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除盐水箱出水电导率升高原因分析及处理

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除盐水箱是电厂贮存锅炉补给水的关键设施,其出水水质对锅炉的腐蚀结垢控制至关重要。按照《火力发电厂水汽化学监督导则》(DL/T 561—2013)的规定,锅炉补给水泵出口母管上应安装在线化学仪表,对除盐水箱出水的电导率进行连续监督。在《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》(GB/T 12145—2008)中,规定除盐水箱出水电导率不应超过0.4 μS/cm。


  随着发电机组参数及容量的不断提高,电厂对除盐水箱出水水质越来越重视。在生产实践中,除盐水箱出水电导率轻微升高的现象较为普遍,但有的除盐水箱出水电导率已超过国标规定值,有必要对其原因进行总结分析。


1 原因分析

  除盐水箱位于锅炉补给水处理系统流程的末端,是系列净化除盐处理的终点,其进水一般为二级除盐设备(主要包括混床或EDI)的出水。在设备正常情况下,二级除盐出水电导率在0.1 μS/cm以下。但除盐水经过除盐水箱的存放,出现电导率升高、水质不同程度被污染的情况。一般可从以下3个方面寻找原因:(1)除盐水箱顶部密封不严,使空气及灰尘进入;(2)除盐水箱防腐层存在缺陷,导致碳钢内壁腐蚀产物进入水中;(3)锅炉补给水处理系统出现设备异常。


1.1 除盐水箱顶部密封问题

  如果除盐水箱密封不严,与大气接触,空气中的CO2和灰尘就会进入除盐水中,造成除盐水纯度下降,直接导致除盐水箱出水电导率升高。其中,CO2对除盐水电导率的影响可通过理论计算进行估计。


  密封不严的除盐水箱,相当于开放系统。将系统中的CO2视为理想气体,则其在气液两相的分布满足亨利定律,见公式(1)。


  

  式中:CCO2——液相中CO2的浓度,mol/L;

  KCO2——CO2的亨利系数,mol/(L·MPa);

  PCO2——气相中CO2的分压,MPa


  常温常压(25 ℃,0.10 MPa)下,空气中CO2的分压约在33 Pa左右,查表可得25 ℃条件下CO2的亨利系数为0.338 mol/(L·MPa)〔2〕。经计算,常温常压下水中CO2浓度约为1.12×10-5 mol/L,约合0.49 mg/L。 25 ℃时CO2在水中的溶解度为1 450 mg/L,可知除盐水中的CO2浓度水平远远小于其溶解度,据此认为CO2全部溶解在除盐水中。


  水中溶解的CO2可形成H2CO3,其发生二级电离生成H+、HCO3-、CO32-,并存在相应的电离平衡。同时除盐水中还存在水的电离平衡。具体电离平衡关系式如式(2)~(4)所示。



  另外,根据质子理论,除盐水中的阴阳离子之间存在平衡关系,如式(5)所示。


  根据以上阴阳离子间的平衡关系式,可以计算出常温常压下,被空气中的CO2饱和后的除盐水中各分子、离子的浓度,计算结果见表 1。

表 1 除盐水中各分子、离子浓度计算结果

mol/L
项目[H2CO3][H][OH-][CO32-][HCO3-]
数值1.12x10-52.19x10-64.57x10-95.58x10-112.18x10-6


  由于此时除盐水中溶解CO2的量很少,可以视为无限稀释溶液,按照科尔劳什(Kohlrausch)离子独立移动定律,除盐水电导率(μS/cm)可以按照式(6)进行累加计算。式中λ为各离子的极限摩尔电导率(S·cm2/mol),其在25 ℃下的取值见表 2。

表 2 25 ℃时有关离子的极限摩尔电导率

S·cm2/mol
项目λH+λOH-λHCO3-λCO32-/2
数值349.819844.572


  经计算可得,在25 ℃条件下,除盐水中CO2达到饱和时,除盐水的电导率为0.864 μS/cm。同时,除盐水的理论pH为5.66,pH降低使得除盐水发生酸性腐蚀的风险增加,腐蚀产物也会导致整体电导率的上升。


  由此可见,如果除盐水箱密封不严,其出水电导率将超过国家标准的规定值。随着大容量、高参数机组对锅炉水质的要求不断提高,除盐水箱顶部密封技术也在不断发展进步。应用较多的密封技术及方式大致包括塑料球密封、碱液呼吸器密封、浮顶密封等,其主要特点及存在的问题见表 3〔4〕。用户需要根据现场实际情况,选用适当的除盐水箱顶部密封方式,以消除因除盐水箱密封不严造成的出水电导率升高。

表 3 除盐水箱顶部密封方式比较

密封形式特点存在问题
塑料球密封最佳理论覆盖 率可达95°%受现场装填情况及小球运动 影响,难以达到最佳密封效果
碱液呼吸器密封空气隔离效果好有水箱吸瘪尧碱液 进入水箱的风险
浮顶密封覆盖率可达99.5%, 应用日益广泛须底部进出水,有进水冲击损坏风险


1.2 除盐水箱防腐层存在缺陷

  除盐水箱一般为碳钢材质,内部进行防腐蚀涂层处理,以免发生腐蚀。一般除盐水箱内壁钢板最薄处为6 mm,轻微均匀腐蚀对其强度的影响不大,但是腐蚀产物进入除盐水中,会造成除盐水纯度下降,电导率升高。


  现今,除盐水箱内壁主要采用聚脲防腐涂层,不完全统计约占80%以上。聚脲弹性体是一种新型环保材料,具有强度高、柔韧性好、防水、抗冻、抗热等特点,正常情况下寿命可达30 a以上。另据参考文献报道,弹性聚脲涂层在最初使用时会有少量溶出物,对水质有轻微的影响,但通过冲洗和浸泡,在运行3~4个月后,影响彻底消除,各项水质指标完全正常。但是,也有个别除盐水箱因为防腐蚀涂层存在缺陷,影响到除盐水水质。


  某电厂2台除盐水箱投运后不到2 a,除盐水箱出水电导率逐步升高,最高值达到0.60 μS/cm左右。利用停机检修,对除盐水箱内部进行检查,发现内壁聚脲防腐层有大量的缺陷,见图 1~图 4。


图 1 除盐水箱底部防腐层渗锈点蚀

图 2 除盐水箱底部防腐层鼓包渗锈

图 3 除盐水箱筒壁焊缝处针眼渗锈

图 4 进水口处聚脲层起皮脱落

  除盐水箱各处检查情况如下:

  (1)底部防腐层手感粗糙,弹性体厚度不够,且存在多处突起、针眼、渗锈、点蚀等缺陷,搭接处的防腐层缺陷比较密集。

  (2)除盐水箱顶部也有明显的棕黄色锈蚀痕迹,锈蚀面积大致占顶部总面积的50%以上。

  (3)除盐水箱筒壁防腐层有针眼、渗锈、鼓包、流挂等缺陷,进水口处的防腐层有脱落。


  除盐水箱防腐层缺陷产生主要是由于聚脲施工工艺及操作控制不良造成。为消除除盐水箱防腐层缺陷,电厂对除盐水箱防腐蚀涂层进行了整体返工,清除所有聚脲涂层后,按照打磨、预涂、喷涂聚脲的步序,重新制作了聚脲防腐层。完工投运后,除盐水箱出水电导率明显下降,目前不超过0.20 μS/cm。


  关于聚脲弹性体防腐蚀涂层,有较多的国家和行业技术标准,最新的标准是2011年颁布实施的《喷涂型聚脲防护材料涂装工程技术规范》(HG/T 20273—2011)。为了保证施工质量,避免因涂层缺陷影响水质,造成不必要的浪费,应在聚脲施工及验收过程中,严把质量关。特别是涂层验收时,要对涂层厚度、强度进行检查。同时,对焊缝、搭接、边缘及拐角等处应进行电火花检漏。


1.3 锅炉补给水系统设备异常

  锅炉补给水系统设备出现异常时,会导致不合格的除盐水及再生剂进入除盐水箱,污染除盐水。因此,必须保证二级除盐设备出水在线电导率表准确可靠,保证除盐水箱的进水水质合格。


  另据参考文献报道,河南省某电厂在机组吹管期间发现,除盐水箱出水电导率升至36.2 μS/cm。后经查证,除盐水污染的根本原因是再生水泵逆止门、混床进酸门关闭不严,存在微量内漏。混床投运后,致使管道内的盐酸再生溶液逆向进入除盐水箱,造成除盐水污染。因此,在发现除盐水箱出水电导率大幅度升高时,应重点检查二级除盐设备及其再生系统阀门、逆止门的严密性。


2 结语

  除盐水箱出水电导率升高在电厂时有发生,有的电厂属于突发现象,有的则呈现逐步上升的趋势。除盐水箱突发性污染的原因比较直接,通过系统查找可以消除。而电导率缓慢上升的现象与除盐水箱水量减少、存放时间增加等有一定的关系,不易察觉。但是,如果除盐水箱出水电导率超标,或者上升趋势明显突出时,应考虑可能存在水箱顶部密封不严或者防腐层问题,择机检查消除。

(来自《工业水处理》,参考文献略)