易小蘭
(天府新區(qū)通用航空職業(yè)學(xué)院,四川眉山 620564)
表面式換熱器鋁制散熱器(SCAL)型間接空冷機(jī)組融合了海勒式間冷系統(tǒng)的鋁制散熱器和哈蒙式間冷系統(tǒng)的表面式換熱器的優(yōu)點[1-3],解決了我國北方富煤貧水地區(qū)的發(fā)電問題,目前該機(jī)組在運(yùn)行期間主要的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)為pH、電導(dǎo)率、鐵鋁含量等。SCAL型間冷系統(tǒng)作為閉式循環(huán)水系統(tǒng),循環(huán)水呈弱堿性[8],而循環(huán)水pH異常升高原因尚不清楚,材料的腐蝕控制尚無完善的解決方案[6-9]。氧氣作為腐蝕反應(yīng)重要的去極化劑[10],對腐蝕反應(yīng)影響重大。目前溶氧量卻沒有作為常規(guī)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測,循環(huán)水中溶解氧的變化及其對材料腐蝕的機(jī)理有待研究。本文通過現(xiàn)場調(diào)查以及現(xiàn)場掛片實驗,對SCAL型間冷系統(tǒng)循環(huán)水中溶解氧變化情況以及溶解氧對材料腐蝕的影響進(jìn)行研究。
為了闡明SCAL型間冷系統(tǒng)中循環(huán)水溶解氧含量變化規(guī)律,本文對6家使用SCAL型間冷系統(tǒng)電廠的8臺機(jī)組循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行調(diào)研。循環(huán)水溶解氧含量通過上海美西智能電子儀器有限公司生產(chǎn)的OX-12B型便攜式測氧儀進(jìn)行測量。通過對間冷系統(tǒng)內(nèi)材料腐蝕情況檢查對材料腐蝕類型進(jìn)行分析。在某電廠通過如圖1所示的旁路掛樣裝置在不同溶解氧含量的循環(huán)水中進(jìn)行掛樣,研究循環(huán)水中溶解氧含量對于材料腐蝕速率的影響。
圖1 間冷系統(tǒng)現(xiàn)場旁路腐蝕掛片裝置示意圖
掛片實驗結(jié)束后,按GB/T16545—1996中的方法去除鐵、鋁試片的腐蝕產(chǎn)物,使用失重法計算鐵鋁試片的腐蝕速率。
現(xiàn)場掛片實驗采用與SCAL型間冷系統(tǒng)相同材質(zhì)的試片進(jìn)行,分別為1050A純鋁和Q235B碳鋼,其具體成分如表1和表2所示。
表1 實驗用純鋁1050A的化學(xué)成分(wt.%)
表2 實驗用碳鋼Q235B的化學(xué)成分(wt.%)
SCAL型間冷系統(tǒng)主要由間冷塔、散熱器組件(冷卻三角)、循環(huán)水泵(33%)、地下儲水箱、膨脹水箱、凝汽器和進(jìn)出循環(huán)水管道等部分構(gòu)成[5],如圖2所示。
圖2 SCAL型間冷系統(tǒng)組成示意圖
在循環(huán)水運(yùn)行期間,各個扇區(qū)的排空管道開口很小,且空氣通過排空管道進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)需要擴(kuò)散經(jīng)過長度大于冷卻三角高度的水柱(冷卻三角高度一般為24m),雖與大氣相連通,但空氣不能進(jìn)入。膨脹水箱有長度大于冷卻三角高度的管道將膨脹水箱與循環(huán)系統(tǒng)間隔,管道內(nèi)的水起到液封作用。地下水箱與循環(huán)系統(tǒng)隔開,不參與循環(huán)。從結(jié)構(gòu)上看,外界空氣中的氧氣較難在系統(tǒng)運(yùn)行過程中擴(kuò)散進(jìn)入[1]。因此,循環(huán)水中溶解氧來源是運(yùn)行前除鹽水中溶解的氧氣。
SCAL型間冷系統(tǒng)的循環(huán)水管道選材為碳鋼(牌號Q235B),調(diào)研結(jié)果顯示:在某電廠間冷系統(tǒng)停用期管道內(nèi)部腐蝕情況如圖3所示,整體來看,熱水輸水管道和冷水輸水管道內(nèi)腐蝕情況基本相同,循環(huán)水管道內(nèi)壁附著有腐蝕物,總體看腐蝕比較均勻,無明顯的局部腐蝕現(xiàn)象。從腐蝕形態(tài)上看,腐蝕產(chǎn)物在管道表面形成凸起的鼓泡,鼓包外層與內(nèi)層呈現(xiàn)較深顏色。根據(jù)管道內(nèi)壁的腐蝕形態(tài)判斷,碳鋼管道發(fā)生的腐蝕類型為氧腐蝕。[4-5]。
圖3 循環(huán)水管道內(nèi)部腐蝕情況(a)(b)(c)(d)
為熱水輸水管道;(e)(f)為冷水輸水管道
SCAL型間冷系統(tǒng)使用除鹽水作為循環(huán)水,在該系統(tǒng)運(yùn)行期間pH值隨運(yùn)行時間增加而逐漸升高,在弱堿性水質(zhì)條件下,碳鋼腐蝕的去極化劑為氧氣[12]。
碳鋼發(fā)生氧腐蝕的機(jī)理如下:
SCAL型間冷系統(tǒng)冷卻三角材質(zhì)為純鋁(牌號1050A),調(diào)查發(fā)現(xiàn)只有管口位置存在腐蝕,鋁管內(nèi)壁沒有出現(xiàn)泄漏。由于鋁性質(zhì)活潑,本身極易氧化,其表面生成的氧化膜可以起到抗氧化作用[3],因此,該系統(tǒng)中氧氣的消耗與鋁腐蝕關(guān)系不大。
部分SCAL型間冷系統(tǒng)在運(yùn)行期間會向系統(tǒng)循環(huán)水中添加聯(lián)氨用于減緩材料腐蝕。雖然聯(lián)氨能與氧氣反應(yīng),但是反應(yīng)速率受到溫度、pH和聯(lián)氨過剩量的影響,一般需要溫度達(dá)到150℃,pH在9~11,且有足夠的聯(lián)氨剩余量時與氧反應(yīng)速度較快。間冷循環(huán)水的溫度(最高65℃左右)和pH(一般小于8.5)都不適宜聯(lián)氨與氧氣反應(yīng)。
綜上,碳鋼的腐蝕反應(yīng)消耗應(yīng)該是SCAL型間冷循環(huán)水中溶解氧的主要消耗形式[13]。以10 000t水的系統(tǒng)為例,初始溶解氧含量8mg/L,腐蝕反應(yīng)為4Fe+3O2+6H2O→4Fe(OH)3,則循環(huán)水中全部溶解的氧氣可以使3 333.28mol鐵發(fā)生腐蝕。如果這些腐蝕產(chǎn)物全部進(jìn)入循環(huán)水,會導(dǎo)致循環(huán)水中鐵含量上升18.656mg/L。考慮到循環(huán)水溫度升高時還會逸出部分溶解氧,循環(huán)水中鐵含量實際上升量小于該值。
為了研究循環(huán)水中溶解氧含量對于材料腐蝕的影響,利用如圖1所示現(xiàn)場掛片裝置在某電廠進(jìn)行了3組實驗,通過對比不同溶解氧條件下材料的腐蝕速率對這一問題進(jìn)行研究。3組實驗分別命名為現(xiàn)場掛片實驗1~3?,F(xiàn)場掛片實驗選擇了兩種溶解氧含量階段:現(xiàn)場掛片實驗1實驗過程中循環(huán)水溶解氧100~180μg/L,現(xiàn)場掛片實驗2、3進(jìn)行期間循環(huán)水溶解氧約5μg/L。現(xiàn)場掛片實驗1和2進(jìn)行3d,現(xiàn)場掛片實驗3進(jìn)行了28d?,F(xiàn)場掛片實驗過程中碳鋼和鋁試片表面水流速率約為1.25m/s。三組現(xiàn)場實驗期間水質(zhì)情況監(jiān)測情況匯總于表2~表4。
表2 現(xiàn)場掛片實驗1進(jìn)行期間循環(huán)水水質(zhì)變化記錄表
表3 現(xiàn)場掛片實驗2進(jìn)行期間循環(huán)水水質(zhì)變化記錄表
表4 現(xiàn)場掛片實驗3進(jìn)行期間循環(huán)水水質(zhì)變化記錄表
從表2至表3可以看出,三次實驗過程中循環(huán)水電導(dǎo)率處于4.57~5.63,各組實驗之間無明顯差異,pH處于7.17~8.73,各組實驗之間無明顯差異?,F(xiàn)場掛片實驗1期間溶解氧含量最小測量值為96μg/L,最大測量值為177μg/L,現(xiàn)場掛片實驗2和3實驗期間溶解氧含量約5μg/L。三組現(xiàn)場掛樣實驗中,循環(huán)水水質(zhì)除溶解氧有明顯區(qū)別外,其他水質(zhì)參數(shù)基本接近。
1)SCAL型間冷系統(tǒng)在運(yùn)行期間基本處于密閉狀態(tài),運(yùn)行期間大氣中的氧氣難以擴(kuò)散進(jìn)入,循環(huán)水中溶解氧主要是注水時除鹽水中攜帶的溶解氧。該型間冷系統(tǒng)循環(huán)水中溶解氧能降低至1.1μg/L。
2)碳鋼的腐蝕反應(yīng)是SCAL型間冷系統(tǒng)中氧氣的消耗主要原因。系統(tǒng)內(nèi)換水會引起循環(huán)水中溶解氧波動。
3)SCAL型間冷循環(huán)水中溶解氧含量是一個重要的水質(zhì)指標(biāo),能夠在一定程度上反映循環(huán)水的腐蝕性。循環(huán)水中氧氣降低至5μg/L時,系統(tǒng)中碳鋼和純鋁的腐蝕速率均明顯降低。