液態(tài)恒值自動加氧技術應用

王 釗，王寧飛，張小宏，郭金平，劉 煥，賈予平

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西 西安 710001）

目前，加氧處理在國內外鍋爐給水處理中得到了廣泛應用[1–3]。加氧處理技術是在鍋爐給水水質達到一定純度（一般給水氫電導率小于0.15 μS/cm）及滿足一定工況的條件下，在凝結水、給水或高加疏水中加入適量的氧，并加入微量氨，以調節(jié)pH 值的水處理方法。

1 加氧處理原理

加氧處理是通過不斷向金屬表面均勻供氧，使金屬表面保持一層穩(wěn)定、完整的Fe3O4內伸層，F(xiàn)e2+通過Fe3O4微孔通道中擴撒出來進入液相層，其中一部分Fe2+直接生成由Fe3O4晶粒組成的外延層。由于Fe3O4層呈微孔狀，通過微孔擴散進行遷移的Fe2+在孔內或在氧化膜表層就地氧化，生成Fe2O3或水合三氧化二鐵（FeOOH，F(xiàn)eOOH 將老化成a-Fe2O3），沉積在Fe3O4層的微孔或顆粒的空隙中，封閉了Fe3O4氧化膜的孔口，從而降低了Fe2+擴散和氧化的速率，在金屬表面生成了致密穩(wěn)定的Fe3O4和Fe2O3雙層保護膜[4]。其主要反應如下。

Fe3O4生成總反應：

覆蓋層主要反應：

根據(jù)以上反應，氧質量濃度（以下稱氧量）是影響氧化膜形成的因素之一。純水中保持一定氧量，能夠提高Fe-H2O 體系的電位，使碳鋼的腐蝕電位高于其鈍化電位，最后生成致密的雙層氧化膜，達到防止流動性加速腐蝕的目的[4]。因此，氧量對氧化膜的穩(wěn)定生成尤為重要。

2 加氧處理優(yōu)越性及存在問題

常用的電廠鍋爐給水處理處理方式有還原性全揮發(fā)處理（AVT(R)）、弱氧化性全揮發(fā)處理（AVT（O））、加氧處理（OT）。

AVT（R）處理是鍋爐給水加氨和還原劑（又稱除氧劑，如聯(lián)氨）的處理。給水AVT（R）處理時，碳鋼表面形成磁性四氧化三鐵保護膜，該氧化膜空隙率高、溶解度高，不耐流動加速腐蝕[5]。使用碳鋼制高壓加熱器、給水管、省煤器及疏水系統(tǒng)等容易發(fā)生流動加速腐蝕，給水、疏水的含鐵量一般較高，由此帶來鍋爐受熱面結垢速率偏高、鍋爐化學清洗周期縮短等問題。

給水AVT（O）處理是鍋爐給水只加氨的處理。該種處理方式使給水系統(tǒng)處于弱的氧化狀態(tài)，給水系統(tǒng)的流動加速腐蝕現(xiàn)象得到一定程度的抑制，但仍然存在鍋爐受熱面結垢速率高、酸洗周期短、精處理混床的氫型運行周期短、水汽系統(tǒng)含鐵量高的問題[2,6]。

根據(jù)國內外有關電廠的運行經驗，給水加氧處理是解決以上問題的有效方式[6-8]。該處理技術能夠提高受熱碳鋼表面的自然腐蝕電位，使金屬表面發(fā)生極化進入鈍化電位區(qū)，在金屬表面生成勻致密的Fe3O4和Fe2O3雙層保護膜，能夠抑制金屬發(fā)生流動加速腐蝕[9]，降低鐵含量[6-7,10]，從而降低水冷壁結垢速率，延長酸洗周期，抑制鍋爐壓差上升速率，避免高加疏水調節(jié)閥和水冷壁節(jié)流孔堵塞。此外，經過加氧處理的機組可在給水系統(tǒng)pH 值小于9.2時運行，能減少精處理再生用酸、堿量等[11-13]，因此，加氧處理技術可提高電廠運行的安全性和經濟性[14-15]。鑒于加氧處理的獨特優(yōu)越性，加氧技術在火電機組上得到了推廣。

目前，加氧處理中普遍存在的問題是，機組在調峰過程中負荷變化較大，故氧量波動較大[16]，氧量的合格率較低[10]，嚴重時會導致加氧設備無法正常投運[17]，且難以實現(xiàn)自動化[18]，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3 液態(tài)恒值自動加氧技術

為了解決加氧處理中機組負荷變化較大時氧量波動較大、難以實現(xiàn)自動加氧的問題，西安熱工研究院有限公司開發(fā)了液態(tài)恒值自動加氧技術。

3.1 原理

液態(tài)恒值自動加氧技術使用工業(yè)純氧作為氧源，經減壓后通過西安熱工研究院有限公司自主研發(fā)的質溶復送機（簡稱質溶機）將氣態(tài)氧和除鹽水充分融合轉變?yōu)橐簯B(tài)富氧水，然后通過PI 調節(jié)技術將富氧水輸送至給水系統(tǒng)加氧點，從而實現(xiàn)氧量自動調節(jié)，其系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 液態(tài)恒值自動加氧系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the liquid constant automatic oxygenated technology

3.2 技術核心

液態(tài)恒值自動加氧技術的核心是質溶復送機，其不僅能夠實現(xiàn)液態(tài)富氧水的制備，還能夠實現(xiàn)氧量的自動調節(jié)。

3.2.1 富氧水制備

氧氣經過減壓后與除鹽水一起進入質溶復送機的核心流道組件，通過質溶復送機多組件異形腔及膜的滲透，氧分子與水分子進行充分融合，然后經過分子交換器和壓力分化器，最終形成穩(wěn)定、無揮發(fā)的高濃度富氧水。質溶復送機富氧水制備過程示意如圖2所示。

圖2 質溶復送機富氧水制備過程示意Fig.2 Schematic diagram of the preparation of oxygen-rich water

3.2.2 氧量自動調節(jié)

富氧水為高濃度的溶氧水，而給水系統(tǒng)中氧量為μg/L 數(shù)量級，故富氧水加入量的微小變化都會使給水系統(tǒng)氧量發(fā)生劇烈波動。當富氧水從質溶復送機中輸送到加氧點時，經化學儀表顯示氧量值存在時間延后，導致熱力系統(tǒng)加氧量調整滯后于機組負荷變化，造成給水系統(tǒng)氧量產生較大波動。因此，質溶復送機利用復合式PI 調節(jié)技術進行超前調整，根據(jù)給水流量進行流量配比，控制富氧水的加入，完善加氧控制曲線，其調節(jié)公式為

式中：Y為富氧水加入量，L/h；K1為流量系數(shù)；Q為給水流量，L/h；Kp為比例系數(shù)；K2為流量修正系數(shù)；ΔX為流量修正，L/h；Δt為時間修正系數(shù)。

質溶復送機使用PI 調節(jié)技術控制富氧水的加入，并引入氧量對其進行反饋修正，通過調整質溶復送機出口電動調節(jié)閥的開度，自動調節(jié)氧量，使氧量基本恒定。

3.3 系統(tǒng)組成

液態(tài)恒值自動加氧技術主要由氧源供給系統(tǒng)、富氧水制備系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等構成。對已配備加氧設備的機組應用液態(tài)恒值自動加氧技術時，可在現(xiàn)有氧源供給設備（如匯流排）、氧氣輸送管道等的基礎上，增加富氧水制備、儲存和輸送系統(tǒng)，同時引入除鹽水源即可投入使用。

3.4 技術優(yōu)勢

3.4.1 富氧水加氧

液態(tài)恒值自動加氧技術使用富氧水持續(xù)、可靠地輸送至各加氧點，通過液態(tài)剛性介質輸送過程，實現(xiàn)了加氧過程的整體可控。

3.4.2 加氧精度高

傳統(tǒng)加氧技術的氧量控制范圍一般為設定值的±30 μg/L，其氧量波動范圍較大，在運行中容易引起氧量超標。而液態(tài)恒值自動加氧技術能夠將氧量控制精度提高到設定值的±1 μg/L，在機組投入AGC 運行及負荷大幅波動的情況下，可將氧量自動控制在設定值的±3 μg/L，從而確保加氧設備在任何工況下都能高精度自動運行，為機組加氧處理帶來的水汽品質大幅提高和節(jié)能減排效果提供了可靠的技術保證。

3.4.3 機組氧量恒定

液態(tài)恒值自動加氧技術通過液態(tài)剛性富氧水加入、復合式PI 調節(jié)等技術，除機組由于外界條件發(fā)生變化時基值氧量突然產生較大波動的特殊情況（如精處理混床切換、前置過濾器投運等過程中凝結水補水時基值氧量瞬時波動的情況）外，可保證系統(tǒng)氧量恒定。

機組氧量恒定能夠保證氧化反應的化學動力持續(xù)穩(wěn)定，確保生成致密和均勻的氧化膜，在滿足鍋爐防腐要求的基礎上，避免在機組負荷波動較大時，冗余氧量進入蒸汽側，對TP347H 等材質的過熱器、再熱器可能發(fā)生的不良影響。

4 液態(tài)恒值自動加氧技術應用

4.1 在華電某電廠中的應用

4.1.1 給水加氧系統(tǒng)

華電集團某電廠超超臨界2×1 050 MW 機組鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐，于2012年11月投入運行。該機組設計給水處理為加氨的全揮發(fā)處理（AVT(O)）和加氧處理（OT），加氧調試前給水處理方式為AVT(O)。該電廠于2014年5月進行給水加氧處理，給水溶氧量在4～60 μg/L 間波動，2015年3月對2 號機組小修期間發(fā)現(xiàn)，該機組高壓過熱器和高壓再熱器出現(xiàn)大面積氧化皮脫落現(xiàn)象。

分析認為出現(xiàn)該現(xiàn)象與給水加氧運行有關：該電廠2 臺機組通過人工調節(jié)控制加氧量，在機組負荷波動時人工調整存在滯后性，因此出現(xiàn)溶氧超標；其次，在機組負荷波動較大或機組投AGC 模式時，氧量波動大，容易超標；此外，更換氧瓶時的壓力沖擊及投停精處理設備時帶入的空氣也會造成溶氧超標。

4.1.2 加氧系統(tǒng)改造路線

為解決給水氧量波動大導致溶氧超標及溶氧波動大的問題，該電廠于2016年1月委托西安熱工研究院有限公司采用液態(tài)恒值自動加氧技術對2 臺機組進行改造。加氧系統(tǒng)改造前，氧氣通過匯流排減壓后進入氣態(tài)加氧控制柜，然后通過加氧管線輸送至加氧點，改造前加氧系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 改造前加氧系統(tǒng)Fig.3 The oxygenation system before retrofitting

加氧系統(tǒng)改造路線：保留原給水加氧匯流排，拆除控制柜，替換為質溶復送機；加氧管線未進行改動，將原匯流排氧氣出口與質溶復送機進氣口對接，從前置過濾器反洗水泵出口母管引一路DN20除鹽水管與質溶復送機進水口對接。改造后的加氧系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 改造后加氧系統(tǒng)Fig.4 The oxygenation system after retrofitting

加氧系統(tǒng)改造后氧氣通過匯流排進入質溶復送機中，在質溶復送機中與除鹽水配制成一定壓力的恒濃度富氧水，通過復合式PI 調節(jié)技術，利用原加氧管線輸送至加氧點，實現(xiàn)了該電廠液態(tài)自動加氧技術改造。

4.1.3 改造效果

加氧系統(tǒng)改造前，1 號機組給水氧量在4～60 μg/L間波動，2 天內加氧過程給水氧量和機組負荷疊加圖如圖5所示。從圖5可看出，加氧系統(tǒng)改造前1 號機組負荷為571～1 053 MW 時，給水氧量在4～48 μg/L間波動，波動范圍較大。

圖5 1 號機組加氧系統(tǒng)改造前給水氧量及機組負荷疊加圖Fig.5 The dissolved oxygen contents and unit loads in No.1 unit before the system retrofitting

1 號機組加氧系統(tǒng)改造之后30 天加氧過程給水氧量和給水流量疊加圖如圖6所示。從圖6可看出，1號機組加氧系統(tǒng)改造后，給水流量在1 509～3 129 m3/h間波動時，給水氧量控制值為18 μg/L，給水氧量控制精度為±3 μg/L。液態(tài)恒值自動加氧技術改造后的給水氧量波動范圍由改造前的4～48 μg/L 降低至18±3 μg/L，明顯降低了給水氧量波動范圍，解決了機組給水氧量波動范圍大、難以實現(xiàn)自動控制的問題。1 號機組在加氧自動化改造之后，一直運行至今，未出現(xiàn)溶氧超標、過熱器及再熱器出現(xiàn)氧化皮現(xiàn)象，保證了機組運行安全性。

圖6 1 號機組加氧系統(tǒng)改造后給水氧量及流量疊加圖Fig.6 The dissolved oxygen content and feedwater flow in No.1 unit after the retrofitting

該電廠超超臨界2×1 050 MW 機組給水加氧系統(tǒng)改造后提高了機組運行經濟性：給水pH 均值由9.1 降至8.9，周期制水量由26 萬t 提高至35 萬t，氨的使用量約減少了46%，全年減少再生次數(shù)約10 次，每年減少用氨成本約2.5 萬元，減少精處理再生、反洗及廢水處理成本約22 萬元；另外，改造后加氧設備維護成本降低了，也不再使用價格較貴的質量流量器等設備，維護中只需更換較便宜的液態(tài)加氧設備配件即可；實現(xiàn)了自動加氧，無需人工調節(jié)加氧量，減少了人工成本。

4.2 在典型電廠中的應用

液態(tài)恒值自動加氧技術在不同機組和各種工況條件下，均能維持給水系統(tǒng)氧量基本恒定。該技術目前在多個電廠使用，取得了良好效果，在機組投入AGC 運行、負荷大幅波動的情況下，加氧量均可穩(wěn)定控制為設定值±3 μg/L，保證了氧量恒定。典型電廠液態(tài)恒值自動加氧技術應用效果見表1。

表1 液態(tài)恒值自動加氧技術在典型電廠應用效果Tab.1 The application effects of the liquid constant automatic oxygenated technology in typical power plants

5 結 論

1）液態(tài)恒值自動加氧技術將富氧水持續(xù)、可靠地輸送至各加氧點，利用液態(tài)剛性介質輸送過程，實現(xiàn)了加氧過程的整體可控。除凝結水補水時基值氧量瞬時大幅波動的情況外，液態(tài)恒值自動加氧技術解決了機組負荷波動較大時，氧量波動大的問題，實現(xiàn)了加氧過程中氧量的恒值控制。

2）在機組投入AGC 運行、負荷大幅波動的情況下，液態(tài)恒值自動加氧技術能夠將給水系統(tǒng)氧量自動控制在設定值±3 μg/L 的水平，為機組安全穩(wěn)定運行提供了可靠的技術保證。