某燃?xì)廨啓C(jī)熱電減溫水噴嘴頻繁堵塞原因分析及防治措施

劉祥亮，周 臣，洪新華，趙立群，王 寧，王春霞

(1. 中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200081；2. 北京歐林特技術(shù)咨詢有限公司，北京 110048；3. 中電商丘熱電有限公司，河南 商丘 476000)

某燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模1 300 MW，包括兩臺(tái)9E機(jī)組(2×180 MW)和兩臺(tái)9F機(jī)組(2×470 MW)。四臺(tái)機(jī)組均為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，其中9E機(jī)組為兩臺(tái)GE公司生產(chǎn)的重型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，與國(guó)產(chǎn)余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組構(gòu)成兩套1+1+1配置的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組；9F機(jī)組鍋爐選用東方日立三壓、再熱、無補(bǔ)燃、臥式、自然循環(huán)鍋爐，燃?xì)廨啓C(jī)選用東方三菱M701F4重型燃?xì)廨啓C(jī)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)配套高、中、低壓三種參數(shù)抽汽供熱及溴化鋰吸收式集中制冷站，通過對(duì)發(fā)電過程余熱進(jìn)行利用，實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供。

機(jī)組近階段制冷站減溫水噴嘴運(yùn)行過程中存在頻繁堵塞的現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行造成較多的危害，主要體現(xiàn)在減溫水噴嘴需不定期人工拆卸清理，增加檢修工作量，影響制冷機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)；單位時(shí)間內(nèi)通入的水流量減少，造成冷卻效果不佳，蒸汽過熱；堵塞物污染減溫水水質(zhì)，降低蒸汽品質(zhì)；減溫水噴嘴堵塞造成管道輸送泵壓力增大，泵頻率和開度增大，工作電耗增加，增加運(yùn)行成本；管道若發(fā)生腐蝕會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命[1-2]。

通過設(shè)備檢查、水樣檢測(cè)和堵塞物質(zhì)化學(xué)成分分析等工作，初步診斷出減溫水噴嘴頻繁堵塞的原因，并提出了相應(yīng)的防治措施和建議。

1 設(shè)備宏觀檢查

減溫水管道位于制冷站廠房頂棚外部，余熱鍋爐熱水供制冷機(jī)回水管處。設(shè)備KKS編碼為I4601，水源取自凝結(jié)水加熱器出口，介質(zhì)即為凝結(jié)水。I4601管道配1備1用2套不銹鋼濾網(wǎng)，投入運(yùn)行約一年，拆開濾網(wǎng)見片狀乳白色垢皮，厚度約0.7 mm，質(zhì)地脆弱易折，殘留的雜質(zhì)。拆開噴嘴檢查發(fā)現(xiàn)堵塞的黑色粘狀物質(zhì)見圖1。

圖1 減溫水濾網(wǎng)處雜質(zhì)和噴嘴處堵塞物質(zhì)

對(duì)I4601管道噴嘴區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)檢查，流程示意圖見圖2。

圖2 I4601管道流程系統(tǒng)示意圖

從圖2中可見，從余熱鍋爐側(cè)凝結(jié)水加熱器出口引至制冷站的減溫水管道，規(guī)格為Φ219的普通碳鋼材質(zhì)，長(zhǎng)度約200 m，管道內(nèi)部熱水(汽)為140 ℃左右，壓力2.0 MPa，流量為120 t/h～200 t/h，經(jīng)制冷站換熱后回水重新送至凝汽器加熱器入口，回水溫度為70 ℃左右。從回水管引約70 ℃減溫水，通過濾網(wǎng)過濾，從噴嘴直接噴淋至I4601蒸汽管道，I4601管道蒸汽由約240 ℃減溫至約160 ℃，減溫方式為介質(zhì)直接混合式。I4601管道內(nèi)蒸汽經(jīng)制冷機(jī)后降溫至85 ℃，疏水收集在中間熱水箱。

2 減溫水及堵塞物檢測(cè)分析

2.1 減溫水水質(zhì)檢測(cè)分析

對(duì)I4601管道減溫水取樣，首先采用原子吸收光譜儀檢測(cè)水質(zhì)鐵離子含量，原子吸收光譜儀檢測(cè)結(jié)果超出了儀器的檢測(cè)上限，隨后采用分光光度法測(cè)定，取樣的減溫水鐵離子含量為0.999 mg/L，減溫水鐵含量異常。

2.2 堵塞物掃描電鏡、能譜及定量分析

對(duì)減溫水噴嘴堵塞物進(jìn)行取樣檢測(cè)分析，掃描電鏡、能譜分析及定量分析檢測(cè)結(jié)果見圖3。

2.2.1 掃描電鏡和能譜分析

從圖3可見，放大后垢樣尺寸不均勻，由很多微小顆粒粘結(jié)在一起，有些顆粒物可見發(fā)暗物質(zhì)，有些顆粒物只含有微小顆粒物。大部分顆粒物只含有Fe和O元素，含發(fā)暗物的顆粒物含有O、Si、Fe或Ca元素，有些顆粒物含有O、S、Cr、Fe和Ni元素。說明減溫水噴嘴處垢樣主要成分為鐵氧化物，其次為含硅化合物以及鉻的氧化物等物質(zhì)。

圖3 堵塞物質(zhì)掃描電鏡和能譜分析

2.2.2 定量分析

根據(jù)DL/T 1151-2012《火力發(fā)電廠垢和腐蝕產(chǎn)物分析方法》中相關(guān)方法，對(duì)水分、Fe3O4含量等指標(biāo)進(jìn)行化學(xué)定量分析，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 垢樣化學(xué)定量分析結(jié)果

綜上所述，減溫水噴嘴處垢樣為粉末狀，含有少量的半透明物質(zhì)和灰白色物質(zhì)，大部分物質(zhì)有磁性。能譜分析結(jié)果表明減溫水噴嘴處垢樣的主要元素為Fe和O，局部含有少量的Si、S、Ca、Cr和Ni等元素?；瘜W(xué)定量分析顯示垢樣中Fe3O4含量為89.49%，酸不溶物含量為8.05%。

3 原因初步分析

3.1 減溫水前端水質(zhì)

I4601管道減溫水源自余熱鍋爐側(cè)凝汽器加熱器出口，凝加出口未設(shè)置取樣點(diǎn)，無法直接對(duì)減溫水前端(凝加出口)水質(zhì)進(jìn)行分析檢測(cè)。查閱了化驗(yàn)班凝結(jié)水歷史分析記錄，凝結(jié)水水質(zhì)較好，不存在鐵離子超標(biāo)現(xiàn)象。參考了2018年10月24日廣東特種設(shè)備檢測(cè)院出具的《電站鍋爐水汽質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告》(報(bào)告編號(hào)BJJ-S01804891)，見圖4。

圖4 近期電站鍋爐水汽質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告

從圖4中可見，凝結(jié)水硬度接近0，CC、Na+、Fe2+、Cu2+、SiO2未檢，尚無法完全排除凝汽器加熱器出口水質(zhì)較差從而引起減溫水噴嘴堵塞。

3.2 管道發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕

該廠凝結(jié)水pH值要求控制在9.40～9.60，實(shí)際運(yùn)行中因調(diào)峰啟停補(bǔ)水量大和監(jiān)控調(diào)整不及時(shí)的原因，有時(shí)控制偏低，在9.20～9.60之間。

圖5 鐵/水電位—pH理論圖

圖5為鐵水與pH值腐蝕的理論關(guān)系，一般意義上，pH值9.60條件下靜態(tài)溶液中金屬鐵處于鈍化或免蝕區(qū)域(非腐蝕狀態(tài))[3]。但Woolsey[4]和Baranenko[5]等國(guó)外專家研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度處于120～160 ℃的水汽環(huán)境下，水分子電離平衡常數(shù)會(huì)改變，導(dǎo)致溶液真實(shí)pH變化，管道介質(zhì)與金屬基體處于高流速?zèng)_刷狀態(tài)，微觀上會(huì)發(fā)生不同程度的流動(dòng)加速腐蝕反應(yīng)(FAC)，特別是在管道彎頭處發(fā)生FAC的風(fēng)險(xiǎn)較高如圖6所示。從動(dòng)態(tài)方面分析，管道內(nèi)表面的鐵開始溶解，并與水中的OH-結(jié)合生成Fe(OH)2，在水中溶解氧充足時(shí)，F(xiàn)e(OH)2氧化成致密的氧化膜層Fe2O3，隨著氧的不斷消耗，水中的氧不足以將Fe(OH)2完全氧化為Fe3+，此時(shí)則轉(zhuǎn)化為磁性氧化膜Fe3O4，該層氧化物結(jié)構(gòu)較為疏松[6-7]。這也解釋了垢樣成分局部含有少量的Cr和Ni等元素的原因。

圖6 140 ℃時(shí)流速、pH與FAC速率關(guān)系

3.3 Fe(OH)3膠體變徑處摩擦脫穩(wěn)聚沉

圖7 碳鋼管道膠體Fe(OH)3脫穩(wěn)示意圖

無論是減溫水水質(zhì)較差含有膠體態(tài)Fe(OH)3，還是微觀FAC反應(yīng)生成的Fe(OH)3膠體，原本穩(wěn)定分散在減溫水中的同類電荷膠體態(tài)Fe(OH)3會(huì)在噴嘴孔隙變徑處發(fā)生碰撞摩擦脫穩(wěn)反應(yīng)，生成磁性Fe3O4在噴嘴處沉積堵塞[8-9]。

4 結(jié)論與防治措施

結(jié)合設(shè)備檢查、減溫水水質(zhì)檢測(cè)、堵塞物的掃描電鏡和能譜分析數(shù)據(jù)綜合初步分析認(rèn)為，制冷站I4601管道噴嘴堵塞的主要原因?yàn)闇p溫水本身水質(zhì)較差，分散在減溫水(介質(zhì))中的膠體態(tài)Fe(OH)3，在管道噴嘴變徑處同類電荷摩擦脫穩(wěn)，微觀流動(dòng)加速腐蝕反應(yīng)生成疏松的磁性氧化膜，沖刷脫落沉積在噴嘴孔隙之處。針對(duì)上述原因，提出以下幾點(diǎn)防治措施：

(1) 在減溫水管道進(jìn)出口設(shè)置取樣點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)I4601管道減溫水的日常化學(xué)監(jiān)督工作[10]。

(2) 利用檢修期間對(duì)制冷站I4601減溫水管道彎頭處割管檢查管壁內(nèi)部形貌，確認(rèn)I4601減溫水管道發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕程度。

(3) 對(duì)制冷站I4601減溫水系統(tǒng)改造，減溫水從水質(zhì)較好的位置引用。

(4) 因水汽系統(tǒng)控制pH值較高，建議查找機(jī)組中有無銅制元件，謹(jǐn)防熱力設(shè)備發(fā)生堿性腐蝕[11]。