超臨界火電機組水化學工況特性分析

黃　靜

(廣州粵能電力科技開發有限公司，廣東　廣州　510080)

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超臨界火電機組水化學工況特性分析

黃靜

(廣州粵能電力科技開發有限公司，廣東廣州510080)

對超臨界機組的三種水工況進行了比較。從三種水工況條件下形成的保護性氧化膜特征分析，發現在氧化性水工況條件下，鋼形成的保護膜耐水沖刷，OT(Oxygenated treatment)水工況下系統的結垢和積鹽量大大減少，氧化皮在過熱器、再熱器的沉積少，延長了精處理運行周期，減少了凝結水中鐵的含量，因此OT水工況是超臨界鍋爐最佳的水工況。機組在啟動時，需要先進行AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment)水工況運行，再轉化為OT水工況，以確保機組安全運行OT水工況。

水工況；AVT(R)；AVT(O)；OT

超臨界火電機組是我國火電機組發展的趨勢。發展超臨界及超超臨界火電機組，機組的參數等級及容量等級是超臨界機組進一步發展需要探討的問題[1]。蒸汽參數的提高，機組的效率增大，對蒸汽品質的要求越高，對給水要求的品質也越高[2]。影響蒸汽品質主要有爐管表面狀態、給水品質等，而不同水工況可以減輕爐管表面狀態的劣化，提高給水品質。超臨界給水處理方式有三種，分別是AVT(R)、AVT(O)、OT。這三種給水處理方式各自存在優缺點。

1　超臨界給水處理方式的優化

1.1三種水工況簡介

AVT(R)(Reducing all-volatile treatment)是指采用氨和除氧劑(如N2H4)聯合處理，此時給水的氧化還原電位(ORP)通常<-200 mV，適用于水汽系統嚴密的有銅系統。氨具有較強的揮發性，隨著爐管升溫和爐水濃縮，氨逐漸揮發，并被蒸汽攜帶，因此不會局部濃縮為濃堿造成堿蝕，不會使爐水的含鹽量增加；不會出現鹽類隱藏現象[3]。在AVT(R)水工況下，給水系統的局部在水流條件惡化時易發生流動加速腐蝕(FAC)，加速鍋爐腐蝕和結垢的速率[4]。AVT(R)水處理工況下的鍋爐在首年的水冷壁結垢速率要大于正常運行，且汽輪機積鹽現象明顯，鹽類成分復雜，其中Fe、Cu、Na、Mn的鹽垢主要源于運行期，P、Ca等成分雜質源于基建期。

AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment)是只加氨但不加除氧劑，氧化還原電位在0～+80 mV左右，適用于水汽系統嚴密的高純給水系統。在氧化性水工況環境下，鋼鐵的表面易形成和維持一層致密的更耐蝕的Fe2O3/Fe3O4氧化膜，以此減輕金屬的腐蝕速度[5]。AVT(O)處理時，機組負荷變化對水汽品質沒有明顯的影響。

OT(Oxygenated treatment)，此時加氨和氧，氧化還原電位通常>+100 mV[6]，適用于水汽系統嚴密，具備加氧條件的高純給水全鐵系合金系統。OT工況減少了系統的腐蝕產物遷移，降低了鍋爐的壓損，延長了凝結水精處理的運行周期，延長了鍋爐的化學清洗周期，減輕了凝汽器中銅的腐蝕。采用OT水工況時，鋼表面會形成致密的α-Fe2O3，FeOOH，將充填外層的Fe3O4的間隙并覆蓋在其表面上，耐水流的沖擊[6]。

1.2三種水工況的對比

我國超臨界機組最初給水處理方式都采用AVT水工況，在AVT工況下機組運行時不同程度的出現了這些問題：給水中鐵濃度較高；鍋爐爐管的結垢速率快；鍋爐的運行壓差上升速度快；鍋爐清洗頻率高；部分水相的節流調節閥結垢嚴重，難調節；由于流動加速腐蝕導致高壓加熱器和省煤器管發生破損引起泄漏；汽機易結垢、結鹽；凝結水精處理再生頻率高等。將三種水工況的對比如下[3,7]：

(1)化學清洗間隔：AVT(R)每年進行兩次化學清洗；加氧后，4年無需進行化學清洗；

(2)氨蝕：AVT(R)水汽系統中含銅部件易出現氨蝕，AVT(O)和OT較難出現氨蝕；

(3)給水氫電導率：AVT(O)小于AVT(R)；

(4)飽和蒸汽氫電導率：AVT(O)與AVT(R)相當；

(5)爐水中鐵含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(6)飽和蒸汽中鐵含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(7)給水中鐵含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(8)省煤器管內垢量：基本相同；

(9)水冷壁管內垢量：AVT(O)小于AVT(R)；

(10)結垢成分： AVT(R)水工況的還原性較強，OT水工況的氧化性較強，AVT(O)水工況處于兩者之間。因此AVT(R)條件下鋼鐵表面形成的氧化物為致密性較差的磁性鐵垢，且氧化物中Fe2+產物具有一定的溶解度；在OT工況下氧化鐵化合物(FeOOH)在金屬表面及其內部的細孔覆蓋及填充，形成致密的磁性鐵垢且溶解度低；AVT(O)工況下金屬表面的磁性鐵垢致密性介于兩者之間；

(11)水冷壁管狀態：AVT(R)氧化膜呈波紋狀，AVT(O)管壁平滑。

從上述的對比來看，OT水工況是最佳的水處理方式，AVT(O)次之，而AVT(R)水工況相對其他兩種水工況，產生的腐蝕和結垢要多。超臨界機組對水的純度要求高，采用加氧處理，氧在高純度水中可以將金屬材料鈍化，降低了給水中鐵含量并抑制了爐前系統(特別是鍋爐省煤器人口管和高壓加熱器管的流動加速情況下)腐蝕(flow accelerated corrosion，簡稱FAC)，降低水冷壁管氧化鐵的沉積速率和延長化學清洗周期[8]。

1.3AVT水工況轉換成OT水工況的優勢

將AVT改成OT處理后，能將給水指標控制在非常好的范圍內，系統的鐵含量將有一定幅度的下降；OT水工況解決了AVT水工況下節流孔被磁性Fe3O4堵塞的問題，機組在正常檢修時不需要進行特別清理；采用OT后，省煤器管和水冷壁管的結垢速率大大的下降，鍋爐化學清洗周期可延長至10年以上；AVT工況運行時的鍋爐的壓差上升速率較快，采用OT運行后壓差隨著鍋爐持續運行時間的延長逐漸降低，在接近鍋爐的設計運行壓差時逐漸趨于穩定；OT工況下，給水pH值控制在8.5左右，給水中氨含量在60 μg/L左右，可提高凝結水精處理混床的工作環境，也降低了混床中陽樹脂的負擔，使混床的處理效果提高并其使其運行周期延長了3～7倍。

在AVT(R)水工況條件下，由Fe3O4內層和疏松多孔的Fe3O4外延層構成的雙層Fe3O4氧化膜在鋼鐵表面形成。當局部水流動條件惡化時，由于疏松的外延層不耐水沖擊，脫落后形成氧化皮，導致管道的故障。AVT(O)水工況下，鋼鐵的表面易形成和維持一層致密的更耐蝕的不易脫落的Fe2O3/Fe3O4氧化膜，減緩了金屬的腐蝕速度[9]。OT水工況時，鋼鐵表面會形成致密的α-Fe2O3，FeOOH，將充填外層的Fe3O4的間隙并覆蓋在其表面上。

1.4機組給水處理方式的優化

國內外超臨界機組的運行經驗告訴我們，OT是超臨界機組的最佳水處理方式。直流鍋爐采用OT能有效地防止給水系統水流加速腐蝕(FAC)、減少鍋爐受熱面結垢，延長鍋爐化學清洗周期。機組在運行初期，一般不具備實施加氧處理(OT)的條件，若采用氨+聯氨的還原性全揮發處理(即AVT(R))，會出現給水含鐵量偏高的現象。而AVT(O)處理時給水含鐵量遠低于AVT(R)處理時的含量，因此可將AVT(O)作為這一過渡階段的給水處理方式，以彌補還原性處理的不足。

1.5給水加氧條件

給水加氧首要條件為：全鐵系合金系統，已酸洗或水冷壁結垢量小于200 g/m2；精處理后的凝結水，在精處理混床出口的電導率小于0.15 μS/cm，省煤器入口給水氫電導率小于0.15 μS/cm。此外兩種不同的加氧處理也存在的差別。

(1)AVT(O)處理的水質控制

① pH值的控制：給水pH值越高，磁性氧化鐵垢的溶解度越低，因此pH控制在9.0～9.6；

② 氫電導率的控制：嚴格控制小于0.2 μS/cm，最好小于0.15 μS/cm；

③ 氧含量的控制：省煤器入口的氧含量≤10 μg/L。

(2)OT處理時水汽質量標準

OT處理時，水汽質量要求的標準[10]如表1所示。

表1　OT水處理水汽質量標準Table 1　qualitative criteria of water and steam for Water treatmen

為防止水質惡化，系統中的氧將導致腐蝕加劇，需要隨時在線監測水汽質量。

1.6機組加氧期間的設備運行與監督

機組加氧運行期間，運行和監督主要是控制氫電導率和氧濃度[8]：

(1)氫電導率的控制

給水的氫電導率是限制 AVT(O)轉化為OT水工況的最重要因素。在加氧的初期，機組的給水指標控制在AVT水工況的范圍內，機組的化學水工況穩定(即給水的氫電導率恢復到小于0.15 μS/cm)后將給水的pH由9.2～9.6逐步降低至8.5～9.0。

(2)氧濃度的控制

系統氧質量濃度可以依據省煤器進口水的氫電導率進行的控制。在轉換初始，可以加大氧的投入量，控制在0.15～0.3 mg/L。在轉化的過程中，給水的氫電導率大于0.15 μS/cm時應該降低氧的注入濃度；直到氫電導率低于這個限值時，方可以繼續增加氧的注入濃度。

1.7故障處理

因OT水工況對水質要求很嚴格，在運行過程中，水質因泄露、腐蝕、水質不格等原因都會造成腐蝕加劇，因此需要采取應對措施。水質異常時的處理措施如表2所示。

表2　水質異常時處理措施Table 2　treatment measures for abnormal water quality

2　結　論

氧化性水工況條件下，鋼在超臨界條件下形成的保護膜耐水沖刷，減少了FAC的發生，OT水工況對水質的嚴格要求使系統的結垢和積鹽量大大減少，氧化皮的沉積減少，延長了精處理運行周期，減少了凝結水中鐵的含量，因此OT水工況是超臨界鍋爐最佳的水工況。機組在啟動時，需要先進行AVT(O)水工況運行，再轉化為OT水工況，以確保機組安全運行OT水工況，OT水工況條件下需要實時監測系統的水汽指標，防止水汽不合格而加速系統的腐蝕。

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Water Operation Conditions Characterization Analysis of Supercritical Thermal Power Plant

HUANG Jing

(Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510080, China)

Three water operation conditions in supercritical power plant were compared in this work. The protective oxide film characterizations at each of the three water operation conditions were analyzed. The results showed that the protective film on steel was water-erosion-resistant in supercritical condition at oxidizing operation conditions, OT (Oxygenated treatment) condition had so strict water quality requirement that fouling and salt deposition in system were greatly reduced, oxide scale in superheater and repeater deposition rate was decreased, the condensate polishing system running cycle was prolonged, the iron content in condensed water was reduced. So OT condition was optimal condition for supercritical boiler. When startup, AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment) operation condition was the first operated condition and then should be transformed with OT condition, to ensure the safe operation of boiler.

water operation conditions; AVT(R); AVT(O); OT

黃靜(1986-)，女，碩士，主要從事電力環境保護工作。

TM621.8

A

1001-9677(2016)09-0160-03