發電廠熱力系統新型氮氣保養節能創效工藝的應用

大唐國際紹興江濱熱電有限責任公司 劉建生

發電廠熱力系統新型氮氣保養節能創效工藝的應用

大唐國際紹興江濱熱電有限責任公司 劉建生

發電廠熱力系統大部分設備、管道均為碳鋼材質進行制造，設備管道停備中處于易發生金屬腐蝕，降低設備的強度，減少使用壽命。對熱力系統氮氣保養方式進行研究，對多種設備的保養方案進行分析，在電廠熱力系統的停備保養方面具有一定的推廣應用價值。

發電廠；熱力系統；氮氣保養；應用

隨著我國機械工業的快速發展和電力事業的技術進步，大容量、高參數的發電設備在各地得到了大量安裝和使用，電力電量供應也出現了較大的盈余，市場格局也產生了顯著變化。原來以600MW機組作為主流機型的形勢逐漸向百萬機組過渡，部分地區600MW等級機組已進入調峰運行狀態，原有的北方地區單機發電量200MW、300MW級熱電機組除在冬季供暖期及夏季大負荷能夠連續運行外，也出現了較長時間的停備。

無論是大型燃煤機組還是天然氣聯合循環機組，鍋爐和熱力管道都是其重要的組成部分，對應機組運行中的高壓力、高溫度，重要部件的金屬材質多為高強度合金鋼或碳鋼，具有暴露在空氣中易腐蝕的特性。鍋爐設備在備用條件下無法快速蒸發掉內部水分，在機組停運后空氣進入，導致腐蝕速度加劇。鍋爐和汽水管道受到腐蝕會產生鐵銹，并會在金屬壁面溫度變化時逐漸剝落，一方面會造成金屬壁厚減薄，鍋爐和管道的承壓強度降低，影響鍋爐的使用壽命；另一方面鐵銹進入給水，導致給水中的Fe離子嚴重超標，需要大量排污。

1 傳統熱力設備的保養方式

為了防止鍋爐和其他熱力設備在停備期間發生金屬部件腐蝕，需要對其進行可靠保養。按多年的鍋爐及管道系統保養經驗，余熱鍋爐的保養方式主要有充氮保養、干燥劑保養和干燥通風保養三種。充氮保養采用高純度的氮氣充入鍋爐和管道內部空間，利用氮氣惰性氣體的性質，隔絕氧氣防止金屬壁面受到腐蝕，保養效果優于其他兩種方式，因而在發電設備停機設備保養中得到較多的應用。

圖1 氮氣集裝格、液氮杜瓦罐

1.1 鍋爐氮氣保養的常用做法

為了研究分析高效可行的余熱鍋爐保養方式，達到較好的保養效果，浙江紹興某燃氣熱電公司對不同的充氮保養常用做法進行了試用和比較。

1.1.1 瓶裝氮氣充氮保養。保養用氮氣采用40L高壓鋼瓶存儲，氮氣壓力10MPa，為減少充氮操作，租用了某特種氣體公司20瓶組集裝格，利用多個接口同時向鍋爐系統連續進行充氮。實踐表明，在連續充入300瓶方能在鍋爐表計微正壓顯示。因要達到機組備用狀態，鍋爐系統無法加裝固定堵板，系統不嚴造成氮氣流失，每天需補入20瓶氮氣，在單臺鍋爐瓶裝保養中，一個月時間消耗約900瓶氮氣。

圖2 液氮槽罐車

1.1.2 杜瓦罐液氮充氮保養。杜瓦罐是一種存儲液態氮氣的裝置，經過液氮氣化器氣化后可形成一定壓力的氮氣。氣化后的氮氣壓力僅有0.5MPa壓力，且氣化速度較慢，如果增加氮氣流量，則會在氣化器處結冰，管路堵塞，無法快速對余熱鍋爐進行充氮。2臺杜瓦罐裝置連續兩天充氮無法達到氮氣正壓效果，無法滿足使用要求。

1.1.3 采用液態槽罐車進行充氮。槽罐車也是用于儲存液態氮氣的車載裝置，和杜瓦罐不同的是氮氣氣化量大，可以快速對系統進行充氮，能夠滿足使用要求，但需每天租用槽罐車對系統進行充氮，產生的費用較高。

采用槽罐車和杜瓦罐因涉及到液態氮氣的氣化，液氮在氣化中要吸收大量的熱，因此需要對操作人員進行專業培訓，對氣化裝置進行可靠隔離，防止人員在操作接觸氣化設備中被凍傷，產生人身傷害。

2 新型氮氣制備工藝的提出

由于傳統工藝的氮氣制備方式無法滿足鍋爐設備系統快速充氮的要求，2013年紹興某燃氣熱電公司對先進的空氣分子篩氮氣制備技術進行了調研。該種方式利用分子篩技術對空氣進行分離，得到高純度的氮氣。該制氮工藝為物理提取，對環境沒有影響，較常見的低溫空氣分離制備氧氣和氮氣技術有較大的優勢。

分子篩是由碳組成的多孔物質，具有氣體分子級大小的微孔結構，利用空氣中各種氣體在分子篩微孔中的不同擴散速度進行分離。其原理類似于常見的高過濾精度的納米級網布，用于過濾空氣對氮氣和氧氣進行分離，得到一定純度的氮氣。氮氣制備裝置一般由2臺分子篩容器和過濾器、氮氣儲氣罐、閥門及控制系統等附件組成。制氮工藝流程一般采用變壓吸附法，碳分子篩對氧氣在充壓、產氣時吸附，在降壓排氣時向外排出氧氣，在此過程中完成氮氣的收集。氮氣生產裝置設置A、B兩只分子篩吸附塔，吸附塔中填充碳分子篩，一塔吸附氧，制取氮氣，另一只塔解吸再生，排出上次吸附在碳分子篩表面的氧，兩組分子篩循環作用連續生產高品質氮氣。

該氮氣制備裝置可室外布置，在常溫下即可完成氮氣生產。控制系統由PLC和電磁閥組成，通過電磁閥的開關改變系統流程壓力完成制氮功能。在制氮裝置接入清潔度符合要求的壓縮空氣，在出口儲氣罐就能夠得到濃度99.9%的氮氣。

3 氮氣保養系統的設計和現場實施

現以浙江紹興某燃氣熱電公司余熱鍋爐、燃氣鍋爐等設備保養為例進行說明。該公司對全廠氮氣系統進行了規劃，氮氣系統設計覆蓋兩臺余熱鍋爐系統、兩臺啟動爐系統保養用氣，同時考慮了天然氣調壓站和燃機系統天然氣置換用氣。為了選擇合理流量的氮氣制備裝置，該公司對余熱鍋爐、燃氣鍋爐保養容積進行了核算。經計算每臺余熱鍋爐本體、受熱面和管路總容積約為800m3。兩臺燃氣爐需保養容積約80m3。考慮一臺機組運行，另一臺機組備用，共計需保養容積為880m3。

在燃機停機冷卻系統放水后開始充氮保養，按1-2小時完成系統充氮計算，考慮系統充氮過程中的泄漏因素，采用每小時600m3的氮氣制備裝置能夠滿足余熱鍋爐、啟動爐共880m3容積的保養，充氮壓力能快速達到50kPa以上。

圖3 氮氣制備裝置工藝示意圖

為保證氮氣管路清潔，氮氣系統管路全部采用不銹鋼材質，氬弧焊接。氮氣供應系統最遠敷設至天然氣調壓站，管路總長約600余米，系統流程如圖4所示。該氮氣供應系統管路系統于2014年1月施工，2月完成氮氣制備裝置和氮氣穩壓罐的安裝。設備管路系統安裝完成后對管路系統進行了吹掃，保證管路系統清潔。

4 新型氮氣保養系統的現場應用

4.1 氮氣保養系統現場應用情況

2014年2月，該公司氮氣供應系統安裝完成，氮氣制備投入試運，氮氣壓力0.6MPa，濃度99.9%，流量達到了600m3/h的設計參數要求。兩個小時完成了對1號機組余熱鍋爐系統的充氮，檢測口檢驗氧氣含量小于1%。由于鍋爐未裝設臨時堵板，在氮氣供應裝置停運后鍋爐氮氣壓力逐步下降。經比較采用定期充壓的方式進行充氮保養，每6個小時啟動制氮機一次，將氮氣壓力升至50kPa以上。目前已實現了DCS遠程的控制，節省了制氮裝置起動和停用所需的人力。

氮氣系統已多次完成了天然氣調壓站、燃機系統檢修的多次氣體置換操作，充氮置換過程操作簡便，氮氣置換過程快速，提高了檢修工作效率。

4.2 氮氣保養系統的應用經驗

紹興某燃氣熱電公司在應用氮氣供應裝置以后，成功采用了多種方式對余熱鍋爐系統進行充氮保養。

4.2.1 鍋爐帶水充氮保養。對于短時間的停機備用，在鍋爐汽包壓力小于0.2MPa開始充氮保養。首次充氮合格后，對氮氣壓力進行監視，維持氮氣壓力20-50kPa，低于20kPa補充氮氣。

4.2.2 干法停爐充氮保養。在余熱鍋爐鍋爐受熱面水放凈后，向高中低壓汽包充入氮氣，通過控制閥門逐個完成三個壓力省煤器，蒸發器和過熱器換熱模塊的氮氣置換操作。各受熱面氮氣置換完成后，對氮氣壓力進行監視，維持氮氣壓力20-50kPa，低于20kPa補充氮氣。

4.2.3 濕法充氮保養。鍋爐水側采用化學加藥的方式進行保養，通過添加無機鹽或揮發性的聯氨和氨水來達到水側保養效果；鍋爐氣側采用氮氣進行密封，防止空氣進入。

4.2.4 為了保證充氮保養效果和操作中的安全，需在實施中采取如下措施：

（1）規范鍋爐充氮保養作業流程。在余熱鍋爐充氮中要根據充氮方式的不同，采取不同的氮氣濃度檢查方法。如在鍋爐放水前由鍋爐高點充入氮氣，則需要在水放凈前建立氮氣壓力，保證氮氣充滿余熱鍋爐上部空間，在余熱鍋爐下部放水點測取氧氣濃度。在余熱鍋爐無水狀態下充氮時，空氣已完全占據余熱鍋爐的內部空間，在余熱鍋爐內部氮氣壓力升高后，連續由鍋爐下部進行放氣，確保空氣中的氧氣全部排出，直至在鍋爐下部放水點測取氧氣濃度合格。

（2）氮氣保養裝置產出的是0.6MPa的常溫氮氣，因其壓力低，在充氮操作中不會因壓力下降導致溫度下降過多，因此沒有瓶裝氮氣壓力降低導致的溫度下降而可能會造成凍傷的情況。因此在正常操作中是安全的。

（3）在有限空間作業中如果氮氣濃度過高，在其中工作存在窒息的危險。因此要提前對保養區域通風，并對其中的氧氣含量檢查確認，防止發生危險。

5 鍋爐系統停機氮氣保養實施效果

5.1 提高了鍋爐系統的安全可靠性和使用壽命

紹興某燃氣熱電公司2014年2月完成了余熱鍋爐氮氣保養系統的安裝和使用，實現了設備的遠程監控和啟停，該公司實現了機組即停運即保養的良好操作模式。在機組停運，鍋爐系統壓力消除后開始投入氮氣保養系統進行設備保養，對鍋爐系統空氣進行置換，保持系統內氮氣壓力50kPa左右，隨時抽樣測取氧氣的濃度，保證鍋爐內部無氧氣進入。

根據使用經驗，即使在長達3個月的機組停備，機組上水循環后給水中的Fe離子仍處于較好水平，說明鍋爐和管道金屬未受到腐蝕。該公司在2015年10月小修中，技術監控單位對鍋爐汽包和管道系統進行了全面檢查，汽包及管道壁面光滑、無銹蝕，鍋爐保養評價效果為優。

5.2 該成果取得的經濟效益

5.2.1 如采用傳統的瓶裝氮氣對鍋爐系統進行保養，根據紹興某燃氣電廠經驗單臺鍋爐每月需900瓶氮氣（首次充氮300瓶，每天補充20瓶），按瓶裝氮氣每瓶35元進行計算，每月需要氮氣保養費用9.45萬元，按每年每臺機組保養3個月進行測算，費用為18.9萬元。兩臺燃氣爐保養首次充氮需30瓶，每天充氮5瓶，按需3個月進行計算，每年費用為 3.78萬元。年用于天然氣系統濾網清理、閥門檢修等檢修置換用氮氣計400瓶，需瓶裝氮氣費用1.4萬元。經計算每年消耗瓶裝氮氣約為24.8萬元，但因氮氣充入緩慢，無法保證鍋爐充滿氮氣，保養效果較差，仍需在鍋爐啟動和運行中大量排污。

該氮氣系統采用物理分離方式對空氣分離，如果提供的壓縮空氣清潔，則氮氣生產中分子篩不會產生老化現象，質量較好的分子篩填料使用壽命可達十年以上，運行中無其他運行費用。該公司新的氮氣供應系統安裝費用如下，氮氣制備裝置50萬元，管路系統敷設3萬元，人工2萬元，共計55萬元。

根據以上數據，可以得出該項目在充氮保養和置換方面的直接投資回收期為2.21年。

5.2.2 該公司鍋爐采用氮氣保養系統后，減少了冷態啟動除鹽水的消耗。按兩臺機組年冷態啟動30次，在氮氣系統安裝前每次啟動放水3次，每次換水量300t計算，每年可節省除鹽水2.7萬t，除鹽水按10元/t進行計算，每年可節省費用達27萬元。鍋爐減排水量也得到了大幅減少，減少了工業廢水的處理和外排，有利于節能環保。機組啟動期間高、中、低壓系統需100%開度連續排污需5-6個小時，日補水在700t以上。實施后20分鐘后鍋爐水質合格，連排全關。單臺機組日節約除鹽水500t/臺次。按機組啟動360次（該機組兩班制運行，晝起夜停）計算，年可節約除鹽水18萬t，可節省費用達180萬元。

5.3 取得的社會效益

采用氮氣系統對鍋爐系統進行保養后，運行人員可以在控制室完成充氮保養的所有操作，并能進行連續監視，保證鍋爐的充氮保養效果。相對于采用瓶裝氮氣、杜瓦罐液氮，槽罐車液氮等保養方式而言，采用氮氣制備裝置后節省了大量的人力。該裝置采用后減少人力操作，消除了瓶裝氮氣和液氮帶來的安全隱患。

在采用了氮氣系統對鍋爐保養后，金屬壁面銹蝕狀況得到改善，鍋爐啟動及正常排污次數大幅減少，減少了除鹽水的制備量和爐水的排污量，有利于節能環保。可以低成本提供氮氣用于天然氣系統的檢修置換操作，縮短了設備檢修時間。

6 氮氣保養設備的應用前景

6.1 在鍋爐保養取得較好的效果后，該燃氣熱電公司已逐步將氮氣保養范圍擴充至整臺機組，將汽機側管路系統、供熱系統管路也納入到保養范圍。在凝汽器、汽機汽缸內部也由主汽管路充入氮氣，減少內部氧氣含量，降低汽輪機隔板葉片、凝汽器腐蝕。

6.2 改變氫冷發電機組瓶裝氮氣置換的現狀，將氮氣制備裝置用管路接至發電機氫排位置，快速地完成發電機的氮氣氫氣置換，節省檢修置換時間，也避免高壓氮氣瓶經減壓后溫度降低對人員造成的凍傷等問題，提高發電機氮氣置換過程的安全性。

6.3 北方熱電企業采暖供熱系統熱網加熱器、蒸汽管路系統龐大，傳統的熱風干燥保養效果較差，如采用該氮氣制備系統對熱網系統進行保養，可以短時間內完成系統充氮，達到以較小的成本實現設備充氮保養。減少供熱站設備的腐蝕，減少由于設備腐蝕造成的系統停運，保證居民的采暖用熱。

6.4 對于市政系統熱力采暖長輸管道保養具有重要意義。熱力系統管路內部采用防銹漆防腐，供熱停運后采用不放水處理，管道內壁腐蝕嚴重。如采用氮氣進行保養，可以延長管路系統的使用壽命。以600m3/h的氮氣供應裝置計算，只需一天時間即可完成直徑1米管路幾十公里的充氮保養任務，取得的經濟效益和社會效益不可估量。