超臨界機組給水加氧改進與實施

寧巨勇，劉海玲，邵俊彪

(中電神頭發(fā)電有限責任公司，山西 朔州 036011)

0 引言

中電神頭發(fā)電有限責任公司（以下簡稱“公司”） 2×600 MW超臨界機組采用一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、間接空冷、雙背壓抽凝式DKY4-4ND33G型汽輪機，變壓直流、一次再熱、平衡通風、緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、前后墻對沖燃燒方式、全懸吊結構Π型鍋爐。1號、2號機組分別于2013年6月18日3:00和9月21日13:45完成168 h試運行。168 h試運行后實行給水揮發(fā)性處理AVT（all volatile treatment），2017年6月停止加聯(lián)氨，給水進行氧化性全揮發(fā)處理 AVT（O）（all volatile treatment oxidation）。鍋爐給水加氧處理是目前解決超（超）臨界鍋爐受熱面結垢和汽輪機通流部件沉積、腐蝕的先進處理工藝，也是大型火力發(fā)電機組實現(xiàn)節(jié)能降耗的有效措施之一[1-2]。根據(jù)國內(nèi)外有關電廠的運行經(jīng)驗，給水采用加氧處理可以解決直流鍋爐給水含鐵量較高、水冷壁管結垢速率偏大、鍋爐壓差上升過快以及水冷壁節(jié)流孔氧化鐵堵塞等問題[3-4]。

給水全保護加氧技術是指在除氧器出口、凝結水精處理出口和高加疏水入口3點低濃度加氧，蒸汽側零溶解氧，形成并動態(tài)修復氧化膜（Fe2O3）以實現(xiàn)對給水管道的鈍化保護作用[5]。增加的高加疏水加氧可以有效防止給水管段流動加速腐蝕FAC（flow accelerated corrosion） 問題，對防止氧化皮產(chǎn)生具有較好的保護作用[6]。

1 機組給水處理運行現(xiàn)狀及存在的問題

168 h試運行后實行給水AVT，2017年6月停止加聯(lián)氨，給水進行氧化性AVT，2017年凝結水精處理運行周期、制水量、再生使用的酸堿量、氨水使用量、再生用除鹽水量如表1所示。

表1 凝結水精處理運行情況統(tǒng)計表

2 機組給水處理改進措施

2.1 機組給水加氧系統(tǒng)改造

2.1.1 對機組現(xiàn)給水處理加藥系統(tǒng)進行改造

機組初期設計時給水加氨、加氧系統(tǒng)如圖1所示，2018年1月開始對機組加氧裝置進行改造安裝（舊的拆除），改造后設備參數(shù)及系統(tǒng)如圖2所示。

2.1.2 給水加氧的目的

圖1 機組現(xiàn)給水處理加氨、加氧系統(tǒng)圖

圖2 機組加氧裝置改造后設備參數(shù)及系統(tǒng)圖

由于覆蓋在金屬表面的金屬氧化物、氫氧化物或者不溶性鹽類的保護作用使得金屬的溶解受到阻滯，因而金屬的腐蝕速度降得很低，這一區(qū)域被稱為鈍化區(qū)[7]。金屬在這一區(qū)域是否腐蝕，不單純決定于金屬生成的固體化合物的熱力學穩(wěn)定性，還與這些化合物是否能在金屬表面上生成黏附性好、無孔隙、連續(xù)的膜有關。若能生成這樣的膜，則可防止金屬本身與溶液間的接觸，保護金屬不被腐蝕；若生成的膜是多孔性的，則保護作用就可能不完全。鈍化不意味著完全不發(fā)生腐蝕[8]。

熱力系統(tǒng)水中的氧具有雙重作用，它既是陰極去極化劑，又是陽極鈍化劑。當氧起陰極去極化劑作用時，氧含量增加，鐵的腐蝕速度上升[9]；當氧起鈍化劑作用時，氧的存在是降低腐蝕速度的，在水的純度達到一定要求后，一定濃度的氧能使碳鋼表面形成均勻致密的三氧化二鐵+磁性四氧化三鐵雙層結構的保護膜，從而抑制給水、疏水系統(tǒng)碳鋼及低合金鋼設備因水的流動而加速腐蝕[10]。

2.1.3 熱力系統(tǒng)加氧方式

熱力系統(tǒng)加氧點為3點：凝結水精處理出口母管1點（精處理出口后，凝水加藥點附近）；除氧器出口下水管1點（除氧器出口后，給水前置泵入口前，給水加藥點附近）；高加疏水側1點。

2.2 給水加氧系統(tǒng)的調(diào)試

2018年5月12日開始調(diào)試，情況如下。

2.2.1 機組給水氧化性全揮發(fā)處理AVT（O） 運行工況下的水質查定

2018年5月12日—14日，機組給水處理方式為AVT（O）方式，控制除氧器入口電導率設定值為5.0～6.5 μS/cm（微西門子），測定方法根據(jù)GB/T 6908—2008《鍋爐用水和冷卻水分析方法純水電導率的測定》進行，即在此工況下進行水汽品質的全面查定以確定機組水汽品質及其變化規(guī)律。重點查定項目包括水汽系統(tǒng)的氫電導率及腐蝕產(chǎn)物鐵含量。機組的水汽品質查定結果如表2所示（D02BX為氧含量，其中BX是便攜的意思）。

表2 AVT(O)工況下機組水汽品質查定結果

由表2可以看出，AVT（O）工況下，該機組的凝結水漏入空氣，導致凝結水的氧含量及氫電導率偏高，氧含量測定根據(jù)DL/T 954—2005《火力發(fā)電廠水、汽試驗方法》進行。測定后發(fā)現(xiàn)，氧含量大于GB/T 12145—2016規(guī)定的標準值20 μg/L；凝結水氫電導率小于0.20 μS/cm，符合GB/T 12145—2016規(guī)定的標準值；給水氫電導率小于0.08 μS/cm，符合GB/T 12145—2016規(guī)定的期望值；主蒸汽的氫電導率小于0.10 μS/cm，符合GB/T 12145—2016規(guī)定的標準值。

表3是按照GB/T 14427—2008進行鐵的質量濃度測定的結果。由表3可以看出，機組給水鐵的質量濃度平均值達到GB/T 12145—2016規(guī)定的期望值小于3 μg/L的要求。

2.2.2 給水加氧轉換調(diào)試結果及分析

2.2.2.1 熱力系統(tǒng)氧化膜的轉換過程

機組于2018年5月14日11:30給水開始加氧，5月14日14:50凝結水開始加氧，5月19日17:00高壓加熱器疏水開始加氧。5月21日8:00高加疏水開始有氧，5月21日9:30省煤器入口給水檢測到有氧，水汽系統(tǒng)鐵含量維持在較低水平，表明熱力系統(tǒng)金屬氧化膜基本完成加氧轉化。試驗過程中水汽的氧含量變化如圖3所示。

表3 機組鐵的質量濃度查定結果μg/L

圖3 機組加氧過程中凝水及給水氧的質量濃度變化趨勢圖

2.2.2.2 加氧轉換過程水汽系統(tǒng)鐵含量的變化

機組加氧轉化過程中，水汽系統(tǒng)鐵含量的對比如圖4所示。試驗結果顯示，加氧轉化完成后，給水鐵的質量濃度平均值從1.7 μg/L降低至0.3 μg/L，高加疏水鐵的質量濃度平均值從1.8 μg/L降低至0.3 μg/L。降低水汽pH值至8.75～9.11時，給水、高壓加熱器疏水鐵含量仍然維持在較低水平。這說明加氧轉化完成后，給水系統(tǒng)、高壓加熱器疏水系統(tǒng)已經(jīng)形成了良好的保護性金屬氧化膜。

圖4 機組不同給水處理方式下水汽系統(tǒng)鐵的質量濃度平均值對比圖

2.2.2.3 加氧轉化過程加藥量的變化

OT處理方式下，給水系統(tǒng)金屬氧化膜保護性主要依靠水中溶解氧來維持，因此可以降低給水pH值。機組OT處理后，將給水pH值由AVT（O） 處理時的9.27～9.38（對應電導率在 5.0～6.5 μS/cm 之間，目標值 5.5 μS/cm） 調(diào)整至8.75～9.11（對應電導率在 1.5～3.5 μS/cm 之間，目標值 2.5 μS/cm）。電導率平均值在 5.5 μS/cm時，對應的加氨量為738.9 μg/L；電導率平均值在2.5 μS/cm時，對應的加氨量為238.1 μg/L。降低pH值后，加氨量減少了68%，加氨量減少，混床的運行周期得到一定程度的延長，理論上混床氫型運行周期可延長2倍以上，樹脂再生酸堿量、自用沖洗水量及廢液排放量相應減少。機加氧轉化過程中除氧器入口、省煤器入口pH值變化趨勢及給水比電導如圖5、圖6所示。pH值是根據(jù)GB/T 6904—2008 pH的測定：玻璃電極法測定測量得到。

圖5 機組加氧轉化過程中除氧器入口、省煤器入口pH值變化趨勢

2.2.2.4 加氧轉化過程氫電導率變化

以2號機組為例，給水加氧轉化過程中，水汽系統(tǒng)各取樣點氫電導率變化情況如圖7所示。機組省煤器入口給水氫電導率和主蒸汽氫電導率分別上升至0.089 μS/cm和0.107 μS/cm，高加疏水氫電導率最高上升至0.145 μS/cm。當加氧轉化完成后，機組水汽氫電導率很快下降至正常水平。由于凝汽器漏入空氣，機組凝結水的氫電導率一直比較高。

圖6 機組加氧轉化過程中除氧器入口、省煤器入口比電導變化趨勢

圖7 機組加氧轉化過程中水汽系統(tǒng)氫電導變化趨勢

3 效果及費用對比

根據(jù)試驗結果，結合國內(nèi)外加氧機組實際運行情況，可以預期如下。

a）加氧處理將有效降低鍋爐結垢速率，從而延長鍋爐化學清洗周期。

b）熱力系統(tǒng)形成的氧化膜保護性好，耐停機腐蝕，可使機組啟動時間縮短，減少啟動沖洗水量。

c）減緩由于結垢造成的鍋爐換熱效率下降以及鍋爐壓差上升速率，從而提高機組運行的經(jīng)濟性。

d）堿化劑氨，精處理再生藥劑氫氧化鈉、鹽酸等用量均減少，廢水排放量減少。

e）水汽品質得到進一步改善，有利于防止汽輪機通流部件的積鹽與腐蝕。

加氧前后效果及費用對比如表4所示。

表4 加氧前后效益對比

4 改進方案的實施效果

4.1 機組給水加氧運行注意事項

a）機組在正常運行工況下采用給水加氧處理方式運行，依據(jù)130-1-DL/T 805.1—2011《火電廠汽水化學導則 第1部分 鍋爐給水加氧處理導則》省煤器入口給水溶解氧質量濃度控制在10～30 μg/L 之間，目標值 15 μg/L；除氧器入口溶解氧質量濃度控制在40～80 μg/L之間，目標值60 μg/L；高加疏水溶解氧質量濃度控制在10～50 μg/L 之間，目標值 30 μg/L。

b）機組在給水加氧處理工況下運行時，給水pH值控制在8.75～9.11范圍，相應電導率為1.5～3.5 μS/cm，目標值 2.5 μS/cm。

c）精處理混床氫型方式運行終點指標為：直接電導率小于0.30 μS/cm，其他指標不變。

d）除氧器入口和省煤器入口給水氧表是控制凝結水和給水加氧量的重要參數(shù)，應保證其準確性和連續(xù)投運。每周至少對在線氧表校正1次，每年更換1次電極，如果有條件的話建議將現(xiàn)有在線氧表更換為SWAN氧表。

e）為保證機組的安全運行以及實現(xiàn)加氧的自動控制，增加主蒸汽及高加疏水的氧表。

f）監(jiān)測氫電導率時，應注意及時更換失效陽樹脂。加氧自動運行時，省煤器入口給水和精處理出口氫電導率（或除氧器入口氫電導率） 為加氧水質控制信號，其陽樹脂不應同時更換。

g）由于機組加氧處理后不能加聯(lián)氨，建議今后機組停機保養(yǎng)采用加氨法、充氮法、熱爐放水法、通干燥空氣或通壓縮干燥空氣法等方法進行保養(yǎng)。

h） 2臺機組凝水及給水加氧點就地一次門皆為球閥，該閥門密封不嚴，影響自動加氧的控制效果及機組的安全運行，停機期間應將所有一次門球閥更換為質量較好的截止閥。

i）夏季在機組負荷較高時，當發(fā)現(xiàn)精處理系統(tǒng)由于凝結水溫度過高而退出運行，在精處理退出運行期間嚴格監(jiān)測給水氫電導率，當給水氫電導率大于0.2 μS/cm且有繼續(xù)上升的趨勢時應暫時停止加氧。

4.2 結論

經(jīng)過熱力系統(tǒng)加氧轉換，機組成功實施了鍋爐給水加氧處理工藝，達到了預期的目標：水汽品質得到進一步改善，水汽系統(tǒng)鐵的質量濃度降低至1 μg/L以下，有利于防止汽輪機通流部件的積鹽與腐蝕；有效延長了精處理混床樹脂再生周期，節(jié)約各類藥品、水源，直接經(jīng)濟效益可達52 366元/月；可預見長效運行后，縮短機組啟動時間，減少啟動沖洗水量，增加鍋爐換熱效率等。給水加氧處理有利于熱力系統(tǒng)的防腐、防垢，在提高機組的安全性和經(jīng)濟性方面有著明顯的優(yōu)勢。