發(fā)電機(jī)組給水加氧處理技術(shù)研究

申震

摘 要：本文針對(duì)發(fā)電廠給水全揮發(fā)處理機(jī)組普遍存在的給水系統(tǒng)流動(dòng)加速腐蝕嚴(yán)重、鍋爐結(jié)垢速率高、鍋爐壓差升高較快、凝結(jié)水精處理混床運(yùn)行周期短和汽輪機(jī)積鹽快等問(wèn)題，通過(guò)機(jī)理分析、理論計(jì)算、實(shí)例分析等方法闡述了給水加氧處理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，提出給水全揮發(fā)處理機(jī)組在有條件的情況下進(jìn)行給水加氧轉(zhuǎn)化的必要性。

關(guān)鍵詞：給水處理;全揮發(fā)處理;加氧處理;腐蝕;結(jié)垢

中圖分類號(hào)：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）31-0123-03

Study on Oxygenation Treatment Technology for Feed Water of Generator Set

SHEN Zhen

（China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co.， Ltd. Huazhong Branch， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Aiming at the common problems of feed water system flow accelerated corrosion， high scaling rate of boiler， fast rise of boiler pressure difference， short operation period of condensate refined treatment mixing bed and fast salt accumulation of steam turbine in power plant， this paper expounded feed water by means of mechanism analysis， theoretical calculation and example analysis. Combining with the technical and economic advantages of oxygen treatment and the requirements of current standards， the necessity of oxygen conversion of feed water by total volatilization treatment unit under conditional conditions was put forward.

Keywords： water supply;total volatilization;oxygenation;corrosion;scaling

發(fā)電機(jī)組給水全揮發(fā)處理通過(guò)在給水中加氨，并且進(jìn)行熱力除氧的方式改變水汽品質(zhì)，緩解水汽系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢、積鹽等問(wèn)題。由于其不發(fā)生局部濃縮和“隱藏”現(xiàn)象而被廣泛應(yīng)用[1]。但是，隨著鍋爐參數(shù)不斷提高，以下幾方面問(wèn)題仍未得到有效解決：①給水管道流動(dòng)加速腐蝕嚴(yán)重，造成管壁減薄甚至發(fā)生泄露事故[2，3];②鍋爐管道（特別是水冷壁）結(jié)垢速率高，鍋爐壓差上升速度快，酸洗頻繁，水冷壁受熱面（尤其是向火側(cè)）爆管事故時(shí)有發(fā)生;③凝結(jié)水精處理混床失效快，再生頻率高，給運(yùn)行人員增加了很多工作量，同時(shí)產(chǎn)生大量的再生廢液;④汽輪機(jī)葉片仍有積鹽現(xiàn)象。這些問(wèn)題威脅著機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。研究發(fā)現(xiàn)，氧在水中具有雙重作用，在給水水質(zhì)不良的情況下，氧能促進(jìn)金屬腐蝕，但在高純水中，氧能使金屬表面形成保護(hù)膜，抑制金屬腐蝕。實(shí)踐證明，給水加氧處理是解決上述問(wèn)題的有效方法。

1 給水系統(tǒng)流動(dòng)加速腐蝕問(wèn)題

給水全揮發(fā)處理時(shí)，鋼鐵在水中發(fā)生腐蝕，水作為氧化劑將鐵氧化成高價(jià)離子或氧化物。根據(jù)Fe-H2O體系的電位-pH圖，提高給水pH值有利于使金屬進(jìn)入鈍化區(qū)，形成鈍化膜，在一定程度上減緩金屬的腐蝕，給水全揮發(fā)處理要求給水pH值為9.2～9.6，有利于在金屬表面形成鈍化膜。由于水的氧化能力有限，與鐵的反應(yīng)只能生成Fe3O4，反應(yīng)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)如下。

分步反應(yīng)：

Fe-2e=Fe2+? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

2H2O+4e =2OH-+H2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

Fe2++2OH-=Fe（OH）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

3Fe（OH）2=Fe3O4+2H2O+H2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

總反應(yīng)：

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

不同溫度條件下，由于反應(yīng)速度不同，所形成的Fe3O4膜結(jié)構(gòu)也不完全相同，或形成單層或形成雙層，但多為疏松多孔結(jié)構(gòu)，附著力差，當(dāng)局部水流動(dòng)條件惡化時(shí)，F(xiàn)e3O4膜受水流沖刷而脫落。目前，無(wú)論是汽包爐還是直流爐，給水全揮發(fā)處理工況下給水仍然含有微量溶解氧（ppb級(jí)）存在。在此條件下，局部水流動(dòng)條件惡化的盤(pán)管彎頭等處將不斷生成新的Fe3O4膜，并不斷被沖刷而脫落，從而發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕[2，3]，管壁逐漸減薄甚至發(fā)生泄漏。

黃興德等人研究了溫度對(duì)給水管道流動(dòng)加速腐蝕的影響。研究表明，對(duì)于單相流，溫度為130～200℃時(shí)，內(nèi)管道流動(dòng)加速腐蝕最嚴(yán)重;對(duì)于兩相流，溫度為180～210℃時(shí)，內(nèi)管道流動(dòng)加速腐蝕最嚴(yán)重。根據(jù)給水及抽汽在各級(jí)加熱器中的溫度分布情況，給水溫度為130～200℃時(shí)，加熱器為除氧器至3號(hào)高壓加熱器;疏水溫度為180～210℃時(shí)，加熱器為3號(hào)高壓加熱器，因此給水系統(tǒng)3號(hào)高壓加熱器流動(dòng)加速腐蝕最為嚴(yán)重。

給水加氧處理?xiàng)l件下，由于不斷向金屬表面均勻供氧，通過(guò)Fe3O4層微通道中擴(kuò)散出來(lái)的Fe2+被氧化為Fe2O3 ，反應(yīng)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)為：

4Fe2++O2+4H2O=2Fe2O3+8H+? ? ? ? ? ? ? ? （6）

從Fe-H2O體系電位-pH圖可知，在流動(dòng)的高純水中添加適量氧，可以使碳鋼表面發(fā)生極化，提高碳鋼的電極電位。通過(guò)式（6）反應(yīng)生成一層Fe2O3氧化膜，沉積在Fe3O4層表面的孔隙和溝槽中，F(xiàn)e2O3氧化膜溶解度遠(yuǎn)低于Fe3O4[1]，且更為致密平整、附著力更強(qiáng)，提升了耐水流沖刷性能，從而抑制了流動(dòng)加速腐蝕。

給水加氧處理要求給水溶解氧含量控制在10～150μg/L，當(dāng)氧化膜發(fā)生破損時(shí)，水中溶解氧可通過(guò)式（6）反應(yīng)迅速修復(fù)氧化膜[1]。

2 鍋爐結(jié)垢問(wèn)題

Fe3O4膜具有較大的溶解度，給水全揮發(fā)處理時(shí)，給水系統(tǒng)Fe3O4的溶解和部分管道流動(dòng)加速腐蝕共同導(dǎo)致給水含鐵量升高，鐵及其氧化物以垢的形式沉積并附著在熱負(fù)荷較高的省煤器、水冷壁管處，在水流作用下生成表面粗糙的波紋狀垢層。該類垢層除降低鍋爐受熱面的傳熱效率外，還增加了流體阻力，造成鍋爐壓差不斷上升。此外，鐵氧化沉積物下水流不暢，容易引起局部濃縮，形成高濃度酸堿，發(fā)生酸堿腐蝕，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)爆管事故。

表1列舉了部分采用給水全揮發(fā)處理機(jī)組的水冷壁結(jié)垢情況。從表1可知，以下采用給水全揮發(fā)處理的機(jī)組水冷壁結(jié)垢速率均在100g/（m2·a）左右，高于標(biāo)準(zhǔn)40g/（m2·a）的要求。

某超臨界機(jī)組給水全揮發(fā)處理?xiàng)l件下運(yùn)行兩年多后，鍋爐整體壓降上升0.47MPa。其中，高壓加熱器和省煤器壓降基本沒(méi)有改變，水冷壁和過(guò)熱器壓降分別上升0.33MPa和0.16MPa，約占鍋爐整體壓降上升的70%和30%。

給水加氧處理使流動(dòng)加速腐蝕受到抑制，同時(shí)所形成的Fe2O3膜溶解度遠(yuǎn)低于Fe3O4膜。這兩方面原因使給水含鐵量降低，鍋爐受熱面沉積速率降低，鍋爐管道傳熱效率得到提高。此外，減少了水冷壁進(jìn)口節(jié)流孔、高加疏水調(diào)節(jié)閥結(jié)垢堵塞的現(xiàn)象，提高了鍋爐運(yùn)行的安全性。

表2列舉了部分采用給水加氧處理機(jī)組的水冷壁結(jié)垢情況。從表2可知，以下采用給水加氧處理的機(jī)組水冷壁結(jié)垢速率均在40g/（m2·a）及以下，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

某超臨界機(jī)組給水加氧處理工況下運(yùn)行一年多后，鍋爐整體壓降上升0.06MPa，各換熱器壓降基本沒(méi)有發(fā)生變化。

3 精處理混床運(yùn)行周期問(wèn)題

凝結(jié)水精處理混床氫型運(yùn)行時(shí)，混床樹(shù)脂主要消耗于水汽系統(tǒng)調(diào)節(jié)pH值加入的氨。pH控制值越高，加氨量越大，混床消耗越快，周期制水量越小;pH控制值越低，加氨量越小，混床消耗越慢，周期制水量越大。根據(jù)氨水電離平衡、水的電離平衡及電荷平衡關(guān)系近似處理后，可得到給水pH控制值與理論加氨量的關(guān)系。

目前，我國(guó)600MW、1 000MW級(jí)別超臨界機(jī)組精處理多采用容積為7m3和8m3的球形混床。其中，陰、陽(yáng)樹(shù)脂比例約為1∶1。600MW、1 000MW級(jí)別超臨界機(jī)組蒸發(fā)量大約為2 000m3/h和3 000m3/h，按照回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量30%計(jì)算，凝結(jié)水流量分別為1 400m3/h和2 100m3/h。根據(jù)計(jì)算，全揮發(fā)處理工況下給水pH要求范圍內(nèi)加氨量為29.8～127.9μmol/L;pH取9.4時(shí)加氨量為60.2μmol/L;加氧處理工況下給水pH要求范圍內(nèi)加氨量為3.7～42.1μmol/L;pH取8.9時(shí)，加氨量為11.4μmol/L。對(duì)給水兩種處理方式下凝結(jié)水精處理混床周期制水量及運(yùn)行周期的計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)功率及調(diào)度情況呈現(xiàn)出規(guī)律性波動(dòng)，機(jī)組蒸發(fā)量及凝結(jié)水流量不可能始終保持額定流量，混床運(yùn)行周期將大于上表中的計(jì)算結(jié)果。此外，凝結(jié)水中除氨之外，還含有其他雜質(zhì)離子，真實(shí)周期制水量將會(huì)略低于表中計(jì)算值。從總體來(lái)看，給水加氧處理相比于給水全揮發(fā)處理，精處理混床周期制水量和運(yùn)行周期將增大數(shù)倍。

4 汽輪機(jī)積鹽問(wèn)題

給水全揮發(fā)處理工況下，給水系統(tǒng)流動(dòng)加速腐蝕及腐蝕產(chǎn)物的溶解使給水中雜質(zhì)含量較高，直流鍋爐給水雜質(zhì)將全部進(jìn)入蒸汽，并最終在汽輪機(jī)葉片上沉積下來(lái)，這是汽輪機(jī)積鹽的主要來(lái)源。給水加氧處理減少了給水系統(tǒng)流動(dòng)加速腐蝕及腐蝕產(chǎn)物的溶解，從而改善了給水品質(zhì)。此外，減少了藥劑的投加，減少了雜質(zhì)的引入，使給水品質(zhì)能長(zhǎng)期維持在較高水平，作為下游區(qū)域的蒸汽品質(zhì)同時(shí)得到提升，汽輪機(jī)積鹽將得到有效控制。

5 經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益

給水加氧處理不僅解決了全揮發(fā)處理未解決的問(wèn)題，同時(shí)給機(jī)組帶來(lái)以下經(jīng)濟(jì)效益：①加氧處理降低了鍋爐結(jié)垢速率，延長(zhǎng)了鍋爐的酸洗間隔，節(jié)約了化學(xué)清洗費(fèi)用、酸洗廢液處理費(fèi)用和由于酸洗造成的發(fā)電小時(shí)減少的損失;②加氧處理減少了機(jī)組氨、聯(lián)氨、磷酸鹽等藥品的消耗費(fèi)用;③加氧處理后，給水pH控制值降低，加氨量降低，從而延長(zhǎng)了凝結(jié)水精處理混床運(yùn)行周期，節(jié)約了再生過(guò)程中電耗、再生酸堿的用量、壓縮空氣用量及除鹽水消耗量，減少了再生酸堿廢液量;④對(duì)于汽包鍋爐，加氧處理后，給水、爐水品質(zhì)得到改善，將減少連排和定排造成的熱損失和工質(zhì)損失;⑤加氧處理除氧器將處于微開(kāi)狀態(tài)，減少除氧器排汽熱損失;⑥加氧處理有利于降低鍋爐結(jié)垢速率，減緩鍋爐壓差的升高，從而降低直流鍋爐給水泵動(dòng)力消耗。

6 討論

目前，超臨界機(jī)組普遍采用給水加氧處理，而亞臨界機(jī)組較少采用，原因有如下幾點(diǎn)：①亞臨界機(jī)組多為汽包爐，超臨界機(jī)組均為直流爐，兩者采用加氧處理對(duì)水質(zhì)的要求基本相同，而汽包爐有爐水濃縮問(wèn)題，需要嚴(yán)格控制爐水電導(dǎo)率和溶解氧含量，爐水水質(zhì)相比直流爐給水水質(zhì)更難控制;②亞臨界汽包爐化學(xué)清洗垢量要求大于250g/m2，直流爐化學(xué)清洗垢量要求大于200g/m2，與直流爐相比，亞臨界汽包爐化學(xué)清洗垢量要求更為寬松，采用給水全揮發(fā)處理仍可滿足鍋爐化學(xué)清洗對(duì)垢量的要求;③對(duì)比不同機(jī)組3號(hào)高壓加熱器給水及抽汽溫度分布情況可知，與亞臨界機(jī)組相比，超臨界機(jī)組3號(hào)高壓加熱器給水及抽汽溫度均較高，流動(dòng)加速腐蝕風(fēng)險(xiǎn)更高;④亞臨界機(jī)組給水流速普遍低于超臨界機(jī)組，給水系統(tǒng)流動(dòng)加速腐蝕沒(méi)有直流爐嚴(yán)重，對(duì)流動(dòng)加速腐蝕控制沒(méi)有直流爐迫切。

7 結(jié)論

給水加氧處理改變了鋼鐵在水中形成的鈍化膜，從根本上解決了給水系統(tǒng)流動(dòng)加速腐蝕嚴(yán)重、水冷壁結(jié)垢速率快、凝結(jié)水精處理運(yùn)行周期短及汽輪機(jī)積鹽快等問(wèn)題。給水加氧處理是目前解決超臨界發(fā)電機(jī)組水汽系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢、積鹽問(wèn)題最有效的方法。此外，隨著亞臨界機(jī)組化學(xué)清洗垢量要求和水汽品質(zhì)要求不斷提高，繼續(xù)采用給水全揮發(fā)處理將面臨鍋爐酸洗頻率加快，水汽品質(zhì)難以控制等問(wèn)題。因此，目前以給水全揮發(fā)處理為主要處理方式的亞臨界機(jī)組應(yīng)糾正觀念，充分了解給水加氧技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，滿足條件的亞臨界機(jī)組應(yīng)盡早轉(zhuǎn)換為給水加氧處理。

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