超臨界火電機(jī)組水化學(xué)工況特性分析

黃　靜

(廣州粵能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣東　廣州　510080)

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超臨界火電機(jī)組水化學(xué)工況特性分析

黃靜

(廣州粵能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣東廣州510080)

對(duì)超臨界機(jī)組的三種水工況進(jìn)行了比較。從三種水工況條件下形成的保護(hù)性氧化膜特征分析，發(fā)現(xiàn)在氧化性水工況條件下，鋼形成的保護(hù)膜耐水沖刷，OT(Oxygenated treatment)水工況下系統(tǒng)的結(jié)垢和積鹽量大大減少，氧化皮在過(guò)熱器、再熱器的沉積少，延長(zhǎng)了精處理運(yùn)行周期，減少了凝結(jié)水中鐵的含量，因此OT水工況是超臨界鍋爐最佳的水工況。機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)，需要先進(jìn)行AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment)水工況運(yùn)行，再轉(zhuǎn)化為OT水工況，以確保機(jī)組安全運(yùn)行OT水工況。

水工況；AVT(R)；AVT(O)；OT

超臨界火電機(jī)組是我國(guó)火電機(jī)組發(fā)展的趨勢(shì)。發(fā)展超臨界及超超臨界火電機(jī)組，機(jī)組的參數(shù)等級(jí)及容量等級(jí)是超臨界機(jī)組進(jìn)一步發(fā)展需要探討的問(wèn)題[1]。蒸汽參數(shù)的提高，機(jī)組的效率增大，對(duì)蒸汽品質(zhì)的要求越高，對(duì)給水要求的品質(zhì)也越高[2]。影響蒸汽品質(zhì)主要有爐管表面狀態(tài)、給水品質(zhì)等，而不同水工況可以減輕爐管表面狀態(tài)的劣化，提高給水品質(zhì)。超臨界給水處理方式有三種，分別是AVT(R)、AVT(O)、OT。這三種給水處理方式各自存在優(yōu)缺點(diǎn)。

1　超臨界給水處理方式的優(yōu)化

1.1三種水工況簡(jiǎn)介

AVT(R)(Reducing all-volatile treatment)是指采用氨和除氧劑(如N2H4)聯(lián)合處理，此時(shí)給水的氧化還原電位(ORP)通常<-200 mV，適用于水汽系統(tǒng)嚴(yán)密的有銅系統(tǒng)。氨具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，隨著爐管升溫和爐水濃縮，氨逐漸揮發(fā)，并被蒸汽攜帶，因此不會(huì)局部濃縮為濃堿造成堿蝕，不會(huì)使?fàn)t水的含鹽量增加；不會(huì)出現(xiàn)鹽類隱藏現(xiàn)象[3]。在AVT(R)水工況下，給水系統(tǒng)的局部在水流條件惡化時(shí)易發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕(FAC)，加速鍋爐腐蝕和結(jié)垢的速率[4]。AVT(R)水處理工況下的鍋爐在首年的水冷壁結(jié)垢速率要大于正常運(yùn)行，且汽輪機(jī)積鹽現(xiàn)象明顯，鹽類成分復(fù)雜，其中Fe、Cu、Na、Mn的鹽垢主要源于運(yùn)行期，P、Ca等成分雜質(zhì)源于基建期。

AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment)是只加氨但不加除氧劑，氧化還原電位在0～+80 mV左右，適用于水汽系統(tǒng)嚴(yán)密的高純給水系統(tǒng)。在氧化性水工況環(huán)境下，鋼鐵的表面易形成和維持一層致密的更耐蝕的Fe2O3/Fe3O4氧化膜，以此減輕金屬的腐蝕速度[5]。AVT(O)處理時(shí)，機(jī)組負(fù)荷變化對(duì)水汽品質(zhì)沒(méi)有明顯的影響。

OT(Oxygenated treatment)，此時(shí)加氨和氧，氧化還原電位通常>+100 mV[6]，適用于水汽系統(tǒng)嚴(yán)密，具備加氧條件的高純給水全鐵系合金系統(tǒng)。OT工況減少了系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物遷移，降低了鍋爐的壓損，延長(zhǎng)了凝結(jié)水精處理的運(yùn)行周期，延長(zhǎng)了鍋爐的化學(xué)清洗周期，減輕了凝汽器中銅的腐蝕。采用OT水工況時(shí)，鋼表面會(huì)形成致密的α-Fe2O3，F(xiàn)eOOH，將充填外層的Fe3O4的間隙并覆蓋在其表面上，耐水流的沖擊[6]。

1.2三種水工況的對(duì)比

我國(guó)超臨界機(jī)組最初給水處理方式都采用AVT水工況，在AVT工況下機(jī)組運(yùn)行時(shí)不同程度的出現(xiàn)了這些問(wèn)題：給水中鐵濃度較高；鍋爐爐管的結(jié)垢速率快；鍋爐的運(yùn)行壓差上升速度快；鍋爐清洗頻率高；部分水相的節(jié)流調(diào)節(jié)閥結(jié)垢嚴(yán)重，難調(diào)節(jié)；由于流動(dòng)加速腐蝕導(dǎo)致高壓加熱器和省煤器管發(fā)生破損引起泄漏；汽機(jī)易結(jié)垢、結(jié)鹽；凝結(jié)水精處理再生頻率高等。將三種水工況的對(duì)比如下[3,7]：

(1)化學(xué)清洗間隔：AVT(R)每年進(jìn)行兩次化學(xué)清洗；加氧后，4年無(wú)需進(jìn)行化學(xué)清洗；

(2)氨蝕：AVT(R)水汽系統(tǒng)中含銅部件易出現(xiàn)氨蝕，AVT(O)和OT較難出現(xiàn)氨蝕；

(3)給水氫電導(dǎo)率：AVT(O)小于AVT(R)；

(4)飽和蒸汽氫電導(dǎo)率：AVT(O)與AVT(R)相當(dāng)；

(5)爐水中鐵含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(6)飽和蒸汽中鐵含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(7)給水中鐵含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(8)省煤器管內(nèi)垢量：基本相同；

(9)水冷壁管內(nèi)垢量：AVT(O)小于AVT(R)；

(10)結(jié)垢成分： AVT(R)水工況的還原性較強(qiáng)，OT水工況的氧化性較強(qiáng)，AVT(O)水工況處于兩者之間。因此AVT(R)條件下鋼鐵表面形成的氧化物為致密性較差的磁性鐵垢，且氧化物中Fe2+產(chǎn)物具有一定的溶解度；在OT工況下氧化鐵化合物(FeOOH)在金屬表面及其內(nèi)部的細(xì)孔覆蓋及填充，形成致密的磁性鐵垢且溶解度低；AVT(O)工況下金屬表面的磁性鐵垢致密性介于兩者之間；

(11)水冷壁管狀態(tài)：AVT(R)氧化膜呈波紋狀，AVT(O)管壁平滑。

從上述的對(duì)比來(lái)看，OT水工況是最佳的水處理方式，AVT(O)次之，而AVT(R)水工況相對(duì)其他兩種水工況，產(chǎn)生的腐蝕和結(jié)垢要多。超臨界機(jī)組對(duì)水的純度要求高，采用加氧處理，氧在高純度水中可以將金屬材料鈍化，降低了給水中鐵含量并抑制了爐前系統(tǒng)(特別是鍋爐省煤器人口管和高壓加熱器管的流動(dòng)加速情況下)腐蝕(flow accelerated corrosion，簡(jiǎn)稱FAC)，降低水冷壁管氧化鐵的沉積速率和延長(zhǎng)化學(xué)清洗周期[8]。

1.3AVT水工況轉(zhuǎn)換成OT水工況的優(yōu)勢(shì)

將AVT改成OT處理后，能將給水指標(biāo)控制在非常好的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的鐵含量將有一定幅度的下降；OT水工況解決了AVT水工況下節(jié)流孔被磁性Fe3O4堵塞的問(wèn)題，機(jī)組在正常檢修時(shí)不需要進(jìn)行特別清理；采用OT后，省煤器管和水冷壁管的結(jié)垢速率大大的下降，鍋爐化學(xué)清洗周期可延長(zhǎng)至10年以上；AVT工況運(yùn)行時(shí)的鍋爐的壓差上升速率較快，采用OT運(yùn)行后壓差隨著鍋爐持續(xù)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，在接近鍋爐的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓差時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定；OT工況下，給水pH值控制在8.5左右，給水中氨含量在60 μg/L左右，可提高凝結(jié)水精處理混床的工作環(huán)境，也降低了混床中陽(yáng)樹(shù)脂的負(fù)擔(dān)，使混床的處理效果提高并其使其運(yùn)行周期延長(zhǎng)了3～7倍。

在AVT(R)水工況條件下，由Fe3O4內(nèi)層和疏松多孔的Fe3O4外延層構(gòu)成的雙層Fe3O4氧化膜在鋼鐵表面形成。當(dāng)局部水流動(dòng)條件惡化時(shí)，由于疏松的外延層不耐水沖擊，脫落后形成氧化皮，導(dǎo)致管道的故障。AVT(O)水工況下，鋼鐵的表面易形成和維持一層致密的更耐蝕的不易脫落的Fe2O3/Fe3O4氧化膜，減緩了金屬的腐蝕速度[9]。OT水工況時(shí)，鋼鐵表面會(huì)形成致密的α-Fe2O3，F(xiàn)eOOH，將充填外層的Fe3O4的間隙并覆蓋在其表面上。

1.4機(jī)組給水處理方式的優(yōu)化

國(guó)內(nèi)外超臨界機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)告訴我們，OT是超臨界機(jī)組的最佳水處理方式。直流鍋爐采用OT能有效地防止給水系統(tǒng)水流加速腐蝕(FAC)、減少鍋爐受熱面結(jié)垢，延長(zhǎng)鍋爐化學(xué)清洗周期。機(jī)組在運(yùn)行初期，一般不具備實(shí)施加氧處理(OT)的條件，若采用氨+聯(lián)氨的還原性全揮發(fā)處理(即AVT(R))，會(huì)出現(xiàn)給水含鐵量偏高的現(xiàn)象。而AVT(O)處理時(shí)給水含鐵量遠(yuǎn)低于AVT(R)處理時(shí)的含量，因此可將AVT(O)作為這一過(guò)渡階段的給水處理方式，以彌補(bǔ)還原性處理的不足。

1.5給水加氧條件

給水加氧首要條件為：全鐵系合金系統(tǒng)，已酸洗或水冷壁結(jié)垢量小于200 g/m2；精處理后的凝結(jié)水，在精處理混床出口的電導(dǎo)率小于0.15 μS/cm，省煤器入口給水氫電導(dǎo)率小于0.15 μS/cm。此外兩種不同的加氧處理也存在的差別。

(1)AVT(O)處理的水質(zhì)控制

① pH值的控制：給水pH值越高，磁性氧化鐵垢的溶解度越低，因此pH控制在9.0～9.6；

② 氫電導(dǎo)率的控制：嚴(yán)格控制小于0.2 μS/cm，最好小于0.15 μS/cm；

③ 氧含量的控制：省煤器入口的氧含量≤10 μg/L。

(2)OT處理時(shí)水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

OT處理時(shí)，水汽質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)[10]如表1所示。

表1　OT水處理水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Table 1　qualitative criteria of water and steam for Water treatmen

為防止水質(zhì)惡化，系統(tǒng)中的氧將導(dǎo)致腐蝕加劇，需要隨時(shí)在線監(jiān)測(cè)水汽質(zhì)量。

1.6機(jī)組加氧期間的設(shè)備運(yùn)行與監(jiān)督

機(jī)組加氧運(yùn)行期間，運(yùn)行和監(jiān)督主要是控制氫電導(dǎo)率和氧濃度[8]：

(1)氫電導(dǎo)率的控制

給水的氫電導(dǎo)率是限制 AVT(O)轉(zhuǎn)化為OT水工況的最重要因素。在加氧的初期，機(jī)組的給水指標(biāo)控制在AVT水工況的范圍內(nèi)，機(jī)組的化學(xué)水工況穩(wěn)定(即給水的氫電導(dǎo)率恢復(fù)到小于0.15 μS/cm)后將給水的pH由9.2～9.6逐步降低至8.5～9.0。

(2)氧濃度的控制

系統(tǒng)氧質(zhì)量濃度可以依據(jù)省煤器進(jìn)口水的氫電導(dǎo)率進(jìn)行的控制。在轉(zhuǎn)換初始，可以加大氧的投入量，控制在0.15～0.3 mg/L。在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，給水的氫電導(dǎo)率大于0.15 μS/cm時(shí)應(yīng)該降低氧的注入濃度；直到氫電導(dǎo)率低于這個(gè)限值時(shí)，方可以繼續(xù)增加氧的注入濃度。

1.7故障處理

因OT水工況對(duì)水質(zhì)要求很嚴(yán)格，在運(yùn)行過(guò)程中，水質(zhì)因泄露、腐蝕、水質(zhì)不格等原因都會(huì)造成腐蝕加劇，因此需要采取應(yīng)對(duì)措施。水質(zhì)異常時(shí)的處理措施如表2所示。

表2　水質(zhì)異常時(shí)處理措施Table 2　treatment measures for abnormal water quality

2　結(jié)　論

氧化性水工況條件下，鋼在超臨界條件下形成的保護(hù)膜耐水沖刷，減少了FAC的發(fā)生，OT水工況對(duì)水質(zhì)的嚴(yán)格要求使系統(tǒng)的結(jié)垢和積鹽量大大減少，氧化皮的沉積減少，延長(zhǎng)了精處理運(yùn)行周期，減少了凝結(jié)水中鐵的含量，因此OT水工況是超臨界鍋爐最佳的水工況。機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)，需要先進(jìn)行AVT(O)水工況運(yùn)行，再轉(zhuǎn)化為OT水工況，以確保機(jī)組安全運(yùn)行OT水工況，OT水工況條件下需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水汽指標(biāo)，防止水汽不合格而加速系統(tǒng)的腐蝕。

[1]寧鵬達(dá).我國(guó)工業(yè)低碳化發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)狀及創(chuàng)新研究[J].中國(guó)軟科學(xué),2011(S2):94-99.

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Water Operation Conditions Characterization Analysis of Supercritical Thermal Power Plant

HUANG Jing

(Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510080, China)

Three water operation conditions in supercritical power plant were compared in this work. The protective oxide film characterizations at each of the three water operation conditions were analyzed. The results showed that the protective film on steel was water-erosion-resistant in supercritical condition at oxidizing operation conditions, OT (Oxygenated treatment) condition had so strict water quality requirement that fouling and salt deposition in system were greatly reduced, oxide scale in superheater and repeater deposition rate was decreased, the condensate polishing system running cycle was prolonged, the iron content in condensed water was reduced. So OT condition was optimal condition for supercritical boiler. When startup, AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment) operation condition was the first operated condition and then should be transformed with OT condition, to ensure the safe operation of boiler.

water operation conditions; AVT(R); AVT(O); OT

黃靜(1986-)，女，碩士，主要從事電力環(huán)境保護(hù)工作。

TM621.8

A

1001-9677(2016)09-0160-03