9F級聯合循環供熱機組停用保護系統設計技術方案研究

楊俊，潘曉磊，蔡龍海，張大全，朱沖,2，姚勇

9F級聯合循環供熱機組停用保護系統設計技術方案研究

楊俊1，潘曉磊1，蔡龍海1，張大全2*，朱沖1,2，姚勇1

（1．華電奉賢燃機發電有限公司，上海市 奉賢區 201404；2．上海電力大學環境與化學工程學院，上海市 楊浦區 200090）

在火力發電廠中，主設備的腐蝕問題會帶來重大安全隱患和經濟損失。因此，電廠熱力設備在停運期間采取適當的保養措施是非常重要的。針對9F級燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組中余熱鍋爐的水汽系統，制定了熱風+氣相緩蝕劑的停運防銹蝕聯合保養方法，通過減少設備內部水分，通入帶有保護性的氣相緩蝕劑來達到保護熱力設備的目的。闡述了停用保護系統設計、保養實施過程、保養裝置運行操作，為燃機機組停用保護工作的有效實施提供必要的參考。實際應用的檢驗表明，該停用保護技術具有成本低廉、操作簡單、保護高效等優點，對于啟停頻繁的燃機熱力設備的維護和保養工作具有重要的指導意義。

9F級燃氣-蒸汽聯合循環機組；氣相緩蝕劑；停用保護

0 引言

目前，燃氣-蒸汽聯合循環機組電廠燃機、余熱鍋爐、汽輪機經常因電網負荷變化、檢修、調峰等因素啟停頻繁[1]。機組在停運期間，如果不采取適當的保養措施，熱力設備及系統水汽側的金屬表面會發生強烈的腐蝕，這種腐蝕即為停爐腐蝕[2]。腐蝕問題容易導致熱力設備發生故障，從而嚴重影響電廠的生產安全和經濟效益[3]。因此，在機組停用期間采取一定的防腐保養措施尤為重要。

通常火電廠熱力設備停用保護采用的方法分為兩大類，即濕法保護和干法保護。濕法保護是將具有保護性的水溶液充滿鍋爐，杜絕空氣中的氧氣進入鍋爐內，從而避免或減緩鍋爐因停爐而發生的腐蝕，該方法一般只適用于短期停運的設備。濕法保護通常采用給水壓力法、氨加聯氨法、二甲基酮肟法、十八胺等藥劑法保護。給水壓力法適用于停爐一周內鍋爐的防腐，在鍋爐停運后，將鍋爐內注滿除氧水，并保持一定壓力及溢流量，以防止空氣進入到鍋爐內部；氨加聯氨法、二甲基酮肟法、十八胺等藥劑法是將藥品配成的溶液充滿鍋爐內部空間，這些化學試劑會在金屬表面形成耐腐蝕性保護膜，從而達到防腐的目的。干法保護則是向鍋爐內通入干燥氣體，從而達到蒸發水分、減緩腐蝕的目的。常用的干法保護方法包括：充氮法、熱風或干風法、干燥劑法、氣相緩蝕劑法。其中氣相緩蝕劑法是一種成本低廉、效果顯著、操作簡便的主動型停用保護技術，氣相緩蝕劑揮發成保護性氣體，通過在金屬表面吸附成膜來阻止或減緩腐蝕性離子的侵入，由于氣體是無孔不入的，因此該方法尤其適合結構復雜的熱力設備的保養維護[4]。此外，氣相緩蝕劑還具有水溶性好、擴散速度快、殘留藥劑少、無需專門清洗等特點[5-7]，這也使得該方法特別適合啟停頻繁的燃機系統保護。

本文針對9F級燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組中余熱鍋爐的水汽系統制定了熱風+氣相緩蝕劑的停運防銹蝕聯合保養方法。其中停爐時按照熱爐放水、余熱烘干法操作，保證鍋爐水汽系統積水蒸發。當鍋爐、汽輪機溫度和壓力降至一定條件后，通過保養裝置向系統內部充入氣相緩蝕劑，控制高溫、高濕環境下的熱力設備的銹蝕。冷爐狀態可直接采用干風保養方式維持系統內部濕度，或用氣相緩蝕劑進行保養。

1 保養方法

依據《火電廠停(備)用熱力設備防銹蝕導則》(DL/T 956—2005)中規定的防銹蝕方法，并結合燃機余熱鍋爐機組系統特點和停機特點，對奉賢燃機余熱鍋爐制定了熱風+氣相緩蝕劑聯合保養的方法[8]。

根據碳鋼材料在大氣中的腐蝕機理，空氣的相對濕度是碳鋼材料腐蝕速度的決定性因素[9]。當空氣相對濕度高于臨界值60%時，碳鋼的腐蝕速度急劇增大，當相對濕度為60%~100%時，碳鋼的腐蝕速度是相對濕度為30%~55%時的100~1000倍。因此降低熱力系統內部的相對濕度可以極大程度地減緩系統內金屬設備的腐蝕速率，再配合氣相緩蝕劑可以有效地將設備的停運腐蝕降到最低。依據燃機及余熱鍋爐的系統結構和使用環境特點，對不同設備采取不同的控制濕度方法，其中燃機及余熱鍋爐煙氣側采用熱風保養，通過加熱除濕裝置，將加熱到60℃以上的熱風從壓氣機入口送入到燃機進氣系統，再從余熱鍋爐煙氣擋板前抽出后送往加熱除濕裝置，以此循環降低煙氣系統內的相對濕度。余熱鍋爐水汽系統保護以干風保養方式為主，用含濕量極低的干風將熱力系統內部相對濕度(25℃)控制在50%以下。在機組停運初期，系統內濕度較大時配合使用氣相緩蝕劑，可以很好地控制高濕環境下的腐蝕。熱風及干風保養方式具有保護效果好、方法應用簡便靈活、不影響機組水汽品質等優點，還可以與熱爐放水、充氮保護、成膜胺法等保養方法協同配合使用，能適應機組各種停機工況[10]。

2 保養設備

根據確定的熱風、熱風+氣相緩蝕劑聯合保養方法，需要選擇專用的停爐保養裝置提供熱風：

1）汽機房共有4臺空壓機，每臺出口風量為234L/s(即14.58m3/min)，出口壓力為0.75MPa。

2）停用保護裝置熱風溫度可調。

3）設備參數：功率為180kW；加熱溫度為50~250℃；產氣量為30m3/min；出口壓力為 0.5MPa。

4）停用保護裝置應包括熱風保養裝置和熱風緩蝕裝置，其中氣相緩蝕儲罐2套。氣相緩蝕儲罐設計為旁路，整個停用保護裝置可以在熱風和氣相緩蝕保護之間進行切換。熱風不僅能對熱力設備進行干燥除濕，減緩停用腐蝕，還可以加快氣相緩蝕劑的揮發，攜帶氣相緩蝕劑揮發的有效成分到達熱力設備的各個部位，從而提高對設備的保護效果。

熱風保養裝置具備以下功能：

1）除濕干燥。除濕干燥是干風緩蝕保養裝置的主要功能，其作用是向受保護設備提供足量的低濕度干風，降低并維持受保護系統內部的濕度，保證系統濕度處在金屬腐蝕速率較低的區域。

2）攜帶氣相緩蝕劑。通過干風將氣相緩蝕劑攜帶進入受保護系統，營造熱力系統空間內微堿性的緩蝕環境。使用氣相緩蝕劑后，受保護系統內的一些支路管道可在緩蝕劑分子無序擴散的情況下得到最佳保護。

3）熱風干燥。干風加熱一方面是為了充分揮發緩蝕劑，另一方面也是為了提高系統內的溫度，便于去除金屬表面凝結水汽。

圖1為熱風緩蝕裝置的示意圖，熱風緩蝕裝置設計為2個回路，即熱風回路和熱風氣相緩蝕回路。熱風氣相緩蝕由空壓機來熱風，依次通過油水分離器、電加熱器、集氣箱，再到緩釋儲罐，最后向鍋爐、汽機輸送熱風緩蝕氣體。

圖1 熱風緩蝕裝置

熱風從緩蝕儲罐下面的管口進，經過2個覆蓋緩蝕藥劑的托盤，摻雜緩蝕氣體后從緩蝕儲罐上面管口排出，關于緩蝕儲罐制造應滿足以下需要：

1）具有設備本體和控制部分，以及相應的備品和備件。

2）設備上全部閥門為中壓閥門，烘干裝置出口熱空氣管道要保溫，管殼用60mm巖棉，表面裝不銹鋼皮保護。

3）應按照《固定式壓力容器安全技術監察規程》(TSG R0004—2009)[11]和《壓力管道安全技術監察規程：工業管道》(TSG D0001—2009)[12]規定，負責裝置的設計、制造和試驗。

3 停爐保養系統設計

3.1 停爐保養系統總體設計

停爐保養系統總體設計如圖2所示，熱風由空壓機送風，經過熱風緩蝕裝置，攜帶著緩蝕劑的熱干氣流通過干風母管進入#5、#6余熱鍋爐系統以及#5、#6汽機系統，從而對其進行保護。

圖2 停爐保養系統總體設計圖

3.2 風道流程系統設計

以#5余熱鍋爐水汽系統和汽機水汽系統為例介紹風道流程系統的設計。

3.2.1 #5余熱鍋爐水汽系統的熱風緩蝕通道流程

熱風緩蝕裝置出口處的干風經干風母管引至#5余熱鍋爐各系統的緩蝕管道，根據余熱鍋爐機組水汽流程特點，將水汽系統設備劃分為高中壓給泵系統、低壓、中壓、高壓4個干風通道。

1）#5余熱鍋爐高中壓給泵通道干風流程。

圖3為#5余熱鍋爐高中壓給泵通道干風流程的示意圖。其保養范圍包括：高壓給泵5A和5B，中壓給泵5A和5B。在設備停運期間，干風由總緩蝕通道流入，經過總閥門后分為左右2路，由于從反向逆止閥門進入需要一定的壓力，因此設計了從#5余熱鍋爐總管道來的熱風緩蝕氣體分別從幾個閥門后進入。其中一路的緩蝕氣體從高壓給泵5A/出水后放1和高壓給泵5B/出水后放1分別進入高壓給泵5A和高壓給泵5B，另一路氣體從中壓給泵5A/出水后放1和中壓給泵5B/出水后放1分別進入中壓給泵5A和中壓給泵5B，對設備進行保護。

圖3 #5余熱鍋爐高中壓給泵通道干風流程圖

2）#5余熱鍋爐高壓通道干風流程。

圖4為#5余熱鍋爐高壓通道干風流程的示意圖。其保養范圍包括：高壓省煤器1、高壓省煤器2、高壓汽包、高壓蒸發器、高壓過熱器1、高壓過熱器2、高壓過熱器3。由圖4所示，干風有4種流通途徑：1）攜帶有緩蝕劑的干風從高省前空1和高省前空2進，氣體進入高壓省煤器1對其進行保護，然后從疏水閥出；2）干風從高省空1和高省空2進，氣體依次進入高壓省煤器2、高壓汽包和高壓蒸發器，從疏水閥出；3）干風從高包空1和高包空2進，氣體依次進入高壓過熱器1、高壓過熱器2，從疏水閥出；4）干風從高過后空1和高過后空2進，氣體進入高壓過熱器3，從疏水閥出。

圖4 #5余熱鍋爐高壓干風通道流程圖

3）#5余熱鍋爐中壓通道干風流程。

圖5為余熱鍋爐中壓通道干風流程的示意圖，該部分由中壓省煤器、中壓汽包、中壓過熱器、再熱器1、再熱器2、再熱器3和再熱蒸汽管等組成。干風維護保養分為5種路徑：1）干風從中省前空1和中省前空2進，氣體進入中壓省煤器，然后通過疏水閥排放；2）干風從中省空1和中省空2進，氣體進入中壓汽包，然后通過疏水閥排放；3）干風從中包空1和中包空2進，進入中壓過熱器，然后通過疏水閥排放；4）干風從再熱中空1和再熱中空2進，氣體分2條線，分別進入再熱器1和再熱器2，經再熱器2到再熱器3，然后通過疏水閥排放；5）干風從再熱后空1和再熱后空2進，氣體進入再熱蒸汽管，然后通過疏水閥排放。

圖5 #5余熱鍋爐中壓干風通道流程圖

4）#5余熱鍋爐低壓通道干風流程。

圖6為#5余熱鍋爐低壓通道干風流程的示意圖，干風保養范圍包括：低壓省煤器、低壓給水門、除氧器、低壓汽包、低壓過熱器、蒸汽管道。干風有3種流通途徑：1）攜帶有緩蝕劑的干風從低壓給水門后空進，氣體分別進入低壓省煤器和低壓給水門，然后通過疏水閥排放；2）干風從低壓給水調后空進，氣體依次進入除氧器和低壓汽包，然后通過疏水閥排放；3）干風從低包空進，氣體依次進入低壓過熱器和蒸汽管道，然后通過疏水閥排放。

圖6 #5余熱鍋爐低壓干風通道流程圖

3.2.2 汽機系統熱風緩蝕通道流程

熱風緩蝕裝置出口干風經干風母管引至#5、#6余熱鍋爐汽機各系統緩蝕管道。#5、#6汽機系統干風通道流程如圖7、8所示，#5、#6汽機系統水汽系統的干風通道相似，它們的保養范圍包括汽輪機、凝汽器。來自干風母管的熱風緩蝕氣體通過總閥門分2路分別進入#5和#6汽機系統，從主汽調門后疏水進，依次經過汽輪機、凝汽器對其進行保護，最后通過真空破壞門出。

圖7 #5汽機系統干風通道流程圖

圖8 #6汽機系統干風通道流程圖

4 保養條件及預期效果

制定熱風、熱風+氣相緩蝕劑聯合保養方法對奉賢9F燃機余熱鍋爐進行停運防銹蝕保養。其中停爐時按照熱爐放水烘干法操作，保證鍋爐水汽系統全部蒸發無積水，在鍋爐汽輪機溫度壓力降至一定條件后通過保養裝置向系統內部充入氣相緩蝕劑，控制高溫高濕環境下的銹蝕，冷爐狀態可直接采用干風保養方式維持系統內部濕度，或用氣相緩蝕劑進行保養[13-14]。

余熱鍋爐機組水汽系統保養需具備以下7個條件：

1）預計停爐時間超過7d。

2）余熱鍋爐熱爐放水操作結束，鍋爐各部位積水放盡，鍋爐壓力降至0MPa，溫度降至50℃以下。

3）汽缸溫度降至100℃以下，汽輪機盤車已停運。

4）機組凝結水系統、給水系統疏水排盡，凝汽器熱井水排盡。

5）低壓、中壓、高壓旁路電動及氣動閥開啟。

6）中壓過熱器至再熱器電動閥及調閥開啟。

7）爐底加熱不使用，加熱蒸汽完全隔離。

實施保養的范圍包括：#5、#6余熱鍋爐機組全部水汽系統，保養范圍內空間約573m3；啟動鍋爐水汽系統，保養范圍內空間約23.3m3；#5、#6汽機(包括凝汽器輔機系統)，每套汽機保養范圍約950 m3。總計整個保養范圍約3063.3 m3。

單臺鍋爐各系統部件水容積統計見表1。

表1 單臺鍋爐各系統部件水容積

這種停用保護方法簡便經濟，不需要配置藥液和經常維護，設備不需要嚴格的密封和保溫，而且對熱力設備的啟停操作沒有干擾。對于熱力設備，如果能在拆修承壓部件時隨即加裝臨時簡易封蓋，并在檢修期內固定時間作一次補氣，則可以增強保護效果。

利用這套系統在9F燃氣-蒸汽聯合循環機組在停用檢修期間進行了防護，為避免大量的割管帶來維修工作困難，初步確定為對熱風裝置本體、熱風進系統點(高、中、低壓排空管)、熱風出系統點(高、中、低壓疏水管)進行溫度或濕度的檢測。#5、#6鍋爐的運行狀態見表2、3。

在高、中、低壓排空管集中處，測定熱風裝置未啟動前的排空管的溫度和濕度見表4。

啟動熱風裝置，檢測其溫度變化，熱風裝置運行30min后，加熱棒溫度為212℃，氣體流量為693m3/h。熱風裝置溫度上升很快，但是氣體流量和氣壓偏低，主要原因是只啟動了1臺空壓機，氣量不夠。調試組啟動了備用氣源，增大了氣體流量和氣壓，見表5。

表2 #5鍋爐運行狀態

表3 #6鍋爐運行狀態

表4 熱風裝置未啟動時熱風進系統處(高、中、低壓排空管)的溫濕度

表5 熱風裝置數據記錄

測定熱風進出系統各處的壁溫，分別如表6、7所示。

在調試過程中，發現熱風進系統處的高過后空1、高過后空2、再熱后空1、再熱后空2、中包空1、中包空2所在管路壁溫過低。經過對管路構造分析，認定是各子系統氣體流量分配不均勻造成上述管路溫度過低。通過對分路氣體流量的調節，可以達到調試要求。熱風出系統處的高壓、中壓部分管道存在大量積水，其濕度較大，需要長時間熱風干燥。氣相緩蝕劑揮發的氣體可以提高排放濕氣的pH值，有效保護濕度較大情況時的熱力設備[15-16]。總之，該套系統可以提高設備排氣的溫度，快速降低排放濕氣對熱力設備的腐蝕，縮短機組啟用后水汽達標所需的時間，取得了較好的防護效果。

表6 熱風進系統處的壁溫

表7 熱風出系統處的溫度(濕度)

5 結論

介紹了一種9F級燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組的熱風+氣相緩蝕劑聯合保養方法。從停用保護方式、停用保護裝置，介紹了停用保護系統設計、保養實施過程、停用保護裝置投用條件。在燃機熱力設備停運期間，該方法簡單易行、經濟實惠、保護效果好，不會干擾燃氣-蒸汽聯合循環機組的啟動操作和正常運行，對燃機電廠的設備停用保護提供了重要的指導。

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Research on Technical Scheme for Shutdown Maintenance Design of 9F Class Combined Cycle Heating Unit

YANG Jun1, PAN Xiaolei1, CAI Longhai1, ZHANG Daquan2*, ZHU Chong1,2, YAO Yong1

(1. Huadian Fengxian Gas Turbine Power Generation Co., Ltd., Fengxian District, Shanghai 201404, China; 2. School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China)

In thermal power plants, the corrosion of main equipment can cause major safety hazards and economic losses. Thus, it is very important to take proper maintenance for thermal equipment in power plant during shutdown. A maintenance method of hot air combined with vapor phase corrosion inhibitor was developed for the water vapor system of waste heat boiler in the 9F class gas-turbine combined cycle generation unit. The protection for the thermal equipment was achieved by reducing the inner moisture and injecting vapor phase corrosion inhibitor. The design and implementation of the shutdown maintenance system were described in detail. The actual operation of this maintenance in electric power plant shows the advantages of low cost, simple operation and high protection efficiency. The maintenance of hot air combined with vapor phase corrosion inhibitor has the great guiding significance for the protection of thermal equipment and other related machinery during shutdown.

9F gas-steam combined cycle generation unit; vapor phase corrosion inhibitor; shutdown maintenance

10.12096/j.2096-4528.pgt.19129

TM 621

國家自然科學基金項目(51571140)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51571140).

2019-12-02。

(責任編輯 楊陽)