调相机蒸发冷却器淋水填料结垢机理研究及防垢处理

调相机蒸发冷却器淋水填料结垢机理研究及防垢处理

郑金池1  ,刘聪2

(1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院  2.华能酒泉发电有限公司）

摘要：针对调相机蒸发冷却器淋水填料堵塞问题，对外冷水水质和填料垢样成分进行了分析，并对填料的结垢机理进行了探讨，明确了影响填料结垢的主要因素，并通过阻垢实验和动态模拟试验，得到了性能优良的阻垢剂，彻底解决了蒸发冷却器填料结垢的问题。

关键词：调相机；蒸发冷却器；填料；；碳酸钙；阻垢剂

近年来随着特高压直流输电工程的应用，特高压直流输电换流站的动态无功补偿的问题也逐渐凸显出来。在特高压直流输电换流站采用大型调相机作为就地无功源，可以很好地解决无功补偿的问题。

调相机外冷水系统采用由机械通风间冷塔和蒸发冷却器组成的干湿联合冷却系统。调相机内的运行余热通过热交换器传递给管道内的外冷水，在外冷却系统主机内的循环水泵作用下，外冷水将余热量带出，进入干湿联合冷却系统。冷却系统中的外冷水不与大气直接接触，在引风风机的作用下，通过与强力气流进行热交换，从而达到介质冷却降温的目的。冷却水温的主要控制因素是大气干球温度，当气温高于29℃时，为了提高外冷却系统运行可靠性，满足系统要求的水温，开启喷淋水泵向蒸发冷却器喷水，使水温达到系统要求的温度。蒸发冷却器大部分采用交错波纹式填料,但存在结垢的问题,结垢严重会影响填料的传热传质系数,甚至影响冷却器的热力性能，严重时可能导致调相机被迫停运。

现阶段，防垢技术包括很多种方法，比如有化学法、物理法和工艺法。化学方法的防垢机理是利用化学防垢剂的某些特性阻止垢的生成，具有成本低、效果明显的优势，因此在国内和国外应用比较广泛。一般来说将防止污垢产生或者抑制其沉积生长的化学药剂统称为阻垢剂，根据阻垢剂的发展历程以及起主要作用的官能团，其大致可以分为天然聚合物阻垢剂、含磷类聚合物阻垢剂、共聚物阻垢剂和绿色新型阻垢剂。

我国对冷却塔以及填料的研究已有了长足的发展,但对淋水填料结垢的研究几乎没有,国外已经开始对填料污垢的成分、结垢机理、如何阻垢有了初步的研究,但具体的除垢效果还有待考证,并且没有对结垢严重度的分布规律,结垢对传热传质的影响进行分析,特别是对调相机外冷水水系统的阻垢还不多见。因此很有必要对淋水填料结垢问题进行深入的研究，并开展针对性的防垢处理。

一、水质分析

本试验采用调相机外冷水，随机将10桶等体积水样混合后测定有关水质指标，其结果见表1-1。

表1-1 水质分析

由表1-1可知，外冷水钙、镁离子含量较高，为结垢型水质，随着水温、pH值的上升以及浓缩倍数的提高，结垢趋势将更加严重，腐蚀在一定程度上将受到阻垢效果的影响，因此在确定水处理药剂及配套控制条件上一定要严格控制结垢。

二、填料垢样及结垢原因分析

2.1填料垢样分析

现场采集填料垢样，见图1，对垢样进行X射线衍射（XRD）分析，结果表明垢样的主要成分为碳酸钙和水合碳酸钙，见图2。

图 1填料垢样                          图 2垢样XRD分析图谱

2.2结垢原因分析

外冷水在循环使用过程中，不断循环浓缩，随着浓缩倍数的提高，水中钙、镁离子含量逐渐增加，结垢趋势越来越大。如果换热管内温度过高，水中的钙、镁、碳酸盐遇热后反应生成碳酸钙和水合碳酸钙沉淀物，从而附着在冷却器的填料上，形成了坚硬的水垢；水中碳酸氢钙在受热和曝气条件下分解，发生反应为:

Ca2++2HCO3-→CaCO3↓+CO2↑+H2O

从而生成难溶的碳酸钙在传热面上结晶出来。由于水垢的导热性能差，结垢严重会影响填料的传热传质系数,影响冷却器的热力性能，造成了冷却器换热效率降低，甚至会使换热管堵塞。特别在夏季高温季节，循环冷却水温度过高冷却不下来，只能通过大量补水来降低水温，从而保证调相机的正常运行，这样又造成了水资源的浪费。

三、试验研究

本试验利用实验室自制的循环水动态模拟试验台，进行填料的成垢与阻垢实验，以选择合适的阻垢剂。阻垢剂处理是通过加入循环冷却水中的阻垢剂对污垢的晶格歪曲畸变、分散和螯合等作用，阻止和减缓污垢的形成，阻垢剂间普遍存在着协同效应，一般是多种阻垢剂复配使用。

实验方法：在水中加入阻垢剂置于60±1℃的水浴锅内恒液位恒温浓缩，在浓缩中补水保持水位至所需浓缩倍率时冷却测定其游离钙的含量算出阻垢率。测定阻垢剂阻垢性能的方法，是在加热条件下，促成碳酸氢钙加速分解为碳酸钙，达到平衡后测定水中的钙离子浓度，钙离子浓度愈大，则该水处理剂的阻垢性能愈好，即为碳酸钙沉积法。

为筛选出合适的阻垢剂的配方，我们根据外冷水的水质和工况条件，设计了四种阻垢剂配方，并通过阻垢试验及动态模拟试验进行评价，最终筛选出合适的配方。

3.1阻垢试验

#1、#2、#3、#4四种药剂配方选用了羧酸盐、磺酸盐以及膦磺羧酸多元共聚物等多种药剂。试验条件：在水中加入阻垢剂，阻垢剂质量浓度为50mg/L，置于60±1℃的水浴锅内恒液位恒温浓缩，在浓缩中补水保持水位至所需浓缩倍率时冷却测定其游离钙的含量算出阻垢率。阻垢试验结果见表3-1。

表3-1 阻CaCO3垢试验结果

由表3-1可知，四种配方的阻垢剂均有较好的阻垢性能。但随着浓缩倍数的增加，阻垢性能均有不同程度的下降。在较髙浓缩倍数下，#2和#3的阻垢性能明显优于#1和#4。

3.2动态模拟试验

将筛选出的性能优良的#2和#3药剂配方进行动态模拟试验。试验条件：恒温水浴装置的温度设置在45℃，在蒸发浓缩过程中，监测浓缩倍数的变化，取每4小时监测一组数据点，测定浓缩水的碱度，氯离子含量，钙离子含量。于浓缩倍数3.0~3.5的范围内，接近平衡时每2小时监测一组数据点。平衡稳定后每8小时监测一组数据点。试验结果见表3-2。

表3-2 动态模拟试验结果

备注：浓缩倍数控制在3.5

由表3-2可知，配方#2和#3均达到要求。综合技术经济指标，最终选择配方#3作为蒸发冷却器填料的阻垢剂配方。

四、结论

试验结果表明，#2和#3药剂对于CaCO3垢均有良好的阻垢性能。加入阻垢剂能够明显提高循环水的浓缩倍数，阻垢剂质量浓度为50mg/L时，能很好的满足浓缩倍数3.5的要求，其阻垢效果良好，蒸发冷却器的填料未见结垢，该阻垢剂能够彻底解决蒸发冷却器填料结垢的问题，保证了调相机外冷水系统的正常运行，也避免了水资源的浪费。

参考文献

[1]李明志. 表面蒸发式冷却器在浅冷装置上的应用研究[D].东北石油大学,2012.

[2]由世俊,华君,涂光备,吕灿仁. 金属填料表面热质传递实验研究[J].制冷学报,2000(04):35-39.

[3]蒸发冷却器喷淋水系统的缓蚀阻垢处理[C]//.2014中国水处理技术研讨会暨第34届年会论文集.,2014:244-247.