1000 MW超超臨界機(jī)組水化學(xué)工況及運(yùn)行探討

郭新茹，何鐵祥

(湖南省電力公司試驗(yàn)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

1 引言

超超臨界火電機(jī)組已取得良好的運(yùn)行業(yè)績(jī)，其可用率、可靠性、運(yùn)行靈活性和機(jī)組壽命等方面已可以和亞臨界機(jī)組相媲美，具有顯著的節(jié)能和改善環(huán)境的效果。國(guó)外投運(yùn)的1000 MW超超臨界機(jī)組主要分布在德國(guó)、日本、丹麥、美國(guó)等國(guó)家。國(guó)內(nèi)在建和投入運(yùn)行的超超臨界1000 MW機(jī)組已超過30臺(tái)，主要分布在江浙廣東等地，機(jī)組參數(shù)主要如表1。

表1 國(guó)內(nèi)1000 MW超超臨界機(jī)組參數(shù)

從表1可以看出，國(guó)內(nèi)主要的3家生產(chǎn)鍋爐和汽輪機(jī)廠家1000 MW超超臨界機(jī)組參數(shù)比較相近。根據(jù)已經(jīng)運(yùn)行的1000 MW機(jī)組經(jīng)驗(yàn)，由于壓力和溫度進(jìn)一步提高，水質(zhì)控制是運(yùn)行好超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵，文中主要針對(duì)1000 MW超超臨界機(jī)組的化學(xué)工況、設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及運(yùn)行進(jìn)行探討。

2 超超臨界機(jī)組的化學(xué)工況

在超臨界參數(shù)條件下，蒸汽具備和水同樣的溶解特性，各種鹽、酸、堿和金屬腐蝕產(chǎn)物等物質(zhì)在蒸汽中的溶解度隨蒸汽參數(shù)不同而不同，可以從μg級(jí)上升到mg級(jí)。由圖1和圖2可以看出，壓力越高蒸汽的溶解攜帶能力就越強(qiáng)，這些常見物質(zhì)在過熱蒸汽狀態(tài)下的溶解度隨壓力降低或質(zhì)量體積增加而迅速地降低，隨著蒸汽做功膨脹，蒸汽的溶解能力下降，這些溶解在蒸汽中的物質(zhì)就會(huì)隨著蒸汽的轉(zhuǎn)移而不斷析出，或沉淀或溶解，由于蒸汽的溶解度較高，有時(shí)甚至能將先前析出的結(jié)晶重新溶解，隨后又在降溫處析出，逐漸沉積在后續(xù)設(shè)備的不同部位，從而加劇機(jī)組蒸汽通流部分潛在的金屬腐蝕問題。在超超臨界條件下，由于壓力、溫度進(jìn)一步提高，鹽類在蒸汽中的溶解度進(jìn)一步增大，發(fā)生沉積的危險(xiǎn)增大。丹麥曾在運(yùn)行的超超臨界機(jī)組的水冷壁蒸發(fā)段上部、再熱器、汽輪機(jī)葉片以及高壓加熱器的汽側(cè)發(fā)現(xiàn)有沉積物，沉積物的主要成分為鈉鹽，陰離子為硫酸根。因此，超超臨界參數(shù)機(jī)組的水質(zhì)控制應(yīng)該比超臨界機(jī)組更嚴(yán)格〔1〕。表2為徐州彭城電廠三期工程 (上汽西門子和上汽阿爾斯通推薦)1000 MW超超臨界機(jī)組的給水及主蒸汽品質(zhì)要求。

圖1 典型汽輪機(jī)蒸汽條件下雜質(zhì)在過熱蒸汽中的溶解度〔2〕

圖2 不同蒸汽質(zhì)量體積條件下雜質(zhì)在汽輪機(jī)的沉積特性〔2〕

表2 徐州彭城電廠三期工程超超臨界給水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3 超超臨界機(jī)組的化學(xué)水處理系統(tǒng)

3.1 補(bǔ)給水處理

1000 MW超超臨界機(jī)組大多是一次中間再熱直流鍋爐，直流爐所有給水一次性加熱全部變成蒸汽，給水的水質(zhì)和蒸汽質(zhì)量一致。雖然對(duì)鍋爐給水水質(zhì)進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，但是給水中仍然存在微量溶解鹽、膠體以及溶解性氣體等各種雜質(zhì)。在凝汽器無泄漏的情況下，鍋爐給水中主要的雜質(zhì)來源于補(bǔ)給水系統(tǒng)以及爐前系統(tǒng)金屬的腐蝕。表3為徐州彭城電廠三期工程 (上汽西門子和上汽阿爾斯通推薦)1000 MW超超臨界機(jī)組的補(bǔ)給水水質(zhì)要求。

表3 徐州彭城電廠三期工程1000 MW超超臨界機(jī)組補(bǔ)給水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

表4 典型1000 MW超超臨界機(jī)組補(bǔ)給水處理工藝

從表4可以看出，幾個(gè)典型的1000 MW機(jī)組電廠中超濾+反滲透基本是作為除鹽的主要組成單元。從實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，通過超濾+反滲透后，水中的硅、鹽分和有機(jī)物大大降低，從運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)來講是目前理想的預(yù)脫鹽方式。除鹽系統(tǒng)主要是離子交換和電除鹽 (EDI)，離子交換經(jīng)過幾十年的運(yùn)行技術(shù)已經(jīng)非常成熟，出水穩(wěn)定，水質(zhì)好，但是缺點(diǎn)是占地面積大。EDI作為新型的除鹽技術(shù)，主要用于制備超純水，技術(shù)主要掌握在美國(guó)的Ionpure，GE，Omexell等幾個(gè)主要的公司，由于造價(jià)高，在國(guó)內(nèi)的電力系統(tǒng)沒有廣泛的推廣應(yīng)用。

徐州彭城電廠三期工程超濾系統(tǒng)凈出力為2×95 m3/h，反滲透預(yù)脫鹽系統(tǒng)出力為2×75 m3/h，正常4套超濾、2套反滲透同時(shí)運(yùn)行;一級(jí)除鹽加混床系統(tǒng)為2×150 m3/h，正常情況下一系列運(yùn)行，一系列再生備用，額定出力流量為130 m3/h。

徐州彭城電廠三期工程的補(bǔ)給水系統(tǒng)自運(yùn)行以來，出水水質(zhì)穩(wěn)定，超濾的產(chǎn)水率為90%，反滲透產(chǎn)水率為80%，一級(jí)除鹽系統(tǒng)周期制水超過80 000 m3，混床出水能夠完全滿足上汽的推薦標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 凝結(jié)水處理

表5為徐州彭城電廠三期工程1000 MW超超臨界機(jī)組的凝結(jié)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從表可以看出超超臨界機(jī)組處理后凝結(jié)水出水水質(zhì)比超臨界更加嚴(yán)格，出水電導(dǎo)提高到 0.1 μs/cm。

表5 徐州彭城電廠三期工程1000 MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

表6 1000 MW超超臨界機(jī)組的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)置

從表6可以看出，國(guó)內(nèi)幾個(gè)典型的1000 MW機(jī)組電廠設(shè)計(jì)都采用了前置過濾器+高速混床的系統(tǒng)，前置過濾器不設(shè)備用，混床設(shè)置1臺(tái)備用。對(duì)于超超臨界機(jī)組混床以氫型方式運(yùn)行，達(dá)到超臨界機(jī)組精處理出水水質(zhì)純度指標(biāo)的期望值即:氫電導(dǎo)率≤0.10 μs/cm，二氧化硅≤5 μg/L，鈉≤1 μg/L，氯離子≤1 μg/L，幾乎所有分離再生方式都能滿足。但是當(dāng)混床以銨型方式運(yùn)行時(shí)，達(dá)到鈉≤1 μg/L，氯離子≤1 μg/L，就必須保證混床中鈉型陽樹脂和氯型陰樹脂的比例降至非常低的數(shù)值，另外陰陽樹脂的再生水平是氫型方式的2倍，從國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)的玉環(huán)電廠與泰州電廠的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)高塔法明顯優(yōu)于錐斗法。

3.3 化學(xué)加藥

3.3.1 加藥系統(tǒng)概況

1000 MW超超臨界機(jī)組基本上每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1套加氨裝置，2臺(tái)機(jī)組設(shè)1套閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)加聯(lián)氨裝置，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1套加氧系統(tǒng)。

3.3.2 OT 工況運(yùn)行探討

加氧系統(tǒng)的氧氣貯存系統(tǒng)采用帶自動(dòng)切換裝置的2組鋼瓶，加氧點(diǎn)設(shè)在凝結(jié)水精處理出口和給水泵吸入口，凝結(jié)水精處理裝置出口加氧根據(jù)除氧器出口的氧含量和凝結(jié)水流量進(jìn)行自動(dòng)控制，加氧速率以維持凝結(jié)水中溶解氧的含量在30～150 μg/L之間。

根據(jù)給水處理規(guī)定，當(dāng)機(jī)組為無銅系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用氧化性全揮發(fā)處理AVT(O)方式;如果給水氫電導(dǎo)率小0.15 μs/cm，且精處理系統(tǒng)正常運(yùn)行，宜轉(zhuǎn)為加氧處理OT方式。國(guó)內(nèi)外一致的做法是超超臨界直流爐正常運(yùn)行給水采用聯(lián)合工況即加氨、加氧處理。

目前國(guó)內(nèi)的1000 MW超超臨界機(jī)組的加氧還處于摸索階段，相關(guān)的文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)還不是很豐富，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的超臨界的OT實(shí)施狀況，對(duì)超超臨界的加氧處理做以下的分析和探討。

至于AVT與OT的切換，超臨界機(jī)組主要根據(jù)給水的氫電導(dǎo)率達(dá)到0.15 μs/cm并呈下降趨勢(shì)時(shí)，可轉(zhuǎn)為OT。根據(jù)加氧的鈍化機(jī)理，機(jī)組加氧初始階段，增加加氧量，使給水中達(dá)到高溶解氧量，使主蒸汽中的氧量上升到30 μg/L以上，不僅可以盡快地形成鈍化膜，還可以降低水中鐵的濃度，因?yàn)樵谀さ男纬善谛枰难趿扛唷?/p>

多數(shù)機(jī)組除氧器在運(yùn)行時(shí)關(guān)閉除氧器排氣門，除氧器作加熱器使用。而在1000 MW超超臨界機(jī)組正常工況時(shí)除氧器排汽門可保持微開或定期開啟，以平衡氧量，避免其它不凝結(jié)氣體的集聚。實(shí)施OT中除氧器排氣控制方式應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)情況確定，以避免由于機(jī)組負(fù)荷變化，氧及其它不凝結(jié)氣體的集聚而使給水氧量出現(xiàn)波動(dòng)過大的現(xiàn)象。1000 MW機(jī)組OT工況下，給水的電導(dǎo)率控制應(yīng)在小于0.1 μs/cm，此時(shí)說明給水氯化物含量極低，一般不擔(dān)心碳鋼產(chǎn)生氯化物引起的局部腐蝕問題，但在停運(yùn)條件下，則有可能因供氧不均勻產(chǎn)生局部腐蝕。高合金鋼和不銹鋼在含氯化物及溶解氧的高溫高壓水中，會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，在高純水中即使不含氯化物，而溶解氧濃度超過一定值，敏化的不銹鋼也會(huì)產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂。在采用OT方式運(yùn)行時(shí)，水汽回路氧含量不高，一般不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。

俄專家經(jīng)過6年左右加氧處理總結(jié)和研究認(rèn)為，給水含氧量的質(zhì)量濃度為50 μg/L已有較快的致鈍化速度，可在48 h內(nèi)使鍋爐金屬全面進(jìn)入鈍態(tài)。所以目前國(guó)內(nèi)外推薦加氧量50 μg/L。

因?yàn)榻o水加氧可以使金屬表面形成一層致密的溶解度極低的三價(jià)氧化鐵保護(hù)膜，使金屬進(jìn)入鈍化區(qū)，阻止金屬發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕，降低給水含鐵量、爐管的結(jié)垢速率、鍋爐整體運(yùn)行阻力以及鍋爐的清洗頻率，從而提高鍋爐效率。國(guó)外的超臨界和超超臨界機(jī)組多采用OT工況，但是國(guó)內(nèi)很多機(jī)組并沒有使用，主要原因可能是國(guó)外機(jī)組金屬材質(zhì)好，整體的穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)。

3.4 水汽取樣系統(tǒng)

汽水取樣系統(tǒng)沿襲超臨界的配置，每臺(tái)機(jī)組1套。由于超超臨界機(jī)組的水汽質(zhì)量嚴(yán)格，盡可能用化學(xué)儀表控制，并設(shè)置控制值和報(bào)警值。所選用的化學(xué)檢測(cè)儀表除常規(guī)的以外，徐州彭城電廠三期工程還增加了測(cè)定蒸汽中含氫量的氫表。一般控制主蒸汽的含氫量在2～10 μg/kg的范圍〔4〕。1000 MW超超臨界機(jī)組取樣系統(tǒng)應(yīng)該重視提高取樣的代表性和樣品測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

超超臨界機(jī)組是我國(guó)近年來確定的火電機(jī)組主要發(fā)展方向，目前雖然在建和運(yùn)行的1000 MW機(jī)組已經(jīng)超過30臺(tái)，但是由于起步較晚，尚無長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和案例可循。通過充分總結(jié)和研究國(guó)?內(nèi)超超臨界機(jī)組技術(shù)，不斷提高我國(guó)超超臨界機(jī)組的運(yùn)行水平，使我國(guó)化學(xué)水處理技術(shù)上一個(gè)新臺(tái)階。

〔1〕汪德良，李志剛，柯于進(jìn)，等.超超臨界參數(shù)機(jī)組的水汽品質(zhì)控制〔J〕.北京:中國(guó)電力，2005，8(8):57-61.

〔2〕KIRK R E，OTHMER D F.Encyclopedia of chemical technology〔M〕.John Wiley＆Sons.Inc.

〔3〕柯于進(jìn)，陳戎，常旭紅，等.我國(guó)超臨界機(jī)組凝結(jié)水精處理運(yùn)行方式及出水水質(zhì)研究〔C〕.凝結(jié)水處理技術(shù)研討會(huì)論文集.2008.11.

〔4〕王華.超超臨界機(jī)組水化學(xué)工況和設(shè)計(jì)探討〔C〕.火電機(jī)組技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二屆年會(huì)論文集.2006.10.