基于树脂比例调整的精处理高速混床运行优化研究

张亚 

广东粤电靖海发电有限公司，广东揭阳522000

摘要：以靖海发电有限公司#3机组精处理高速混床树脂比例调整为例，对精处理再生阳塔中间排水装置进行改造，将阳、阴树脂体积比由2:3优化调整为3:2，并就精处理混床树脂比例调整前后开展相关试验，对精处理混床运行工况和再生步序提出进一步优化，满足现场无人值守的全自动运行方式的要求。通过上述优化，氢型混床周期制水量提高约50%，再生废水产生量降低约41 %，月度再生用盐酸量降低约22%，月度再生用液碱量降低约53%。

关键词：精处理高速混床、树脂比例调整、节能降耗、再生、周期制水量

0 引言

广东粤电靖海发电有限公司1000MW（#3机组）超超临界湿冷燃煤发电机组，设置1套凝结水精处理系统，由2台前置过滤器（按2×50%凝结水全容量处理设计）、4台混床和4台树脂捕捉器（按4×33.3%凝结水全容量处理设计）组成，并设1台出力为单台混床正常出力50～70%的再循环泵。凝结水精处理混床失效树脂采用体外分离 “高塔法”再生工艺，包括1台树脂分离塔、1台阴树脂再生塔、1台阳树脂再生塔兼储存塔。混床采用球形结构，树脂为美国罗门哈斯高强度大孔型均粒树脂，树脂层总高度为1200mm，阳阴树脂体积比为2：3。

高速混床是国内外应用最广泛的一种电厂凝结水精处理除盐设备，根据运行方式不同，可分为氢型混床和铵型混床。以混床入口水质含大量NH3及少量Na+、Cl-离子杂质为例，混床的离子交换方式：

氢型混床：    RH + NH3 RNH4

RH + Na+ RNa+ H+

ROH + Cl- RCl + OH-

H+  + OH- H2O

铵型混床：    RNH4 + Na+ RNa+ NH4+

ROH + Cl- RCl + OH-

NH4+ + OH- NH3 + H2O

两种型式相比，氢型混床产水水质更好，有效降低机组发生腐蚀、结垢和积盐的风险，我国大部分电厂的高速混床都按氢型运行，尤其在超(超)临界机组中，要求混床必须按照氢型运行[1] 。由于混床阳阴树脂体积比仅为2：3，混床氢型运行周期短、再生频繁，因此需对凝结水精处理混床树脂比例进行调整和优化。

1精处理混床树脂比例调整优化

1.1精处理再生阳塔中排装置改造

通过对凝结水水质的分析，为达到提高混床氢型周期制水量比改造前增加50%的目的，需将混床树脂比例由原来的阳：阴=2：3调整为阳：阴=3：2，每套混床采用增加阳树脂的量的形式，即掏出一定阴树脂，装填部分阳树脂，调整最佳混床树脂总量，达到增加精处理混床的周期水量，减少树脂再生次数的目的。

由于树脂比例更改后，原阳塔中排装置已不能满足阳树脂再生要求，阳塔内径为DN2500，阳阴树脂总量为10m3，未调整前阳树脂量为4m3，阴树脂量为6m3，调整为阳树脂6m3，阴树脂为4m3，因此阳塔树脂需要再生完全，需保证进酸时阳树脂界面低于进酸中排管，因此需将阳塔原中排装置上移1m。本次改造更换阳塔中间排水装置并按树脂调整方案向上移动中排位置，配套管道改造，包含阳塔中间排水装置开孔、抱箍、支撑更换并做衬胶防腐；新增分离塔窥视镜安装，配套阴树脂输送管道移位。

图1 阳塔再生塔兼储存罐

1.2精处理新补充阳树脂性能检验

凝胶型树脂的孔径小，交联度低，抵抗树脂“再生——失效”反复转型膨胀和收缩而产生的渗透应力较差，因而易破碎。大孔型树脂的孔径大，交联度高，抗膨胀和收缩能力强，因而不易破碎。［1］当混床高流速运行时，树脂要经受较大的水流压力，如机械强度不足以抵抗所受压力时就会破碎，因此用于高速混床的树脂一定要有高的机械强度。本项目采用罗门哈斯2800大孔型阳树脂，树脂经取样检验，性能达到精处理树脂要求［2］。

表1阳树脂检测结果

检验项目	单位	钠型验收技术指标	检验结果
		001MBP
体积交换容量	mmol/mL	≥1.90	1.948
湿视密度	g/mL	0.77～0. 87	0.782
湿真密度	g/mL	1.250～1.290	1.253
有效粒径	mm	0.550mm～0.800mm	0.685
均一系数	/	≤1.30	1.25
粒度	%	0.500~1.250mm≥95.0	100
		<0.500mm≤1.0	0
渗磨圆球率	%	≥90.00	98.71

1.3精处理混床树脂比例调整

分别对分离塔树脂以及3A混床、3B混床树脂、3C混床树脂、3D混床树脂进行调整。

表2调整后树脂量及比例（不包括混脂层）

设备名称	添加阳树脂量m3	阳树脂总量m3	减少阴树脂量m3	阴树脂总量m3	树脂比例 阳：阴
分离塔	1.8	5.4	1.7	3.6	3：2
3A混床	1.9	5.4	1.8	3.6	3：2
3B混床	1.9	5.4	1.8	3.6	3：2
3C混床	1.8	5.4	1.7	3.6	3：2
3D混床	1.9	5.4	1.8	3.6	3：2

2精处理再生步序优化调整

离子交换树脂的再生、置换、清洗是凝结水混床工作过程中的重要环节，直接影响着混床的出水质量和自用水率，因此合理的再生步序及再生时间将是保证混订的出水质量以及操作人员的工作量的重要保证。

［3］由于调整了精处理混床的树脂比例，因此对#3机精处理系统的再生步序进行优化调整。

2.1高速混床树脂送入与送出程序优化

表3树脂送入与送出程序

树脂送入
序号	步  骤	时间（分钟）	设置值	备注
1	混床气力输入树脂	20.0		维持阳罐顶部空气室，树指被压送到混床
2	阳罐气/水力输送树脂	2.0	40m3/h	阳罐下部进水松动树脂以利输送
3	阳罐淋洗，树脂传送	3.0	40m3/h	阳罐上下同时进水，以保证罐内树脂被输送彻底
4	管道双向冲洗 混床进水、阳罐充水	2.0	100m3/h	管道被双向冲洗，而且混床也注进水直到排气管溢出，液位开关动作为止，给阳罐充满水。液位开关动作，为下一个步序作准备
5	二次混脂等待	0
6	混床放水	10.0		放水至混床树脂界面以上约200mm
7	二次混脂	1.0
8	混床快速排水	1.0
9	混床满水	8.0	40m3/h	至混床液位开关动作为止
10	混床升压备用	2.0	≤0.15MPa	进水母管的压力和混床进水管的压力差值必须小于0.15 MPa *2
注：第5～9步，根据现场运行实际情况，如果第一送入树脂出现分层，则可选择执行。如果混脂效果很好，则跳过此步序。
树脂送出
序号	步  骤	时间（分钟）	设置值	备注
1	混床卸压	2.0	＜0.1MPa	压力必须降到低于设定值
2	混床气力输出树脂	27.0		维持混床顶部空气室，树指被压送到分离罐
3	混床气/水力输送树脂	25.0	40m3/h；0.3MPa	顶部进水并维持其空气室，继续输送脂
4	混床排水，管道双向冲洗	5.0	40m3/h	混床放水，同时管道双向冲洗

2.2高速混床失效树脂在分离罐被分离并送出程序优化

表4失效树脂在分离罐被分离并送出程序

序号	步  骤	时间（分钟）	设置值	备注
1	分离罐充水	8.0	60m3/h	直至液位开关动作为止。
2	分离罐压力排水	8.6	0.3Mpa	液面降至树脂面上方300MM左右
3	卸压	1.6
4	分离罐空气擦洗*7	5.0	0.08MPa	解决树脂抱球，除去部分渣渍，以利分离。
5	分离罐反洗进水	15.0	100 m3/h
6	分离罐压力排水	1.5	0.3Mpa	排水至树脂面
7	分离罐上部冲洗	2.0	60 m3/h
8	一次分离一	10.0		具体的流量分配以及各阀门的定时在调试中确定,操作员必须在现场观察树脂的分离效果，A0LDP11AA008阀门，300秒脉冲5秒一次
9	一次分离二	15.0
10	一次分离三	18.0
11	一次分离四	11.0
12	一次分离五	3.0
13	等待输出	0		人工确认执行
	分离罐中阳树脂送至阳罐		30 m3/h	至分度罐中阴树脂界面降至阴树脂输出口停止
14	分离罐中阴树脂输送至阴罐	15.0	30m3/h
15	二次分离等待	0
16	二次分离1	8.0		人工检查输送后分层效果，若发生界面乱层则按第7、8步执行，分层结束等待输出，然后人工确认执行第12步；若检查分层界面清晰无乱层，则人工确认执行第12步。
17	二次分离2	18.0
18	二次分离3	13.0
19	二次分离4	9.0
20	阳树脂输出等待	0
21	阳树脂送CRT	18.0	30 m3/h	当界面检测器发出信号或设定时间结束时，该步结束
22	管路冲洗	3.0	30 m3/h	8.
23	阴塔充水	0.8	60 m3/h
24	阳塔充水	5.0	60 m3/h

2.3高速混床失效阴树脂再生程序优化

表5失效阴树脂再生程序

序号	步  骤	时间（分钟）	设置值	备注
1	阴罐充水	8.0	60 m3/h 10m3/h	至液位开关动作,
2	顶压排水	4.2	0.3Mpa	液位至中排上方以刚好无压缩空气从中排排出为设定时间
3	卸压	0.8
4	空气擦洗*8	3.0	0.08MPa
5	水力反洗	6.0	30 m3/h
6	增压	1.0	0.3Mpa
7*10	气力冲洗	0.8
8	阴罐充水	8.0	60 m3/h 10m3/h	至液位开关动作。
9	等待进碱	0
10	阴罐进碱	50	10 m3/h	300秒脉冲5秒一次，两只脉冲动作的阀门，动作的时间错开30秒。
11	置换	70	10 m3/h	300秒脉冲5秒一次，两只脉冲动作的阀门，动作的时间错开30秒。
12	快速漂洗	15	50 m3/h	300秒脉冲5秒一次，两只脉冲动作的阀门，动作的时间错开30秒。
13	二次擦洗等待	0
14	阴罐充水	8.0	60 m3/h	至液位开关动作，
15	顶压排水	4.2	0.3Mpa	液位至中排上方以刚好无压缩空气从中排排出为设定时间
16	卸压	0.8
17	空气擦洗	2.5	0.08MPa
18	水力反洗	6.0	30 m3/h
19	阴罐增压	1.0	0.3Mpa
20	气力冲洗	0.8
21	阴罐充水	8.0	60 m3/h	至液位开关动作。
22	最终漂洗等待	0
23	最终漂洗	20.0
24	管路调整	0.1

2.4高速混床失效阳树脂再生程序优化

表6失效阳树脂再生程序

序号	步  骤	时间（分钟）	设置值	备注
1	阳罐充水	8.0	60 m 3/h 12m3/h	至液位开关动作
2	顶压排水	4.0	0.3Mpa	液位至中排上方以刚好无压缩空气从中排排出为设定时间
3	泄压	0.8
4	空气擦洗	3.0	0.08MPa
5	水力反洗	6.0	40 m3/h
6	增压	1.2	0.3Mpa
7	气力反洗	1.3	0.3Mpa
8	阳罐充水	8.0	60 m3/h 12m3/h	至液位开关动作,
9	等待进酸	0
10	阳罐进酸	70.0	12 m3/h / 10 m3/h	300秒脉冲5秒一次，两只脉冲动作的阀门，动作的时间错开30秒。
11	置换	50.0	12 m3/h / 10 m3/h	300秒脉冲5秒一次，两只脉冲动作的阀门，动作的时间错开30秒。
12	快速漂洗	15.0	60m3/h / 50 m3/h	300秒脉冲5秒一次，两只脉冲动作的阀门，动作的时间错开30秒。
13	二次擦洗等待	0
14	阳罐充水	8.0	60 m3/h	至液位开关动作，
15	顶压排水	4.0	0.3Mpa	液位至中排上方以刚好无压缩空气从中排排出为设定时间
16	卸压	0.8
17	空气擦洗	2.5	0.08MPa
18	水力反洗	6.0	30 m3/h
19	阳罐增压	1.2	0.3Mpa
20	气力冲洗	1.3
21	阳罐充水	8.0	60 m3/h	至液位开关动作
22	最终漂洗等待	0
23	最终漂洗	20.0
24	管路调整	0.1

3应用效果

3.1#3机树脂调整后混床运行水质

树脂比例调整后各台混床运行水质良好，满足GB/T 12145-2016《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》要求。［4］

表7高速混床运行水质分析

设备名称	样品名称	检测结果
		PH	电导率	铜	铁	钠	硅	硫酸根
			μS /cm	μg /L	μg /L	μg /L	μg /L	μg /L
3A混床	运行初期水样	6.60	0.60	1.00	2.30	<1.0	11.00	<1.0
	运行中期水样	7.76	0.30	2.00	<1.0	<1.0	13.00	<1.0
	运行末期水样	6.49	0.60	<1.0	<1.0	<1.0	7.00	<1.0
3B混床	运行初期水样	6.80	0.60	1.00	<1.0	<1.0	8.00	<1.0
	运行中期水样	7.16	0.80	<1.0	<1.0	<1.0	4.00	<1.0
	运行末期水样	6.03	0.50	<1.0	<1.0	<1.0	6.00	<1.0
3C混床	运行初期水样	6.80	0.60	1.00	<1.0	<1.0	8.00	<1.0
	运行中期水样	7.16	0.80	<1.0	<1.0	<1.0	4.00	<1.0
	运行末期水样	6.03	0.50	<1.0	<1.0	<1.0	6.00	<1.0
3D混床	运行初期水样	6.80	0.60	1.00	<1.0	<1.0	8.00	<1.0
	运行中期水样	7.16	0.80	<1.0	<1.0	<1.0	4.00	<1.0
	运行末期水样	6.03	0.50	<1.0	<1.0	<1.0	6.00	<1.0

3.2 #3机树脂调整后周期制水量对比

表8周期制水量统计

序号	混床号	树脂调整前（m3）	树脂调整后（m3）	提升比例（%）
1	A	100000	155000	55.0
2	B	60000	93000	55.0
3	C	92000	155000	68.5
4	D	82000	135000	64.6

3.3 #3机树脂比例调整后再生用水量变化

3.3.1树脂比例调整前后每套再生用水量统计

表9 每套树脂再生用水量

序号	步骤	用水量（T）	备注
1	混床树脂输出	20
2	混床树脂输入	7.46
3	树脂擦洗分离	187.7	擦洗分离次数7次
4	阴树脂送阴塔	3.5
5	阳树脂送阳塔	2.5
6	阴塔树脂擦洗	8.83	擦洗次数1次
7	阳塔树脂擦洗	10.17	擦洗次数1次
8	阴树脂进碱再生	32.5
9	阳树脂进酸再生	32.5
10	阴树脂二次擦洗	15.83	擦洗次数3次
11	阳树脂二次擦洗	17.17	擦洗次数3次
12	树脂漂洗	40
13	阴树脂送阳塔	6.53
14	树脂混合及最终漂洗	16
	合计	400.69

3.3.2树脂调整前后每月再生用水量对比

表10每月再生用水量

树脂调整前		树脂调整后
再生次数 （次/月）	再生用水量 （T/月）	再生次数 （次/月）	再生用水量 （T/月）
12	4808.28	7	2804.83

根据以上统计表，树脂调整后，每月可以减少废水量2004吨，精处理再生废水产生量降低了41.7%。

3.4再生用酸碱量变化

表11 树脂调整前后每月再生用酸碱量

	树脂调整前	树脂调整后
再生次数（次/月）	12	7
单次用盐酸量（T）	1.5	2.0
每月再生用盐酸量（T/月）	18	14
单次用液碱量（T）	1.5	1.2
每月再生用液碱量（T/月）	18	8.4

根据以上统计表，盐酸每月使用量下降22.2%，年减少盐酸使用量48吨，液碱每月使用量下降53.3%，年减少液碱使用量115吨。

3.5树脂比例调整后离子交换能力的评估

在凝汽器没有泄漏的情况下（凝结水的氢电导率小于0.2μS /cm），氢型混床的运行周期取决于混床的通水量、凝结水中的含氨量和混床内装填阳树脂的体积。

3.5.1阳树脂工作交换容量的计算

式中：

ZQ——运行周期，h；

VR——阳树脂体积，m3；

ER——阳树脂的工作交换容量，mol/m3树脂；

qV——本周期内，每小时平均制水量，m3/h；

CNH3——本周期内，凝结水中NH3的平均含量，mmol/L。

表12各高速混床阳树脂工作交换容量

序号	混床号	ZQ（h）	VR（m3）	qV （m3/h）	CNH3 （mmol/L）	ER （mol/m3树脂）
1	A	234	5.4	662	0.023	1922
2	B	141	5.4	657	0.025	1149
3	C	231	5.4	672	0.026	1926
4	D	198	5.4	681	0.025	1672

3.5.2氢型混床运行状态评估

氢型混床的阳树脂工作交换容量应为1750 mol/m3树脂~2000 mol/m3树脂。若计算值明显小于此数值，在排除树脂本身存在的问题后，则可确定该混床存在设备或运行方面的问题，经比较，3号机B、D混床可能存在设备方面的问题，建议对混床内部构件，如进、出水布水装置（如水帽）等进行检查，如布水装置有树脂进入导致堵塞等，均会影响混床布水的均匀性，造成偏流或树脂分层，从而引起混床周期制水量降低；其他2台混床状态正常。

3.5.3阳树脂再生度

测定阳再生塔置换阶段排出的废再生液中的氢离子浓度和钠离子浓度，根据下式计算出再生塔内阳树脂的再生度。［5］

式中——钠型树脂的选择性系数，一般可取1.5；

——再生后氢型树脂占阳树脂总量的百分数；

——再生废液中的氢离子浓度，mol/L；

——再生废液中的钠离子浓度，mol/L。

表13各高速混床阳树脂再生度

序号	混床号	再生废液中的氢离子浓度[H+]（mol/L）	再生废液中的钠离子浓度[Na+]（mol/L）	阳树脂再生度
1	A	0.1479	0.1005	98.1%
2	B	0.1263	0.0863	97.6%
3	C	0.1816	0.1236	98.0%
4	D	0.1993	0.1358	97.8%
5	备用树脂	0.1395	0.0959	97.0%

3.5.4阴树脂再生度

测定阴再生塔置换阶段排出的废再生液中的氢氧根离子浓度和氯离子浓度，根据下式计算再生塔内阴树脂的再生度。

式中——氯型树脂的选择性系统，一般取11.1；

——再生后氢氧型树脂占全部阴树脂总量的百分数；

——再生废液中的氢氧根离子浓度，mol/L；

——再生废液中的氯离子浓度，mol/L。

表14各高速混床阴树脂再生度

序号	混床号	再生废液中的氢氧根离子浓度[H+]（mol/L）	再生废液中的氯离子浓度[Na+]（mol/L）	阴树脂再生度%
1	A	0.4979	0.0525	85.4%
2	B	0.5226	0.0537	87.7%
3	C	0.4483	0.0473	85.4%
4	D	0.5376	0.0570	85.0%
5	备用树脂	0.5912	0.0622	85.6%

4结论

（1） 通过对精处理再生树脂比例调整，混床内阳、阴树脂体积比由以前的2：3调整为3：2，经过试运行，混床运行正常，出水水质达到机组水质要求。

（2） 混床制水周期明显提升，A、B、C、D混床分别提升了55.0%、55.0%、68.5%、64.6%，达到预期目标。

（3） 通过对精处理系统改造，年节约除盐水用量24048吨，减少废水排放量24048吨。

（4） 通过对精处理系统改造，盐酸每月使用量下降22.2%，年减少盐酸使用量48吨，液碱每月使用量下降53.3%，年减少液碱使用量115吨。

（5） 通过对再生运行方式调整优化，精处理再生水平满足运行要求。

参考文献：

［1］李培元.火力发电厂水处理及水质控制[ M] .北京:中国电力出版社,2008 .

［2］DL/T 333.1-2010,火电厂凝结水精处理系统技术要求 第1部分：湿冷机组[S] .

［3］和慧勇,田文华,贾予平,等.凝结水精处理运行优化技术在1000MW机组上的应用[J].热力发电,2014,43(12):110-113 .

［4］GB/T 12145-2016,火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量[S] .

［5］韩隶传,李志刚.凝结水精处理混床机理和应用研究[J].中国电力, 2007,40(12):90-93 .