交变电磁场在发电厂冷却水系统的应用数据和分析
杨晓宁付书明
山西阳光电厂化学工程师
摘要：随着国家对工业废水零排放要求的逐步落实，冷却水系统需要在保证阻垢、除垢的同时，尽可能地提高浓缩倍数、减少补水和排水，确保生产换热效率维持稳定且不能降低，这成为了各企业的当务之急。应用电磁场水处理技术，可以达到阻垢、除垢、杀菌、灭藻、缓蚀、除锈等效果，实现高效节能、绿色环保的目标。
关键词：交变电磁场;结晶造粒;冷却水除垢防垢;浓缩倍数;废水零排放;人工智能监控
山西阳光热电厂安装4台320MW发电机组，每台机有独立的冷却循环系统，双循环泵与凝汽器设置在汽轮机房内，系统设计循环流量约20000—35000m3/h。循环水系统为开式循环系统，补水为水库水、市政中水、地下水等多种水源。循环水系统采用传统的化学阻垢缓蚀剂、药剂，保证系统在无垢、低腐蚀状态下运行。因水质条件的限制，循环水浓缩倍数大多维持在4倍左右。随着国家对工业废水零排放要求的逐步落实，冷却水系统需要在满足除垢、防垢的同时，尽可能地提高浓缩倍数、减少补水和排水，确保生产换热效率维持稳定且不能降低，这成为了各企业的当务之急。
1、技改方案实施
发电机组的冷却循环水是厂区的主要用水系统。为了提高机组运行效率和贯彻节能减排、实现零排放的要求，采用物理技术替代原有化学法，对厂区的1号发电机组冷却水循环系统进行物理技术超低排放技术改造和试验。2020年8月初，在循环水泵出口支管上安装了两套电磁水处理设备，在辅机循环水进水管道上安装了三套电磁水处理设备。技改方案的电磁场水处理设备安装位置示意图如下所示：
图1
通过人工智能监控系统，在电厂集控中心对电磁水处理设备的工作状态和主要技术参数等进行实时监控。
交变电磁场技术通过电磁感应原理，可以改变水中带电荷物质的运动方式，从而在冷却循环水系统实现除垢防垢、物理絮凝、灭藻杀菌、抑制腐蚀等效果。[1]
2、发电机组冷却循环水系统运行数据分析
2.1水质数据
电磁场水处理设备自2020年8月安装调试投运之后，通过对水质数据和机组运行数据的跟踪和分析，确认电磁场作用的效果后开始做减排操作，浓缩倍数从技改前的4倍左右提升至6倍左右。试运行的三个月中，水质数据基本稳定，浓缩倍数维持在6~7倍。水质数据变化趋势图如下：
图2水质数据变化趋势图
从图2可以看出，技改后，冷却循环水浓缩倍数明显上升，同时水质的硬度和碱度也相应提升。
2.2发电机组运行数据
三个月中机组连续运行，1#发电机组的各项运行参数基本稳定，凝汽器端差和真空度维持在稳定范围内。机组运行数据曲线图如下：
图3机组运行数据曲线图
从运行参数曲线上可以看出，机组发电量基本稳定；真空的优化受水温影响比较明显，端差基本稳定。
2.3辅助观察胶球等表面
蓝色胶球：1#机组；红色胶球：3#机组；
借助于电子显微镜下观察对比2台凝汽器的胶球效果，1#机组和3#机组的胶球表面没有明显差异，也没有水垢结晶表现。
2.4循环水系统腐蚀的抑制作用
现场1号机技改方案实施后，对循环水中铁离子浓度进行跟踪检测和分析，如图4。技改后的初期，因系统内有微量的水垢（一般为混合垢），除垢阶段导致一定的铁离子析出于水中，铁离子浓度明显增加。除垢结束后，铁离子浓度明显下降。随着水质浓度的增加，循环水体中铁离子的含量趋于稳定。说明高频电磁场对循环水系统有抑制腐蚀的效果。
图4
3、技术原理
3.1防止换热器内部生成新的硬水垢
换热器内的水垢生成是一个复杂的结晶过程，水中致垢的主要物质是由钙和镁结晶形成的碳酸盐与硫酸盐，随着温度的升高，其溶解度降低。[2]一部分钙、镁结晶物质析出沉淀下来，附着在管道或换热壁上逐渐长大，成为附着力很强的晶体硬垢，主要成分是紧密的方解石晶格（中级晶族，三方晶系，晶格点群L33L23PC），电镜下的结构图见图6。
电磁水处理设备安装在管道的合适位置上，设备产生的高频电磁场在进入管道的过程中，由于金属管道趋肤效应的影响，只有部分的交变磁场作用于流动的水体，感应出交变电流，高频极化电流使电介质反复极化，促进正负离子或颗粒的相互碰撞，诱导形成更多数量的“离子缔合体”，就是我们所说的晶核。当换热器内部水温上升时，过饱和的碳酸钙离子团在晶核周围抱团，生成松软的文石晶格碳酸钙（低级晶族，正交晶系，晶格点群3L23PC），[3]电镜下的结构图见图7。这种晶体结构不易附着在管道或换热器的表面，从而阻止了硬水垢的生成。结晶物随水流出，通过旁滤系统或排污口排出，或在流速较慢的水池里沉淀下来，从而保证管道及换热器内壁无水垢附着
图4临界晶核大小与体系自由能之间的关系[4] 图5极化强度P与频率的关系[5]
图6方解石晶格的碳酸钙图7文石晶格的碳酸钙
3.2去除冷却水系统内已经结成的老垢
在阻止方解石碳酸钙硬水垢生长的同时，高频电磁场还可以清除原有的老垢。传统去除老垢的做法是采用化学酸洗，由于化学清洗不容易控制，容易造成对金属容器的腐蚀，或者出现清洗不彻底的状况。选择物理除垢，是对循环系统伤害最小，却又最彻底的方式，只是需要较长时间。
在高频电磁场的作用下，大水分子团破裂，自由化的水分子提高了水体的溶解度。同时，方解石晶格的老垢在磁场中获得足够的能量后变得不规则，有向文石转化的趋势，随着水体中的碳酸盐与硫酸盐的析出，硬垢转化成软垢随排污排走。
利用诱导结晶造粒实现冷却水的除垢、防垢，提高冷却水的浓缩倍数，进而帮助实现全厂废水零排放。[6]
3.3抑制腐蚀
循环水系统中的设备和管道的腐蚀机理较为复杂，一般通过投加化学缓蚀药剂对金属面进行覆膜保护，或采用阳极保护来控制腐蚀的发生。而在高频电磁场的作用下，涡旋磁场感应产生交变电场，散布在整个管道系统内的水体里，管壁、设备壁表面无法形成阴极区和阳极区，分别抑制了阳极过程和阴极过程，[7]达到了缓蚀的作用。
4、总结
在阳光热电厂1号发电机组冷却水系统采用高频电磁场技术运行期间，对于循环水系统提高了浓缩倍数，减少补水和排水，同时机组运行稳定。另外，借助于PBPD 人工智能运维系统，实时反馈高频电磁场技术系统的运行工况，进而完成机器学习和数据库积累，通过物联网远程监控手段使得系统运行更加安全可靠，有效保证了该系统的长期安全稳定运行。
后续本次试验的设备硬件和软件程序都将会升级到“MIA映射积分丰度”能量阈值运维监控系统，通过机器学习和数据库的更加丰富，迭代算法持续优化，人工智能介入会更加稳定，冷却水系统的运行也会更加安全可靠。
参考文献：
[1]金亚美.交变磁场对食品体系在开路和闭路状态下的影响研究[D].江南大学,2017.
[2]赖富国,高国华,肖燕飞,徐志峰.氯-硫酸盐体系下硫酸钙溶解度相图的研究进展[J].无机盐工业,2018,50(08):16-21.
[3]王建国,李松,黄俊峰,李红延.电磁场对换热表面CaCO3结垢行为及其形态影响的实验研究[J].化工学报,2013,64(10):3708-3713
[4]CrystallizationFourthEdition,J.W.Mullin,ISBN:978-0-7506-4833-2
[5]电磁通论/（英）麦克斯韦著；戈革译.—北京：北京大学出版社，2010.1（科学素养文库·科学元典丛书）ISBN978--301-16515-7
[6]孔垂鑫.交变电磁场抑垢机理实验研究[D].山东大学,2016.
[7]赵丹丹,曹顺安,陈东,申震.电解技术在循环冷却水处理中的应用研究进展[J].热力发电,2018,47(06):1-7.