陳 震1，王 濤2，劉紅艷3，朱麗萍4，祝 青1
(1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200437；2.上海申能臨港燃機發電有限公司，上海201306；3.上海申能吳涇第二有限公司，上海200241；4.華能上海石洞口發電責任有限公司，上海200942)
<strong> 摘 要： 通過分析上海地區火電廠不同水處理工藝以及進水水源的變化情況，總結這些電廠多年的補給水運行出水水質數據，研究其在高含鹽量進水水質下，其水處理工藝出水水質是否滿足（GBT12145-2008）鍋爐補給水質量要求。為上海地區火電廠水處理工藝設計改造提供依據。
關鍵詞： 離子交換；RO；EDI
0 引言
上海地區火電廠采用的補給水處理工藝：老電廠為傳統離子交換除鹽系統，大部分電廠是在傳統離子交換除鹽系統上加裝了一級反滲透；新設計的現代火電廠采用二級RO+混床除鹽系統或二級反滲透+EDI的全膜水處理系統。
化學補給水全膜系統包括超濾(UF)、反滲透(RO)和EDI三部分，裝置采用可編程控制器(PLC)進行數據采集和系統控制，可遠程控制和就地手動操作。電廠全膜除鹽系統經過數年的運行使用，反滲透及EDI裝置均會出現不同程度的脫鹽率、回收率下降的情況，造成設備的供水能力不足，影響機組安全、經濟運行。
如某電廠補給水采用全膜處理，在運行5年后，EDI裝置的出水水質從運行初期的0.06 μS/cm上升至0.1 μS/cm，鈉、硅的去除能力明顯下降，在EDI系統清洗后，水質可恢復至0.07 μS/cm，在運行2～3個月時間后，鈉、硅控制指標大幅升高，說明采用清洗不能完全恢復系統的性能。RO裝置的系統回收率均不到60%，遠小于設計回收率≥85%的要求，EDI出水中鈉、硅超過失效控制指標，影響鍋爐的安全運行。
為保證上海地區在海水倒灌影響期間鍋爐補給水處理設備的可靠運行，必須摸清各種處理工藝的處理效果、運行控制條件，選擇適合上海地區火電廠的補給水處理工藝，保證所選擇的補給水處理設備的高效運行，提高補給水系統出力與出水水質。
1 上海地區火電廠水處理系統工藝流程
1.1 電廠水處理系統工藝流程
目前上海地區火電廠中高橋石化熱電廠、金山石化熱電廠、星火熱電廠、閔行電廠采用的處理工藝為傳統離子交換除鹽系統，長興島二電廠、吳涇一電廠、吳涇二電廠、外高橋一、二電廠、石洞口一電廠、閘電燃機電廠、石洞口二廠一期工程采用的是一級RO+離子交換除鹽系統；漕涇燃機、大漕涇電廠為二級RO+離子交換除鹽系統；臨港燃機、石洞口燃機、石洞口二廠二期工程、奉賢燃機為二級反滲透+EDI的全膜水處理系統。
圖1為全膜水處理工藝流程。全膜處理系統是目前最新的鍋爐補給水水處理制水技術，其使用EDI設備替代傳統混床技術。EDI工藝是將離子交換樹脂填充在陰、陽離子交換膜之間形成EDI單元，其離子化物質在電場的作用下,通過導電物質從產水中遷移出去,達到生產高純水的過程。在這個單元兩邊設置陰、陽電極，在直流電作用下，將離子從其給水（通常是反滲透純水）中進一步清除。
水中陽、陰離子通過陽、陰離子交換膜分別允許各自的陽、陰離子透過。
EDI模塊的產水水質取決于模塊將離子從淡水室遷移至濃水室的能力，如果進水中的離子含量過高，則產水水質變差。運行中需控制允許最高的進水電導率。
EDI模塊約70％的電能消耗在水的電離上，在EDI模塊中，濃水室陰膜表面的pH值較高，結垢傾向嚴重，為保證脫鹽率，防止EDI模塊結垢，必須控制進水結垢物質含量。
進水中氧化劑會使EDI中離子交換樹脂和離子交換膜（包含RO膜）快速降解，造成離子交換能力和選擇性透過能力衰退，除鹽效果惡化，縮短RO、EDI模塊使用壽命。運行中需控制進水中氧化劑的含量。
顆粒雜質會污堵隔室水流通道、樹脂空隙、樹脂和膜的孔道，導致模塊的壓降升高、離子遷移速度下降。有機物、藻類可以被吸附到樹脂及膜的表面，降低其活性。被污染的樹脂和膜傳遞離子的效率降低，膜堆電阻增加，運行中需保證進水中含有較少的雜質含量。
膠態硅可以通過超濾及RO裝置等物理處理工藝去除，而活性硅在通過RO及EDI裝置后難以徹底去除。硅酸化合物對EDI模塊的影響：在濃水室結垢的硅酸鹽很難除去。設計要求EDI進水SiO2含量小于0.5 mg/L。
1.2 電廠補給水運行水質標準
表1顯示，對超臨界火電機組，鍋爐補給水電導率、TOC、SiO2分別要求小于0.15 μS/cm、200 μg/L、10 μg/L。其中，TOC必要時監測。
2 上海地區電廠原水水質分析
2.1 原水水質分析
2.1.1 原水含鹽量分析
目前上海地區使用的原水水源為長江水質的電廠是石洞口一、二廠、寶鋼、外高橋一、二、三廠；吳涇一、二電廠、臨港燃機為黃浦江水；上電漕涇、漕涇燃機、奉賢燃機為上海內陸河水質，其水質情況見圖2。
長江水質受海水倒灌影響較大，在長江“枯水”期(一般為每年的11月下半月至翌年的5月上半月)，水中氯離子含量達1 700 mg/L，偶爾可3 500 mg/L。在進入“汛期”時，原水的電導率減小，到每年的5、6月份降至最低。當進入“枯水”期時，原水的電導率上升。有海水倒灌時，電導率上升明顯。2014年2月份原水電導率甚至上升至1 489 μS/cm。上海內陸水源為黃浦江水源的支流，基本與黃浦江水源接近，其水源也受到季節性的影響，但原水水質年波動幅度比較低，受海水倒灌的影響較小。電導率主要分布在600～800 μS/cm之間。上電漕涇電廠位于上海市金山區漕涇鎮，緊靠杭州灣北岸。從圖2可以看出，靠近金山地區的內陸水也受海水倒灌的影響，在冬季“枯水”期，原水的電導率明顯上升，但上升幅度與長江水質相比幅度較低，黃埔江的原水電導率最高可達到1 000 μS/cm左右。
2.1.2 原水有機物分析
黃浦江水和長江水年有機物變化曲線如圖3所示。
由圖3可以看出，黃浦江水有機物的含量較長江水高，黃浦江水有機物平均含量在5.3 mg/L左右，長江水平均在3 mg/L左右。對于以黃埔江水為原水的電廠，在進全膜系統前應當增設活性炭，降低進水有機物的含量，防止膜系統受有機物污染和滋長微生物。
2.2 各種處理工藝在高含鹽量時出水水質分析
2.2.1 常規的離子交換處理工藝
普通常規除鹽處理進水水質是按表2所列的水質進行設計。
表3顯示，在進水電導率達到800 μS/cm時，混床出水電導率已達到0.18 μS/cm，TOC為820 μg/L，超過超臨界火電機組補給水水質的標準要求，在海水倒灌期間，當海水電導率達到1 500 μS/cm以上時，常規離子交換處理工藝無法制水運行，強制運行，其周期制水量非常短，出水水質劣化，水耗、酸堿耗極高。以前在海水倒灌期間采取的工藝處理措施是采用低含鹽量的深井水替代高含鹽量的原水，保證離子交換處理工藝能正常制水，隨著地下水資源的限制開采，這種運行方式已不能滿足現代工藝的生產要求。
2.2.2 一級RO（二級RO）+離子交換處理工藝
常規離子交換工藝存在抗高含鹽量能力差、出水水質不能完全滿足超臨界火電機組補給水水質的標準要求，大多數電廠對原補給水處理工藝進行了改造，加裝了一級RO設備，在一級RO處理設備后，再配置常規的一級除鹽系統，其進水水質按RO90%除鹽能力計算，可以處理進水電導率達到6 000 μS/cm高含鹽量的水質。部分新設計的電廠如百萬機組上電漕涇電廠、漕涇燃機電廠，其采用的處理工藝則為二級RO+混床的處理工藝。
從上海石洞口二廠一期“RO+離子交換”系統的運行數據中，選擇其中三組含鹽量高的數據(如表4所示)進行分析。結果如圖4～圖6。
從表4、圖4、5、6數據可知，當海水倒灌時反滲透進水的電導率高至3 800 μS/cm，經反滲透除鹽后出水的電導率在300～400 μS/cm，其出水電導率也基本穩定在0.06～0.08 μS/cm，硅、鈉全部符合超臨界火電機組補給水控制指標，說明采用一級RO+離子交換處理工藝或二級RO+混床的處理工藝，在抗高鹽量、較高有機物的進水水質時，其出水水質全部符合超臨界火電機組補給水控制指標。
2.2.3 全膜處理工藝
新設計的電廠采用的是全新的全膜水處理工藝，其代表電廠是上海石洞口二廠二期、臨港燃機、奉賢燃機電廠。
表5、圖7、8 數據顯示，當EDI進水的電導率基本在1.7～3.4 μS/cm時，其出水的電導率在0.089～0.127 μS/cm，高于采用一級RO+離子交換的制水工藝的出水水質0.06～0.08 μS/cm，但能滿足超臨界火電機組補給水電導率小于0.15 μS/cm的控制指標。
對已經運行5年，在EDI進水電導率高于5 μS/cm時，其出水電導率已超過0.2 μS/cm，高于超臨界火電機組補給水電導率小于0.15 μS/cm的控制指標。
對于全膜系統，反滲透的脫鹽率隨運行時間的增加逐漸下降（圖9所示），EDI處理設備對進水電導率有一定的要求，在原水含鹽量升高至一定值時，或由于EDI系統隨運行時間的增加，EDI膜上污染加劇，樹脂交換基團脫落氧化，處理能力下降時，會導致全膜系統的出水水質無法達到超臨界火電機組補給水的水質標準，使全膜系統降低出力或停止運行。
2.3 其他出水水質指標比較
上海石洞口二廠一期采用一級RO+離子交換除鹽系統，上海石洞口二廠二期、上海臨港燃機電廠采用全膜處理系統，上電漕涇為二級RO+混床的處理工藝。在不同處理工藝下，出水Na+濃度、SiO2濃度分別如圖10、11所示。
從圖10、11中可以明顯地看出，各個電廠除鹽水水質有明顯的差異，上海石洞口二廠二期的出水水質波動較大，上海石洞口二廠一期、上電漕涇電廠的出水水質較穩定。在全膜處理的出水水質中，出水的鈉、硅含量要高于一級RO+復床+混床和二級RO+混床的制水工藝。
除鹽水中有機物含量是電廠定期監測的指標。若水處理系統出水有機物含量高，有機物會進入鍋爐，在高溫下分解形成有機酸，導致鍋爐形成酸性腐蝕。圖12、13分別是上電漕涇電廠、石洞口二廠二期2012年～2014年有機物的檢測結果。
從圖12、13可以看出，上電漕涇發電廠二級RO+混床、水處理系統產水有機物含量TOC均小于100 μg/L，離子交換補給水混床出水TOC最高可達600 μg/L，凡補給水采用RO處理工藝后，其補給水的TOC水質均低于GBT12145-2008標準要求。
2.4 溫度對膜運行效果的影響
通過對臨港燃機電廠采集數據的分析發現，進水的水溫對設備處理效果也有很大的影響。溫度—電導率的關系如圖14所示。
從上圖的變化曲線可以看出，隨著溫度的升高，產水電導率也在升高，在15℃以上水溫時，反滲透膜的產水量接近設計產水量，而產水的電導率較低。該系統控制運行水溫在15℃以上時，系統的運行效果較好。圖15為溫度與產水量的關系。
從圖15可以看到，隨著溫度的升高產水量先是有一個明顯的升高，隨著溫度繼續升高，二級反滲透的出水水量上升程度會趨于平緩，最終達到最大產水量。
結合圖14、15的變化關系曲線，反滲透系統存在最佳的運行溫度。臨港燃機電廠在設計所定的二級反滲透產水就是56 m3/h，從圖15看出在15 ℃時產水量是54 m3/h，接近了理論設計值。按膜與水溫的性能關系，水溫每提高1 ℃，產水率約增加2%，臨港燃機電廠的運行水溫至少控制在16 ℃以上。
2.5 不同水處理工藝的使用特點
通過以上研究分析，各種水處理工藝的優缺點如表6所示。
3 結束語
上海地區火電廠采用常規離子交換水處理工藝，在海水倒灌期間，該工藝不能使用，需要采用其他低含鹽量水源。在進水有機物含量高時，其出水TOC高于GBT12145-2008補給水標準要求，不適合近海與高有機物的進水水源。
在高含鹽量的進水條件下，采用全膜處理工藝電廠，當RO脫鹽率有較大下降，EDI性能指標下降時，出水水質會超出GB12145補給水標準要求。
采用RO+離子交換處理工藝的電廠，其出水水質基本不受進水水質的影響，出水鈉、硅、電導率、TOC均能滿足GB12145補給水標準要求。
通過對RO+離子交換處理工藝的電廠和全膜處理工藝電廠出水水質分析比較， RO+離子交換處理工藝對原水水質的適應能力、出水水質要優于全膜處理系統。
全膜水處理系統相較于傳統的水處理系統具有占地面積小、污染小等特點；原水水質的穩定性對于全膜水處理設備的安全穩定運行有很大影響。
對采用RO處理工藝的電廠必須控制好進水溫度。
參考文獻
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