北仑发电厂二期工程凝结水精处理系统浅析

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摘要：对北仑发电厂二期工程由美国U．SFILTER公司提供的中压凝结水精处理装置再生系统的设计、设备和再生步骤的特点进行分析。
关键词：电厂化学；凝结水精处理；高塔分离、再生

　　北仑发电厂的5台600 MW进口机组中，一期工程的2套精除盐系统分别引进美国GRAVE公司和意大利Termokimik公司的设备，二期工程的3台机组则选用了美国U．SFILTER公司的改进型产品。就其基本特征来说，3种不同设备均为中压高速混床，并采用了体外三塔式再生的方法，而且运行参数也较接近，具有相当的可比性。但从运行过程中积累的数据来分析，三者还是有显著区别的，其中U．SFILTER公司提供的这套设备具有再生方式优越、运行周期长、处理水量大的特点，值得推广应用。
1 系统概述
       二期工程的每台机组都配备了3台高速混床，正常运行时其中2台运行，1台备用。每台混床的出力为正常运行凝结水量的50％。当运行混床出现流量积算达标、导电度、钠及SiO2含量超标或在床体运行阻力超标时把备用的混床投入运行，再把失效树脂送到再生系统进行体外再生操作。配套的常压三塔体外再生系统，由树脂分离塔（SPT）、阴树脂再生塔（ART）、阳树脂再生及混合塔（CRT）以及与之配套的酸碱系统、废水排放系统等组成。失效树脂首先通过水、气方式从运行混床输送到SPT，在此经过压缩空气擦洗和水力反洗分层后，阴、阳树脂得以分离。SPT上部大部分阴树脂通过SPT中部的树脂出口管输送到ART，剩下的阴、阳树脂经过进一步的水力反洗分离后，由SPT底部的树脂出口管将大部分的阳树脂送往CRT，同时保留阴、阳树脂分界面这部分混合树脂。这种在SPT内阴、阳树脂两次水力分离的方式保证了再生前CRT和ART内阴、阳树脂的纯度，提高了树脂的再生效果，因此可进一步改善高速混床出水的质量，延长混床的运行周期。阴、阳树脂分别在ART、CRT内再生完毕后，将阴树脂送至CRT内进行空气混合、清洗，最终完成树脂的再生。
2 设计特点
        要使高速混床出水水质达到很高的纯度，并相应延长运行周期，除了选用高质量的凝结水精处理用均粒树脂（这里选用了ROHM＆HASS公司的Ambersep 252H和Ambersep 900SO4大孔树脂）、控制精处理混床的进水水质、提高再生剂的纯度外，关键是要选择合适的再生设备和设计合理的再生程序，为此在设计和应用过程中必须尽可能解决好以下几个问题：
　　（1）阴阳树脂在每次再生前都能做到最有效的分离。
　　（2）使已分离的树脂达到最彻底的再生，且经济上也是合理的。
　　（3）对已再生好的树脂进行充分淋洗，去除残留再生液。
　　（4）树脂再生好后应注重阴、阳树脂的混合，并尽量降低树脂送入混床的过程中出现二次分离的可能性。
        下面就U．S   FILTER公司提供的设备和再生程序加以阐述。
2．1树脂的有效分离
        在凝结水精处理系统中，影响混床出水水质、运行周期的诸多因素中，树脂再生采用的方法和具体的操作步骤是最主要的，而再生步骤中尤以树脂分离最为复杂，也最为关键。目前各厂家在采用优质均粒树脂的同时，十分注重树脂的分离技术，使用较为广泛的是“水力二次分离、中间树脂层抽出法”，U．SFILTER公司也采用这种方式，只是在细节上考虑得更周到，尽可能地优化该设备的分离功能，力求达到最佳的分离效果。这里有许多值得我们学习和借鉴的地方，列

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（1）独特的“高塔”设计   
　　一改以往传统的直筒式结构，而是采用了下窄上宽，倒锤体细长型的筒身。下部是圆柱型，顶部为倒置的圆台型，垂直高度达6640 mm，有效分离高度为5580 mm，底部筒体直径为1670 mm，上部最宽处直径为2430 mm。该设计有效地增加了树脂分离时的反洗空间，使阴、阳树脂分离更为彻底。在树脂膨胀率提高的同时，也更利于运行过程中粘附在树脂表面的金属氧化物等污染物和树脂碎屑的去除。另外，采用塔体变径设计后，在SPT底部能保持较高的水流速度，而到达顶部时，因塔体截面增大，流速减缓，避免了密度较小的阴树脂堵塞反洗出口的水帽。同时，细长的筒身使阴阳混合树脂交界面的截面积变小，减少了混合树脂体积，有效地降低了树脂交叉污染的可能性。
        （2）采用变流量反洗分层的方法
　　 同一般的分离塔相比，该树脂分离塔设有大流量反洗进口阀CL－1001和小流量反洗进口阀CL－1002。这两个流量调节阀，采用PLC输出控制，可自动或手动调节反洗水流量。在反洗初期，同时开启这两个阀门，此时反洗流量达到最大值（78 m3／h），使混合树脂层得到充分地膨胀，尽可能减少阴树脂留在罐底的机会。然后慢慢关闭CL－1001，维持CL－1002流量在24 m3／h，整个过程耗时约15 min。接着，缓慢调小CL－1002流量至12 m3／h，持续10 min，直至最后到4 m3／h，稳定反洗20 min。上述过程中阴、阳树脂逐步分离，均匀沉降，可达到理想的分离效果。这种可调流量的反洗控制，充分考虑到反洗开始时阴、阳树脂几乎完全混合的因素，采用大流量的反洗。随着阴树脂的上浮，阳树脂的沉降，呈现出一定的界面层时，降低反洗流速，可使树脂层平稳沉降，减少因过大的水流扰动而造成小颗粒的阳树脂被水流掺杂带入上部的阴树脂层中。因此，逐步降低流速就显得十分科学，也非常有效。
　　（3）利用混脂层实现阴、阳树脂的彻底分离，保证每套树脂总量平衡   
　　为了保证在SPT中实现分离后阴、阳树脂的单一性，在阴树脂送至ART，阳树脂送往CRT时，SPT内仍保留定量阴、阳树脂界面层的混合树脂HEELRESIN（也叫安全分离树脂）。阳树脂是从SPT底部送出的，所以合理控制混合树脂的量十分重要。如果送出的阳树脂量偏小了，等下一套树脂分离结束后，阴、阳树脂界面层就自然上移，而阴树脂出口管的位置是固定的，这就会使送至ART的阴树脂内夹有部分阳树脂，引起交叉污染。再生结束后，这部分阳树脂以RNa型存在，严重影响混床出水水质和运行周期。若用目测的方法判定输送终点，则有一定误差，在实际应用中也不现实。如用时间控制则因受输送时冲洗水泵出口的压力、流量等因素的影响，重现性不好。U．SFILTER公司精心设计，采用了超声波液位开关来控制保留树脂的体积。随着SPT下部的阳树脂不断送出，整个树脂层的高度也徐徐下降，当树脂层高度降低到液位计探头以下时，因为水和树脂的密度不同，液位开关动作，通过PLC自动关闭SPT底部的树脂出口阀，从而有效地保证了混合树脂的体积，也保证了每套树脂在再生前后总量的平衡，尽可能使高速混床内的阴、阳树脂体积比维持在设计值，消除由于阴、阳树脂比例和总量的变化引起运行参数的突变，为床体长期运行提供可靠的数据。
        （4）分离程序中设计了有效的二次分离步骤
　　在阴树脂送往ART后，阳树脂并没有直接送往CRT，而是在SPT内进行第二次水力分离。这一次反洗因为绝大多数阴树脂已经送出，所以腾出了更为广阔的分离空间，树脂膨胀率大大提高了，因此分离也就更完全和彻底。这一步骤进行的好坏，直接影响到再生好的整套树脂的使用周期。因为此时即使有少量的阴树脂被携带送往CRT，则在氨化运行后期，氯根提前释放的可能性也会大大增加，严重影响出水水质。
        （5）精益求精，细枝末节亦不放松
　　 在分离程序的设计上也有其独到之处。按照惯例，在树脂经压缩空气擦洗后，接下来就是反洗分层，可这里却有所不同。它先开启SPT底部小流量反洗进口阀进行注水，这样做的好处是尽量赶走吸附在树脂颗粒表面的气泡，以免树脂因附着气泡而变轻，在后续的反洗中被水流携带走，或被带到树脂上层，严重影响树脂的分离。另外，本系统的SPT顶部水帽的间隙较小，先注水赶走气泡也避免了水帽间隙被污堵后引起出水不畅的现象。
        在SPT中部阴树脂出口管路上，专门设计了一路用于冲洗的小口径管路。这是因为在进行反洗的过程中，总会有一部分阳树脂被冲出来，并沉积在阴树脂出口管上。它们会在后续的输送过程中被携带出去，送往ART，造成阴阳的交叉污染。基于此，在进行反洗时，定期地开启进水阀对树脂出口管进行冲洗，可有效地消除这部分阳树脂的干扰。
        合理设置SPT上的窥视孔。SPT自下而上设计了五个窥视孔，其中在顶部配水装置部位亦开有窥视孔，这有利于操作人员充分了解树脂的反洗分层情况，并在反洗初期尽可能地加大反洗强度，提高分离效果。

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在设备安装完毕的检查中，U．SFILTER专家发现SPT人孔门外突的部位在反洗时会成为死区，影响阴、阳树脂的分离。为此在现场加工了一个与人孔门尺寸相符的圆柱型不锈钢筒（高约200 mm），使筒的内壁和树脂分离塔内壁齐平，从而消除了阴、阳树脂分层的死区。

2．2优化树脂的酸、碱再生
        除了阴、阳树脂的有效分离外，与电厂一期工程的另外两套设备相比，U．SFILTER公司的产品还有一些设计独特、新颖的地方值得介绍，现以再生时进酸、碱的步骤为例：

　　（1）在进酸、碱，置换和随后的淋洗过程中，并不只是单纯地开启再生剂进口阀和底部排放阀，而是每隔300 s，就自动开启底部树脂出口阀5 s，对底部树脂进行反冲洗。这样做的优点是，避免了树脂被过度压实。经过定时地松动树脂层，可将再生和置换出来的杂质及时排出，消除了反离子对再生的影响，提高了离子交换的反应速度和再生度。

　　（2）进酸、进碱和置换完毕后，分别对阴阳树脂进行4～6次的空气擦洗。这是有别于一期工程另外两套再生系统的合理之处。因为在树脂分离和再生之前，虽经数次擦洗，粘附于树脂颗粒表面的污物也基本冲洗干净。但在用再生剂进行离子交换反应之后，树脂颗粒内部网孔中的杂质会向外扩散出来，由于静电吸引，重新集结于树脂表面。而通过转型后，树脂颗粒的体积已发生变化，吸附力也随之变小，此时再经过空气擦洗，则能更加有效地去除这部分杂质，清洁树脂，缩短后续水冲洗的时间。

　　（3）在空气擦洗结束，进行增压排水时，设计者考虑到有相当一部分树脂碎屑可能掉落在再生剂入口分配装置中，一则可能产生污堵，增大管路进口的压力；另外这部分杂质或碎屑也会被带入再生好的树脂中，直接影响再生效果。因此在增压排水时同时打开底部排水和中排阀，避免沉积在酸、碱分配装置上的杂质所造成的污堵。

　　（4）再生好的阴阳树脂在进行混脂前进行充分地淋洗，以免混脂时发生树脂的“混合污染”。所谓“混合污染”，是指一种树脂所携带的再生残液对另一种树脂造成的污染，如阳树脂所携带残余酸液的Cl－根可能会对阴树脂造成污染；阴树脂所携带残余碱液中的Na＋可能会对阳树脂造成污染。因此，在树脂混合前应进行充分的淋洗，控制淋洗结束时出水电导率小于10μs／cm，根据再生经验，混合前阴阳树脂淋洗较完全，可大大减少混合后淋洗的时间和用水量。
2．3树脂的充分混合和清洗
        树脂的混合与输送也直接影响到凝结水精处理装置的运行效果，由于阴阳树脂混合不匀而引起混床出水恶化的事例在我国凝结水精处理应用中已有很多。针对这个问题的设计中，这里也有一些独具匠心的地方，值得介绍。
        （1）在阴、阳树脂混合的步骤中，它并不是单纯地从底部进压缩空气搅拌，而是分为两步执行。首先在水位较高的情况下，开启罗茨风机，充分搅动树脂层，以求达到良好的混合效果。第二步为了避免高液位时进气搅拌结束后，树脂在沉降过程中产生二次分层，这里采用一边搅拌一边则开启CRT的中排阀，使液位缓慢降低。在水位下降的同时，混合良好的树脂层也沉积下来，避免了二次分层现象的产生。
        （2）待树脂充分沉降后，对CRT进行注水淋洗，如果设定时间到后淋洗出口导电度仍大于0．1μs／cm，可把CRT内树脂送至SPT内重新再生。
        （3）每次输送完毕后，专门设置了一个“CRT空床注水”的步骤。这样做的好处是能形成一个水垫层，以避免下一次树脂带压输送过程中，成块的树脂团直接落到筒底。一则对树脂起到良好的减震作用，消除了不必要的破碎损伤；另外，对设置在床体内部的酸、碱分配装置也起到了保护作用。
        （4）在送脂步骤的最后，从前后两个不同的方向对CRT出口管路内的树脂进行彻底冲洗，以确保不再出现因管段内留有死角或盲点造成树脂滞留，这也是以往长时间运行后造成每套树脂量不均衡的一个原因。


        （5）根据以往的调试、运行经验，即使在CRT内树脂混合、清洗效果都很好，但由于树脂从CRT送往混床的过程中没有控制好进水的时间和流量，使阴阳树脂在输送过程中出现二次分层，影响运行出水水质。这里采用先用压缩空气，再水气合送，最后CRT上下同时进水送脂，较好地解决了二次分层的问题。

3 设备运行情况
        北仑发电厂3、4号机组的精除盐设备在调试期间和电厂代保管后的运行过程中，系统运行参数稳定，出水质量完全符合设计要求。床体从投运初期的氢型运行转到氨化运行的全过程中，钠离子含量、阳导和二氧化硅都没有超标，周期制水量也远远高于1、2号机组，其性能是优越的。但同时必须做好设备的维护工作，如果混床尚未失效，而机组因故长期停运，在这种情况下，最好对尚未失效的树脂加以再生，以保护树脂免受悬浮物、细菌的侵蚀，并为下一次精除盐混床的投运作必要的准备。另外，再生时应注意破碎树脂颗粒、粉末的排放。细碎的树脂往往是造成树脂再生时污染的原因。如细碎的阳树脂漂浮在阴树脂层，将造成运行时床体漏钠。因运行床进出口差压高以及树脂输送时磨损等原因造成的树脂粉末，可以通过树脂在SPT内擦洗和反洗加以除去。


        （5）根据以往的调试、运行经验，即使在CRT内树脂混合、清洗效果都很好，但由于树脂从CRT送往混床的过程中没有控制好进水的时间和流量，使阴阳树脂在输送过程中出现二次分层，影响运行出水水质。这里采用先用压缩空气，再水气合送，最后CRT上下同时进水送脂，较好地解决了二次分层的问题。

3 设备运行情况
        北仑发电厂3、4号机组的精除盐设备在调试期间和电厂代保管后的运行过程中，系统运行参数稳定，出水质量完全符合设计要求。床体从投运初期的氢型运行转到氨化运行的全过程中，钠离子含量、阳导和二氧化硅都没有超标，周期制水量也远远高于1、2号机组，其性能是优越的。但同时必须做好设备的维护工作，如果混床尚未失效，而机组因故长期停运，在这种情况下，最好对尚未失效的树脂加以再生，以保护树脂免受悬浮物、细菌的侵蚀，并为下一次精除盐混床的投运作必要的准备。另外，再生时应注意破碎树脂颗粒、粉末的排放。细碎的树脂往往是造成树脂再生时污染的原因。如细碎的阳树脂漂浮在阴树脂层，将造成运行时床体漏钠。因运行床进出口差压高以及树脂输送时磨损等原因造成的树脂粉末，可以通过树脂在SPT内擦洗和反洗加以除去。


4 结束语
        一套比较成熟的设备都有其独到的设计思想和实施办法，U．SFILTER公司的这套凝结水精处理再生系统正是具备了这样的特点。在使用过程中，我们不时地发现有许多设计精巧，考虑周到的地方，对一期同类设备的运行有一定的指导意义。但也有需要改进的地方：如SPT内的超声波液位计探头在反洗过程中容易折断，应选取更合适的型号；再生程序设计上只能按固定的程序从上而下执行直至结束，显得欠灵活；各床底部均未设计手动树脂取样口，一旦出现树脂配比不均衡，很难重新倒匀等等，应在设计和使用的实践中不断地改进和完善。