某燃氣輪機熱電減溫水噴嘴頻繁堵塞原因分析及防治措施

劉祥亮，周 臣，洪新華，趙立群，王 寧，王春霞

(1. 中電華創電力技術研究有限公司，上海 200081；2. 北京歐林特技術咨詢有限公司，北京 110048；3. 中電商丘熱電有限公司，河南 商丘 476000)

某燃氣輪機項目總裝機規模1 300 MW，包括兩臺9E機組(2×180 MW)和兩臺9F機組(2×470 MW)。四臺機組均為燃氣-蒸汽聯合循環機組，其中9E機組為兩臺GE公司生產的重型燃氣輪發電機組，與國產余熱鍋爐和汽輪發電機組構成兩套1+1+1配置的聯合循環發電機組；9F機組鍋爐選用東方日立三壓、再熱、無補燃、臥式、自然循環鍋爐，燃氣輪機選用東方三菱M701F4重型燃氣輪機。該項目設計配套高、中、低壓三種參數抽汽供熱及溴化鋰吸收式集中制冷站，通過對發電過程余熱進行利用，實現冷熱電三聯供。

機組近階段制冷站減溫水噴嘴運行過程中存在頻繁堵塞的現象，對系統安全運行造成較多的危害，主要體現在減溫水噴嘴需不定期人工拆卸清理，增加檢修工作量，影響制冷機系統正常運行狀態；單位時間內通入的水流量減少，造成冷卻效果不佳，蒸汽過熱；堵塞物污染減溫水水質，降低蒸汽品質；減溫水噴嘴堵塞造成管道輸送泵壓力增大，泵頻率和開度增大，工作電耗增加，增加運行成本；管道若發生腐蝕會縮短設備的使用壽命[1-2]。

通過設備檢查、水樣檢測和堵塞物質化學成分分析等工作，初步診斷出減溫水噴嘴頻繁堵塞的原因，并提出了相應的防治措施和建議。

1 設備宏觀檢查

減溫水管道位于制冷站廠房頂棚外部，余熱鍋爐熱水供制冷機回水管處。設備KKS編碼為I4601，水源取自凝結水加熱器出口，介質即為凝結水。I4601管道配1備1用2套不銹鋼濾網，投入運行約一年，拆開濾網見片狀乳白色垢皮，厚度約0.7 mm，質地脆弱易折，殘留的雜質。拆開噴嘴檢查發現堵塞的黑色粘狀物質見圖1。

圖1 減溫水濾網處雜質和噴嘴處堵塞物質

對I4601管道噴嘴區域進行系統檢查，流程示意圖見圖2。

圖2 I4601管道流程系統示意圖

從圖2中可見，從余熱鍋爐側凝結水加熱器出口引至制冷站的減溫水管道，規格為Φ219的普通碳鋼材質，長度約200 m，管道內部熱水(汽)為140 ℃左右，壓力2.0 MPa，流量為120 t/h～200 t/h，經制冷站換熱后回水重新送至凝汽器加熱器入口，回水溫度為70 ℃左右。從回水管引約70 ℃減溫水，通過濾網過濾，從噴嘴直接噴淋至I4601蒸汽管道，I4601管道蒸汽由約240 ℃減溫至約160 ℃，減溫方式為介質直接混合式。I4601管道內蒸汽經制冷機后降溫至85 ℃，疏水收集在中間熱水箱。

2 減溫水及堵塞物檢測分析

2.1 減溫水水質檢測分析

對I4601管道減溫水取樣，首先采用原子吸收光譜儀檢測水質鐵離子含量，原子吸收光譜儀檢測結果超出了儀器的檢測上限，隨后采用分光光度法測定，取樣的減溫水鐵離子含量為0.999 mg/L，減溫水鐵含量異常。

2.2 堵塞物掃描電鏡、能譜及定量分析

對減溫水噴嘴堵塞物進行取樣檢測分析，掃描電鏡、能譜分析及定量分析檢測結果見圖3。

2.2.1 掃描電鏡和能譜分析

從圖3可見，放大后垢樣尺寸不均勻，由很多微小顆粒粘結在一起，有些顆粒物可見發暗物質，有些顆粒物只含有微小顆粒物。大部分顆粒物只含有Fe和O元素，含發暗物的顆粒物含有O、Si、Fe或Ca元素，有些顆粒物含有O、S、Cr、Fe和Ni元素。說明減溫水噴嘴處垢樣主要成分為鐵氧化物，其次為含硅化合物以及鉻的氧化物等物質。

圖3 堵塞物質掃描電鏡和能譜分析

2.2.2 定量分析

根據DL/T 1151-2012《火力發電廠垢和腐蝕產物分析方法》中相關方法，對水分、Fe3O4含量等指標進行化學定量分析，測試結果見表1。

表1 垢樣化學定量分析結果

綜上所述，減溫水噴嘴處垢樣為粉末狀，含有少量的半透明物質和灰白色物質，大部分物質有磁性。能譜分析結果表明減溫水噴嘴處垢樣的主要元素為Fe和O，局部含有少量的Si、S、Ca、Cr和Ni等元素?；瘜W定量分析顯示垢樣中Fe3O4含量為89.49%，酸不溶物含量為8.05%。

3 原因初步分析

3.1 減溫水前端水質

I4601管道減溫水源自余熱鍋爐側凝汽器加熱器出口，凝加出口未設置取樣點，無法直接對減溫水前端(凝加出口)水質進行分析檢測。查閱了化驗班凝結水歷史分析記錄，凝結水水質較好，不存在鐵離子超標現象。參考了2018年10月24日廣東特種設備檢測院出具的《電站鍋爐水汽質量檢驗報告》(報告編號BJJ-S01804891)，見圖4。

圖4 近期電站鍋爐水汽質量檢驗報告

從圖4中可見，凝結水硬度接近0，CC、Na+、Fe2+、Cu2+、SiO2未檢，尚無法完全排除凝汽器加熱器出口水質較差從而引起減溫水噴嘴堵塞。

3.2 管道發生流動加速腐蝕

該廠凝結水pH值要求控制在9.40～9.60，實際運行中因調峰啟停補水量大和監控調整不及時的原因，有時控制偏低，在9.20～9.60之間。

圖5 鐵/水電位—pH理論圖

圖5為鐵水與pH值腐蝕的理論關系，一般意義上，pH值9.60條件下靜態溶液中金屬鐵處于鈍化或免蝕區域(非腐蝕狀態)[3]。但Woolsey[4]和Baranenko[5]等國外專家研究發現當溫度處于120～160 ℃的水汽環境下，水分子電離平衡常數會改變，導致溶液真實pH變化，管道介質與金屬基體處于高流速沖刷狀態，微觀上會發生不同程度的流動加速腐蝕反應(FAC)，特別是在管道彎頭處發生FAC的風險較高如圖6所示。從動態方面分析，管道內表面的鐵開始溶解，并與水中的OH-結合生成Fe(OH)2，在水中溶解氧充足時，Fe(OH)2氧化成致密的氧化膜層Fe2O3，隨著氧的不斷消耗，水中的氧不足以將Fe(OH)2完全氧化為Fe3+，此時則轉化為磁性氧化膜Fe3O4，該層氧化物結構較為疏松[6-7]。這也解釋了垢樣成分局部含有少量的Cr和Ni等元素的原因。

圖6 140 ℃時流速、pH與FAC速率關系

3.3 Fe(OH)3膠體變徑處摩擦脫穩聚沉

圖7 碳鋼管道膠體Fe(OH)3脫穩示意圖

無論是減溫水水質較差含有膠體態Fe(OH)3，還是微觀FAC反應生成的Fe(OH)3膠體，原本穩定分散在減溫水中的同類電荷膠體態Fe(OH)3會在噴嘴孔隙變徑處發生碰撞摩擦脫穩反應，生成磁性Fe3O4在噴嘴處沉積堵塞[8-9]。

4 結論與防治措施

結合設備檢查、減溫水水質檢測、堵塞物的掃描電鏡和能譜分析數據綜合初步分析認為，制冷站I4601管道噴嘴堵塞的主要原因為減溫水本身水質較差，分散在減溫水(介質)中的膠體態Fe(OH)3，在管道噴嘴變徑處同類電荷摩擦脫穩，微觀流動加速腐蝕反應生成疏松的磁性氧化膜，沖刷脫落沉積在噴嘴孔隙之處。針對上述原因，提出以下幾點防治措施：

(1) 在減溫水管道進出口設置取樣點，加強對I4601管道減溫水的日?；瘜W監督工作[10]。

(2) 利用檢修期間對制冷站I4601減溫水管道彎頭處割管檢查管壁內部形貌，確認I4601減溫水管道發生流動加速腐蝕程度。

(3) 對制冷站I4601減溫水系統改造，減溫水從水質較好的位置引用。

(4) 因水汽系統控制pH值較高，建議查找機組中有無銅制元件，謹防熱力設備發生堿性腐蝕[11]。