聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠實際上已成為許多即將退役的燃煤發(fā)電廠的替代品。這些新工廠的一個特殊方面是，它們通常只有很少的人員，幾乎沒有接受過水/蒸汽化學方面的培訓。然而，由于水處理和化學控制不當而導致的故障，無論是在蒸汽發(fā)生器還是冷卻系統(tǒng)中，如果導致故障和強制停工，都可能導致工廠的收入和設(shè)備維修成本大幅下降。在冷卻方面，工廠不再采用直通冷卻系統(tǒng)，而是選擇冷卻塔或風冷冷凝器。本文主要關(guān)注前者。在過去的幾十年里，冷卻系統(tǒng)處理器發(fā)生了巨大的變化，并且這種變化仍在繼續(xù)，但越來越復雜。

冷卻塔傳熱基礎(chǔ)知識

下圖說明了冷卻塔的基本流動路徑，并指出了一組可能會顯著影響工藝流溫度和水分含量的條件。包含的數(shù)據(jù)概述了冷卻塔的重要概念。

請注意，不僅通過塔的空氣溫度變化很大，相對濕度 (RH) 也變化很大。通常，塔中 65% 至 85% 的冷卻來自一小部分回水的蒸發(fā)。其余部分通過顯熱傳遞。盡管正確選擇冷卻塔的尺寸和空氣與水的流量比（通常稱為液氣 [L/G] 比）需要相當詳細的數(shù)學和工程知識，但幾個常用公式非常實用實際用于確定系統(tǒng)的操作方面。考慮到上面的示例，我們將選擇 75% 的蒸發(fā)率，將其轉(zhuǎn)換為小數(shù)格式作為以下公式中的蒸發(fā)系數(shù) (?)。

E = (R*?*Range)/1000，其中

E=蒸發(fā)量（gpm）

R=再循環(huán)水的速率（在本例中150,000 gpm in )

? = 蒸發(fā)系數(shù)（本例中為 0.75）

范圍 = 熱水和冷水之間的溫差 (27oF)

所以在這個例如，蒸發(fā)速率為 3037 gpm，約為循環(huán)水速率的 2%。

隨著水在冷卻塔中蒸發(fā)，溶解的固體（和懸浮的固體）留在后面。這些固體會濃縮并增加水污染、腐蝕和結(jié)垢的可能性。化學處理器基于對所有這三種機制的控制，我們將在首先考慮其他基本流量計算后不久對其進行研究。

即使采用最好的化學處理方案，冷卻塔中的雜質(zhì)也只能積聚到一定水平，然后結(jié)垢的可能性才能淹沒化學處理。冷卻系統(tǒng)補給水中雜質(zhì)的富集被稱為濃縮循環(huán)（COC）。 COC 是通過定期排放一部分冷卻水來控制的，其體積補充了補充水。下式與污染物排放量、蒸發(fā)量、COC的關(guān)系如下所示。

BD = E/(COC – 1)

排污率與 COC – 2

對于這些計算，非常少量的水（通常可以忽略不計）使塔扇的排氣呈淚珠狀。這種損失稱為漂移 (D)，可以視為小的連續(xù)排污。因此，將這個因素加到上式中，冷卻塔的總成分量（MU）由下式表示。

MU = E + BD + D

經(jīng)過精心設(shè)計的除霧裝置的水塔，一般設(shè)計漂移率為循環(huán)水流量的0.0005%。所以在我們的示例中，漂移約為 1 gpm，這實際上可以忽略不計。

在污水排放方面的一個重要問題是，隨著COC的增加，污水排放會反方向減少，如下圖所示。

圖 2. 上述示例的排污率與 COC。

顯然，隨著收益成本的增加，“收益遞減法則”適用。常見的 COC 范圍是 4 到 8。但是，如果塔位于干旱環(huán)境或排污受限，則可能需要更高的 COC。然而，這是有代價的，因為較高的 COC 意味著冷卻水中溶解固體的濃度較高，這會增加結(jié)垢和腐蝕的可能性。

現(xiàn)代化學控制

在未經(jīng)任何處理的淡水供水塔中，幾乎總是首先形成的水垢是碳酸鈣 (CaCO3)。鈣離子 (Ca2+) 喜歡與碳酸氫根離子 (HCO3-) 結(jié)合，尤其是當冷凝器和其他熱交換器的溫度升高時。

Ca2 + + 2HCO3- + 熱 → CaCO3 ↓ + CO2 ↑ + H2O

于是，在上個世紀中葉，采用了一個非常通用的處理程序，即進行通過兩種化學方法解決結(jié)垢和腐蝕問題。第一步是加入硫酸以將冷卻水的 pH 值保持在大約 6.5 至 7.0 的范圍內(nèi)。酸將碳酸氫鹽轉(zhuǎn)化為二氧化碳，二氧化碳當然會以氣體形式逸出。將其喂入含有重鉻酸鈉的水中。鉻在碳鋼上形成表層并賦予其類似不銹鋼的品質(zhì)。用通俗的話說，這個過程幾乎是“輕而易舉”的，盡管酸進料的不適感會而且確實會導致嚴重的腐蝕。

兩種常見的磷酸鹽 – 3

不幸的是，基于鉻酸鹽的處理會產(chǎn)生有毒的六價鉻 (Cr6+)。對于所有打開或關(guān)閉的冷卻系統(tǒng)，這種方法基本上消失了。直到最近，流行的替代方案一直是基于堿的處理，主要依靠無機和有機磷酸鹽（膦酸鹽），輔以互補聚合物來螯合和改性非碳酸鹽結(jié)垢劑，以及低劑量的鋅鹽。

在這些程序的典型 pH 范圍（從低到高 8）下，腐蝕會減少，但各種化學物質(zhì)也會抑制金屬陽極和陰極部位發(fā)生的腐蝕反應(yīng)。

圖 4. 抑制劑對腐蝕的影響。資料來源：參考文獻 1.

抑制劑對腐蝕的影響 – 4

常見的聚合物建筑基團和功能基團 – 5

冷卻水塔膜污染 – 6< /p>

化學過程最大限度地減少了碳酸鈣的形成，但不幸的是，如果不小心控制，會導致磷酸鈣結(jié)垢。防止這種規(guī)模是聚合物通常是化學混合物的一部分的主要原因。

主要的水處理化學品公司已經(jīng)針對磷酸鹽/膦酸鹽項目制定了精密的監(jiān)測和補料方案，但新的問題又出現(xiàn)了。由于磷對有毒藻華的影響，該國許多有水的地區(qū)現(xiàn)在被認為缺磷。因此，新工廠不得向這些水體排放任何磷流。新興的是全聚合物程序，其中聚合物共混物充當晶體改性劑和螯合劑，以保持懸浮的結(jié)垢離子和晶體。下圖說明了許多這些聚合物的活性位點。

在選擇冷卻水處理方案時，建模軟件會大有裨益。 French Creek Software 是這項技術(shù)的領(lǐng)導者，許多主要的水處理化學品供應(yīng)商都在他們的項目中使用它。

微生物污染控制

雖然污染和腐蝕是冷卻系統(tǒng)中非常重要的問題，但微生物污染是迄今為止最常見的問題原因。

冷卻系統(tǒng)為微生物的生長和定植提供了理想的溫暖和潮濕的環(huán)境。細菌會在冷凝器和冷卻塔填料中生長，真菌會在冷卻塔木材中和內(nèi)部生長，藻類會在暴露在陽光下的濕冷卻塔部件中生長。殺菌劑處理對于保持冷卻系統(tǒng)的性能和完整性至關(guān)重要。

細菌分為三類，

好氧菌：在代謝過程中使用氧氣。

厭氧：生活在沒有氧氣的環(huán)境中，使用其他來源（如硫酸鹽、硝酸鹽或其他供體）獲取能量。

兼性：可以生活在有氧或厭氧環(huán)境中。

HOCl 解離與 pH – 7

微生物（尤其是細菌）的問題在于，一旦它們沉積在表面上，生物體就會分泌多糖層進行保護。然后薄膜從水中收集淤泥，使其變厚并進一步減少熱傳遞。即使表面上的細菌可能是需氧的，分泌層也會讓下面的厭氧細菌大量繁殖。反過來，這些蟲子會產(chǎn)生酸和其他直接攻擊金屬的有害化合物。微生物沉積物還會形成濃縮池，沉積物下方缺氧會導致該部位對其他暴露金屬區(qū)域形成陽極。點蝕經(jīng)常發(fā)生，這會在預期的材料壽命之前導致管子失效。

真菌會以不可逆轉(zhuǎn)的方式侵蝕冷卻塔的木材，最終可能導致結(jié)構(gòu)失效。藻類會污染冷卻塔的噴水平臺，從而導致性能不佳和工作位置不安全。

大多數(shù)微生物處理計劃的核心是輸送氧化性殺菌劑，在微生物定居到冷凝器管壁、冷卻塔填料和其他位置之前將其殺死。多年來，氯一直是人們的主力，將氣態(tài)氯加入其中會發(fā)生以下反應(yīng)。

Cl2 + H2O?HOCl + HCl

次氯酸HOCl是殺手。由于 HOCl 在水中的平衡性質(zhì)，該化合物的功能和殺傷力受 pH 值的影響很大。

HOCl?H + + OCl-

OCl- 是一種比 HOCl 弱得多的殺菌劑，可能是由于 OCl- 離子上的電荷不允許它滲透細胞壁。當pH值超過7.5時，氯的殺滅效率急劇下降。因此，氯化學可能對常見的堿性結(jié)垢/腐蝕處理程序無效。

水中的氨或胺會發(fā)生不可逆反應(yīng)，形成低效氯胺，從而進一步影響對氯的需求。出于安全考慮，液體漂白劑 (NaOCl) 進料已在許多工廠中取代了氣態(tài)氯。

一種常見的替代方法是溴化學，其中氯氧化劑和溴化物鹽（通常是溴化鈉 (NaBr)）在補充水流中混合，然后注入冷卻水中。該化學過程會產(chǎn)生次溴酸 (HOBr)，它具有與 HOCl 相似的殺滅能力，但在堿性 pH 值下更有效。

由于多種原因，二氧化氯 (ClO2) 越來越受歡迎。它的殺滅力與 pH 值無關(guān)，并且該化學物質(zhì)不會與氨反應(yīng)，也不會形成鹵化有機化合物。同樣，二氧化氯可以更有效地攻擊已建立的生物沉積物。

ClO2不穩(wěn)定，必須現(xiàn)場生成。過去，通常的做法是在冷卻水的側(cè)流中使亞氯酸鈉 (NaClO2) 與氯氣發(fā)生反應(yīng)。

2NaClO2 + Cl2?2ClO2 + 2NaCl

但是，這項技術(shù)需要儲存大量的危險化學品，而且比漂白或溴化處理的成本高出數(shù)倍。現(xiàn)在有許多改進的技術(shù)，其中之一是基于以下化學原理設(shè)計的。

NaClO3 + 1/2 H2O2 + 1/2 H2SO4→ClO2 + 1/2 O2 + 1/2 Na2SO4 + H2O

主要化學物質(zhì)為氯酸鈉（NaClO3），代替亞氯酸鈉。

幫助控制微生物的一種方法是補充非氧化性殺菌劑。通常，需要偶爾但定期喂食，也許每周一次。表 1 總結(jié)了最常見的非氧化劑的一些特性。

為了確定最有效的殺菌劑，必須仔細評估冷卻水中的微生物種類。未經(jīng)相應(yīng)監(jiān)管機構(gòu)批準，不得使用或測試這些化學品。他們必須遵守工廠的國家污染物排放消除系統(tǒng) (NPDES) 指南。

與所有化學品一樣，使用非氧化劑時，安全絕對是最重要的。必須遵守所有操作指南并使用適當?shù)膫€人防護設(shè)備。許多這些化學物質(zhì)會攻擊人體細胞和微生物。

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