)/(Tout−Tin)]end−[(T0−in)/(Tout−Tin)]begin}（1）式中：R为污垢热阻值，m2·K/W；D为换热器内径，m；L为换热器管长，m；F为换热器的水流量，kg/s；Q为海水比热容，J/(kg·K)；T0为加热棒表面温度，℃；Tin、Tout分别为换热器进、出口水温，℃。

3 烟塔合一技术对海水循环冷却水试验结果的影响探讨

根据文献[17-25]，烟塔合一技术对循环冷却水系统的影响主要来自2方面：（1）脱硫后的净烟气仍含有一定的SO2、SO3、HCl等酸性气体，其随净烟气进入冷却塔后，在塔内抬升过程中与饱和热湿空气接触，部分遇冷凝结成雾滴，这些

雾滴进入冷却水系统会增加水中硫酸根（SO24−

）

及Cl-浓度，进一步会加重系统的腐蚀。根据常规淡水循环水系统运行经验，采用烟塔合一方案

后，SO24−质量浓度增加100~300 mg/L，Cl-质量浓

度增加50~300 mg/L。与淡水系统相比，本项目为

海水冷却系统，其中海水中SO24−及Cl-浓度较淡水

要高出很多，由烟气沉降带来的离子浓度增加所占比例较低，对循环水水质影响较小。同时，考

虑到系统凝汽器采用钛材质，SO24−及Cl–浓度增加

对系统腐蚀带来的影响可以忽略。（2）净烟气中固体颗粒也会进入循环水系统，引起水中悬浮物的增加。根据常规淡水循环水系统运行经验，采用烟塔合一方案后，悬浮物质量浓度增加

30~50 mg/L。与淡水系统相比，海水中悬浮物含量相对较高，由烟气沉降增加的悬浮物对于海水冷却系统的影响更低。因此，烟塔合一工程中由于烟气引入的污染物对于本试验结果的影响较低。考虑到现场实际应用中的水质及工况波动，建议实际运行时的循环水浓缩倍率控制在1.5~2.0。

4 结语

在选用循环冷却水方案之前，开展药剂的静、动态模拟试验，是保证系统正常运行的前提。本文试验结果表明：在实验室模拟现场海水水质条件下，WS330阻垢剂质量浓度维持在8 mg/L，在浓缩倍率≤2.5 时，系统运行良好，没有明显的结垢及腐蚀问题，各项指标如钛金属换热器的腐蚀速率、平均黏附速率、污垢热阻值、异养菌数等远低于上限要求。考虑到现场实际水质及运行波动情况，建议实际运行时将浓缩倍率控制在1.5~2.0。

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作者简介：

唐伟峰(1966—)，男，高级工程师，高级技师，从事清洁高效燃煤发电化学基建、运行与检修技术管理及污染物综合治理研究，E-mail: tang_wfeng@163.com；

张佳琦(1984—)，男，工程师，从事高效环保循环冷却水药剂开发，水处理自动化控制设备及系统监控软件开发，E-mail: zhangjiaqi816@hotmail.com。

（责任编辑　刘明）

(下转第178页)

中国电力第 52 卷

Ultrasonic Attenuation Spectrum Based Method for Measuring the Particle Size

Distribution of Gypsum Slurry

XUE Minghua1, XIA Duobing2, HU Zijian2, TIAN Chang2, SU Mingxu2

(1. Shanghai Minghua Electric Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China; 2. Institute of Particle and Two-Phase

Flow Measurement, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract: In order to control the particle size of desulfurization by-product gypsum and improve the quality of desulfurizationgypsum, it is necessary to measure the density, concentration and particle size of gypsum slurry quickly and accurately. In this papera non-destructive desulfurization gypsum slurry particle size measurement method using ultrasonic attenuation spectrum wasdesigned (a.k.a ultrasonic method), and then implemented to examine and compare the contents of six samples of gypsum slurry fromdifferent power plants. Based on the ECAH theoretical model, the ultrasonic attenuation spectrum was obtained by Fast FourierTransform (FFT) of ultrasonic time-domain pulse signal. Different inversion programs were written in MATLAB language. Then bytaking advantage of the optimal regularization algorithm (ORT), projection algorithm (Projection) and non-independent geneticalgorithm (GA), the gypsum slurry particle size distribution were calculated respectively, and compared with the conventional testingmethods. Among them the reliability of the regularization algorithm is verified with the deviation below 20%. The present ultrasonicmethod for measuring the particle size of desulfurized gypsum slurry can provide reference for the upcoming development of on-linemeasuring instrument for the particle size distribution of desulfurized gypsum slurry.

This work is supported by National Natural Science Foundation Surface Projection of China (Study on Theoretical Model of ParticleTwo-Phase Flow Measurement by Ultrasonic Method Based on Monte Carlo Principle, No.51776129).

Keywords: ultrasound; attenuation spectrum; WFGD; gypsum slurry; inversion algorithm; particle size distribution

(上接第166页)

Experimental Study of Non-phosphorus Scale Inhibitor WS330 for

the Seawater Cooling System

TANG Weifeng1, ZHANG Jiaqi2, LI Fei2

(1. Shanghai Electric Power Co.,Ltd., Turkey Coal and Electricity Project Preparation Office, Shanghai 200010, China;

2. Nalco (China) Environmental Solutions Co., Ltd., Shanghai 200333, China)

Abstract: The coal-fire power plant located in the coastal are autilized the technology of natural draft cooling tower with flue gasinjection and takes, the sea water into its recirculating cooling system. Both the static test and the dynamic simulation test of the scaleinhibitor for the recirculating water were performed to ensure the safe, reliable and economic operation of the recirculating watersystem. WS330 phosphate-free scale inhibitor was used as the scale inhibitor for the recirculating water. The dosage of the scaleinhibitor was determined through the static test, and then the simulation tests regarding various performance indices were carried outon the dynamic stimulation device. The test result reveals that the system functions normally if the mass concentration of the WS330scale inhibitor is maintained at 8 mg/L and the concentration ratio is less than or equivalent to 2.5. With the corrosion rate of thetitanium heat exchanger 2.5×10–5 mm/a, the average adhesion rate 0.33 mg/cm2 per month and the fouling resistance 1.4×10–5m2·K/W, all the indices above are far below their upper limits. Considering the fluctuation of the water quality and load, it isrecommended to maintain the concentration ratio of this system at the range of 1.5~2.0 under normal operations. Finally it isconcluded from the analysis that the natural draft cooling tower with flue gas injection had limited impacts on the concentration ratioin the cooling system using seawater as the recirculation cooling water.

Keywords: coal-fired power plant; natural draft cooling tower with flue gas injection; recirculating cooling water; phosphate-freescale inhibitor; static test; dynamic simulation; critical concentration cycle

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