某超臨界供熱機組水汽氫導(dǎo)波動原因分析及對策

張 賀，徐浩然，馮向東，陳 晨

(1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，浙江杭州 311100；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江杭州 311100；2.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江蘭溪 321100)

1 概述

某電廠鍋爐型式為超臨界參數(shù)一次再熱變壓直流爐，主蒸汽設(shè)計溫度為571 ℃，主蒸汽設(shè)計壓力為25.4 MPa，機組汽輪機中壓缸前抽汽對外供熱，單臺機組供熱量在30～80 t/h。機組供熱后，水汽指標(biāo)穩(wěn)定，均在《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》(GB/T 12145)中規(guī)定的期望值范圍內(nèi)。

然而，自2019年10月開始，各機組水汽氫導(dǎo)有異常波動，且4臺機組出現(xiàn)波動的趨勢相似，3 d左右為1個周期，主蒸汽氫導(dǎo)最高升至0.25 μS/cm，超出限值范圍。

圖1 #3、#4機主蒸汽氫導(dǎo)變化趨勢Fig.1 Variation Trend of Hydrogen Conductivity of Main Steam in No.3 and No.4 Boilers

如圖1所示：11月5日06∶45開始，#3與#4機主蒸汽氫導(dǎo)基本同步快速升高；11月6日14∶47，2臺機組主蒸汽氫導(dǎo)升高至最大值(0.198 μS/cm)；11月7日22∶30，氫導(dǎo)回落至標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)。氫導(dǎo)異常持續(xù)時間為62 h 左右。

機組水汽氫導(dǎo)值是監(jiān)測水汽品質(zhì)的重要指標(biāo)[1-4]。氫導(dǎo)值能夠消除機組爐內(nèi)加氨對電導(dǎo)率測量造成的影響，同時可以放大腐蝕性陰離子和溶解性氣體對應(yīng)的電導(dǎo)，能夠靈敏地反映雜質(zhì)陰離子的變化。由于超臨界機組的溫度和壓力非常高，水汽氫導(dǎo)值較小的波動或超標(biāo)代表腐蝕性陰離子進入系統(tǒng)，可能造成金屬材質(zhì)的腐蝕，甚至?xí)绊憴C組的運行安全。

2 試驗方法及儀器

TOC檢測：分析儀為TOC 900 PORTABLE；分析方法為《火力發(fā)電廠水汽分析方法總有機碳的測定》(DL/T 1358—2014)。

電導(dǎo)率檢測：分析儀為電導(dǎo)率儀HI98309；分析方法為《鍋爐用水和冷卻水分析方法 電導(dǎo)率的測定》(GB/T 6908—2018)。

陰離子測定：分析儀為離子色譜儀ICS5000+；分析方法為《火力發(fā)電廠水汽分析方法 痕量氟離子、乙酸根離子、甲酸根離子、氯離子、亞硝酸根離子、硝酸根離子、磷酸根離子和硫酸根離子的測定(離子色譜法)》(DL/T 954—2005)。

3 污染物判斷

4臺機組水汽氫導(dǎo)值共性升高，可能原因包括小分子有機物分解、溶解性氣體進入，可通過有機碳和小分子有機酸[5-7]的檢測進行有機物判斷、脫氣氫導(dǎo)檢測分析溶解性氣體。

3.1 總有機碳(TOC)及小分子有機酸

利用TOC檢測儀對高純水、管道內(nèi)除鹽水、除鹽水箱、混床出水進行檢測，結(jié)果如表1所示。

表1 不同設(shè)施水中TOC含量Tab.1 Test Results of TOC in Different Facilities

表1顯示，混床、除鹽水箱及管道的TOC均未超過100 mg/L，滿足GB 12145要求，與以往的TOC檢測結(jié)果無明顯差異。

當(dāng)某臺機組水汽指標(biāo)異常時，利用離子色譜儀對凝結(jié)水、精處理出口、省煤器入口、主蒸汽中陰離子進行檢測分析[8]，結(jié)果如表2所示。

表2 不同位置水汽主要陰離子含量Tab.2 Results of Main Anion of Steam in Different Positions

由表2可知：甲酸根、乙酸根、氯離子、硫酸根與硝酸根等均小于1 mg/L，無明顯異常值；乙酸根從給水(省煤器入口)到主蒸汽明顯升高，可能是由于有機物分解產(chǎn)生乙酸根。

3.2 脫氣氫導(dǎo)

利用脫氣電導(dǎo)率表對水汽異常機組的主蒸汽氫導(dǎo)進行測量。在主蒸汽氫導(dǎo)超標(biāo)時，主蒸汽氫導(dǎo)與其脫氣氫導(dǎo)之間的差值為0.02～0.05 μS/cm，排除因水汽中二氧化碳引起水汽氫導(dǎo)升高的因素。

由此可知，TOC與甲酸根及部分礦質(zhì)陰離子未檢測到明顯異常值，但乙酸根有明顯的突變，證明系統(tǒng)中存在有機物分解。4臺機組均設(shè)有凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，同時給水氫導(dǎo)均低于主蒸汽氫導(dǎo)，存在水汽隨溫度與壓力的升高，氫導(dǎo)隨之升高的現(xiàn)象，可能存在隨著溫度與壓力升高，水汽中微量有機物分解產(chǎn)生小分子有機酸，使水汽氫測量值升高的現(xiàn)象。

4 原因排查及分析

4.1 排查的思路

本次水汽指標(biāo)異常時4臺機組基本同步波動，因此，考慮4臺機組共同存在的問題，排除個性問題，具體排查思路如圖2所示。

圖2 排查示意圖Fig.2 Diagram of Troubleshooting

4.2 精處理系統(tǒng)的排查

4臺機組同時出現(xiàn)蒸汽氫導(dǎo)升高。如精處理系統(tǒng)出現(xiàn)問題僅可能為再生系統(tǒng)或樹脂同步老化等4臺機組共性問題，但經(jīng) PI(plant information system)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)調(diào)取數(shù)據(jù)進行對比，在凝混床投撤前后未出現(xiàn)氫導(dǎo)異常波動，同時未發(fā)現(xiàn)凝混床樹脂捕捉器壓差報警(樹脂泄漏問題)，因此，精處理凝混床不是引起氫導(dǎo)異常的原因。

4.3 密封水、疏水等問題的排查

4臺機組水汽指標(biāo)異常問題出現(xiàn)時間基本保持同步，排除單臺機組密封水、疏水等個性問題引起的水汽指標(biāo)異常。

凝補水箱作為精處理再生以及部分啟動充水使用，不提供機組補水，機組補水由化學(xué)除鹽水箱直接供給。因此，排除凝補水箱造成本次水汽異常的可能。

4.4 機組供熱的排查

通過PI數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)調(diào)取，選取#3機組主蒸汽氫導(dǎo)異常波動時的數(shù)據(jù)和機組負荷進行匹配對比，如圖3所示。

截取#3、#4機組水汽指標(biāo)異常波動約10 d的機組負荷和主蒸汽氫導(dǎo)對應(yīng)曲線。由圖3可知，兩者存在負相關(guān)性，即隨著供熱負荷升高，水汽品質(zhì)變差，而供熱負荷的升高代表機組水汽系統(tǒng)補充除鹽水量的增加，證明污染物由除鹽水帶入系統(tǒng)。

2020年春節(jié)期間，因外圍企業(yè)停工，機組停止對外供熱，機組水汽系統(tǒng)補充除鹽水量大幅減少，投運的機組水汽品質(zhì)趨于穩(wěn)定，主蒸汽、給水、再熱蒸汽氫導(dǎo)均在0.06 μS/cm左右，再次證明污染物由除鹽水帶入。

通過PI進行數(shù)據(jù)調(diào)取，分析機組補充的除鹽水對水汽品質(zhì)的影響，取#4機組主蒸汽氫導(dǎo)和除鹽水母管電導(dǎo)進行對比分析，如圖4所示。

圖3 #3機組供熱負荷與主蒸汽氫導(dǎo)Fig.3 Unit Heating Load and Main Steam Hydrogen Conduction

由圖4可知，2019年5月和6月除鹽水母管電導(dǎo)穩(wěn)定，水汽指標(biāo)對應(yīng)穩(wěn)定(6月7日氫導(dǎo)數(shù)據(jù)異常為機組停機引起，不計入本次統(tǒng)計)。2019年10月和11月電導(dǎo)波動較為頻繁(0.15～0.3 μS/cm)，水汽品質(zhì)也出現(xiàn)了明顯的波動。由此說明，除鹽水水質(zhì)可能是引起水汽波動的原因。

4.4.1 單套除鹽水制水設(shè)備的影響

除鹽水制水系統(tǒng)工藝流程：原水、三層濾料過濾器、超濾、反滲透、陽床、除碳器、陰床、混床。查閱陰、陽、混床投撤及相關(guān)運行記錄及參數(shù)，2套一二級除鹽設(shè)備每天均在運行，且陽床進水電導(dǎo)率穩(wěn)定且無較大波動，因此，排除過濾器、超濾、反滲透系統(tǒng)運行異常的因素。在單套除鹽系統(tǒng)運行時未出現(xiàn)明顯的水汽指標(biāo)變化，排除單套除鹽水制水設(shè)備異常的因素，因此，除鹽水制水設(shè)備運行正常并非除鹽水水質(zhì)波動的原因。

4.4.2 原水水質(zhì)

除鹽水使用的原水取自金華江，2019年7月(豐水期)和12月(枯水期)分別對原水進行水質(zhì)分析。2次全分析報告表明，水質(zhì)波動較大，灼燒減量指標(biāo)2次的分析值分別為45.6 mg/L和207.0 mg/L，溶解固形物分別為109 mg/L和498 mg/L，枯水期原水水質(zhì)各項指標(biāo)明顯變差。原水水質(zhì)的劣化可能導(dǎo)致部分未查明的小分子有機物引入除鹽水中，最終補入機組水汽系統(tǒng)，引起水汽品質(zhì)惡化。

4.4.3 混床樹脂

通過查閱樹脂分析報告，混床樹脂性能下降較為嚴(yán)重，破碎率較高，混床樹脂捕捉器繞絲縫隙間有少量碎樹脂，樹脂再生記錄亦顯示樹脂量有所減少。經(jīng)調(diào)查，該批次樹脂已連續(xù)使用近10年，樹脂碎片進入除鹽水水箱最終進入水汽系統(tǒng)，可能導(dǎo)致水汽指標(biāo)下降。然而，該機組設(shè)有凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，且陰離子查定中未發(fā)現(xiàn)硫酸根(樹脂官能團中帶有)存在，因此，排除樹脂碎片引起水汽品質(zhì)波動的可能性。

4.4.4 除鹽水箱檢查

對該廠2臺除鹽水箱內(nèi)部進行檢查，水箱內(nèi)壁觸摸有滑膩感，判斷水箱內(nèi)壁存在微生物滋長。對水箱進行次氯酸鈉浸泡及高壓沖洗，沖洗完成后重新投入使用。經(jīng)上述處理后，機組正常供熱時，主蒸汽、給水、再熱蒸汽氫導(dǎo)仍有一定波動，為0.06～0.10 μS/cm，較原有波動有一定縮小，證明除鹽水箱的微生物污染是本次水汽指標(biāo)波動的一方面原因。

5 總結(jié)

本次機組水汽氫導(dǎo)異常波動由枯水期的原水水質(zhì)惡化、反滲透系統(tǒng)后至除鹽水箱微生物滋生、機組供熱等綜合因素引起，反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水至機組補水中間的工藝流程無殺菌工藝，一旦受到微生物污染將持續(xù)引起水汽系統(tǒng)指標(biāo)異常。因此，定期對反滲透系統(tǒng)后設(shè)備及管路進行檢查是有一定必要的。

超臨界直流爐機組因壓力、溫度高，對水汽品質(zhì)要求較高，對除鹽水品質(zhì)要求非常嚴(yán)格，同時由于直流爐未設(shè)汽包緩沖，對除鹽水品質(zhì)波動的抗擾動性差。超臨界直流爐機組抽汽供熱工況下，大量的除鹽水補入機組水汽系統(tǒng)，除鹽水水質(zhì)略有波動即有可能導(dǎo)致水汽品質(zhì)劣化。因此，超臨界及以上的供熱機組應(yīng)加強關(guān)注上述分析中各類影響因素的變化，及時進行檢查、檢修、參數(shù)調(diào)整，優(yōu)化水汽品質(zhì)，確保機組安全可靠運行。