全保護加氧處理工藝及自動加氧裝置在在1000MW超超臨界機組的應用

范勇晟

（江西大唐國際撫州發電有限責任公司，江西 撫州 344128）

0 前言

超超臨界機組具有高參數、大容量、雜質沉積速率快等特點。因此，對水汽品質和水化學工況的要求很高。給水采用只加氨的AVT（O）全揮發性處理工藝，由于熱力設備及管道金屬表面形成的Fe3O4氧化膜疏松、溶解度高、保護性差，尤其在水流發生急劇變化位置，流動加速腐蝕嚴重的地方金屬表面幾乎沒有氧化膜，不能滿足保護金屬基體的要求。

加氧處理（OT）是在純水的條件下，微量濃度的氧能使碳鋼表面形成一層比磁性Fe3O4保護性更好的Fe2O3＋Fe3O4保護膜，該保護膜更致密、穩定，有效抑制流動加速腐蝕，降低給水的鐵含量及鍋爐受熱面結垢速率。

為了抑制給水系統、高加疏水系統的流動加速腐蝕，延長精處理運行周期，降低鍋爐沉積速率，延長鍋爐酸洗周期等，提高機組運行的安全性、經濟性，大唐撫州電廠決定對2 號機組（1 000 MW）實施加氧處理。

1 加氧系統改造前、后概述

1.1 加氧改造前概述

加氧改造前機組采用的加氧處理工藝為傳統高氧處理工藝，一般控制給水溶解氧濃度為50 μg/L～150 μg/L，使過熱蒸汽有一定濃度的溶解氧。通過汽輪機抽汽，將氧帶入高加汽側（使高加疏水溶解氧濃度大于10 μg/L），從而防止給水系統、高加疏水系統流動加速腐蝕。采用傳統加氧處理工藝，由于蒸汽中的氧濃度較高，對于某些奧氏體不銹鋼材料，氧化處理生成的三氧化二鐵氧化皮與奧氏體鋼的熱膨脹系數差別大，容易促進氧化皮脫落。運行脫落的氧化皮沖蝕汽輪機，降低汽機效率，對于П型爐，脫落的氧化皮堵塞過熱器管，使過熱器管得不到足夠的蒸汽冷卻，導致過熱爆管，造成機組非停事故，嚴重影響機組運行安全性、可靠性和經濟性。

加氧改造前機組采用的加氧設備只能滿足實施傳統加氧處理工藝的要求，影響機組安全經濟運行。加氧設備對給水加氧控制精度、設備自動控制水平等均沒有明確要求，加氧設備沒有自動控制系統，無法實現自動加氧控制。給水氧濃度控制精度差，波動大，多余氧進入蒸汽系統，這是促進過熱器、再熱器氧化皮剝落的一個重要原因。

1.2 加氧改造后概述

鑒于傳統加氧工藝及設備存在的問題，經過廣泛調研和技術論證，大唐撫州電廠最終決定采用西安熱工院研發的全保護加氧工藝及自動加氧裝置。

全保護加氧工藝，通過向凝結水、給水、高加疏水同時加氧，能夠兼顧所有水系統流動加速腐蝕的防治，取得全面的加氧處理效果。同時，全保護加氧給水實施低氧處理，控制省煤器入口給水氧含量為10 μg/L~20 μg/L。低濃度氧經過省煤器、水冷壁大面積管段消耗殆盡，加氧前后蒸汽溶解氧含量基本無變化，不存在促進蒸汽系統氧化皮集中脫落的風險。

全保護自動加氧裝置可實現加氧自動調節，在負荷波動較大的情況下，加氧控制精度可達±3 μg/L。加氧介質為空氣，不使用高壓氧氣瓶，減少高壓氧氣瓶在使用、更換、搬運及儲存過程中的安全隱患，全保護自動加氧裝置能夠實現自動供氣，隨機組負荷波動而自動改變加氧量，實現真正意義上的加氧無人值守。全保護自動加氧裝置外觀如圖1所示。

圖1 全保護自動加氧裝置外觀圖

2 加氧準備工作

2.1 在線化學儀表檢驗校準

加氧試驗開始前，依據文獻[1]，采用移動式在線化學儀表檢驗裝置對2 號機組水汽系統在線化學儀表測量準確性進行檢驗，對誤差超標的儀表進行誤差來源查定和消除，保證各儀表測量準確，以滿足水質監測要求。

2.2 試驗分析準備工作

加氧試驗過程中，試驗分析主要包括鐵及陰離子的測定，采用的分析方法及儀器見表1。

表1 分析方法及儀器

2.3 水汽品質查定

2020年4月11—13日，在給水AVT（O）處理方式下，進行水汽品質查定。查定項目包括給水電導率、水汽氫電導率、溶解氧、陰離子含量以及鐵含量等。

2.3.1 給水電導率

2 號機組除氧器入口和省煤器入口給水電導率測定結果見表2。測定結果表明，除氧器入口給水電導率在 5.59~6.08 μS/cm，對應 pH 為 9.32~9.35；省煤器入口給水電導率在5.79~6.14 μS/cm，對應pH 為9.33~9.36。

表2 給水電導率和pH測定結果

2.3.2 水汽氫電導率

2號機組各水樣氫電導率測定結果見表3。測定結果表明：凝結水氫電導率在0.104~0.109μS/cm，除氧器入口氫電導率在0.061~0.063μS/cm，給水氫電導率在0.064~0.065 μS/cm，主蒸汽氫電導率在0.065~0.070μS/cm，高加疏水氫電導率在0.065~0.072μS/cm。

表3 氫電導率測定結果

2.3.3 溶解氧

2 號機組各水樣溶解氧測定結果見表4。測定結果表明，AVT（O）處理工況下，2號機組凝結水溶解氧平均值為14.7 μg/L，除氧器入口溶解氧平均值為12.8 μg/L，除氧器出口溶解氧平均值為6.4 μg/L，給水溶解氧平均值為8.7 μg/L，主蒸汽溶解氧平均值為2.3 μg/L，高加疏水溶解氧平均值為2.6 μg/L。2 號機組除氧器對空排氣門微開后，除氧器出口給水氧含量降低。

表4 溶解氧測定結果

2.3.4 陰離子含量

采用離子色譜儀對2 號機組水樣陰離子含量進行測定，結果見表5。測定結果表明：2號機組水汽系統中雜質含量較低，水汽品質良好。

表5 2號機組水樣陰離子含量查定結果

2.3.5 鐵含量

2 號機組各水樣鐵含量測定結果見表6。測定結果表明，AVT（O）工況下，2 號機組給水、主蒸汽鐵含量均滿足文獻[5]規定的小于3 μg/L 的期望值要求，高加疏水鐵含量相對較高。

表6 鐵含量測定結果

2.3.6 小結

綜上所述，2 號機組水汽品質能夠滿足文獻[5-6]對加氧處理水汽品質的要求。

3 加氧轉化試驗

3.1 低壓給水系統加氧轉化

2020 年 4 月 15 日 9：30 開始向 2 號機組精處理出口母管加氧，控制加氧量在50~150 μg/L。10：00除氧器入口氧含量達到20.9 μg/L 并且有持續上升趨勢，表明低壓給水系統加氧轉化完成，10：15 開始控制除氧器入口氧含量在10~150 μg/L，轉入加氧運行。

3.2 高壓給水系統加氧轉化

2020 年 4 月 15 日 10：00 開始向 2 號機組除氧器出口加氧，控制加氧量在 50~100 μg/L。2020 年 4 月16 日 9：00 省煤器入口氧含量達到 10.9 μg/L 并且有持續上升趨勢，表明高壓給水系統加氧轉化完成，9：30開始控制省煤器入口給水氧含量在10~30 μg/L，轉入加氧運行。

3.3 高加疏水系統加氧轉化

2020 年 4 月 15 日 10：30 開始向 2 號機組高加疏水加氧，控制加氧量50~150 μg/L。4月16日14：00高加疏水氧含量達到21.8 μg/L，并且有持續上升趨勢，表明高加疏水系統加氧轉化完成，14：30 開始控制高加疏水氧含量在10~150 μg/L，轉入加氧運行。

3.4 加氧轉化過程中水汽陰離子測定

加氧轉化過程中，采用離子色譜儀對2 號機組水汽陰離子含量進行測定，結果見表7。測定結果表明，2 號機組加氧轉化期間水汽系統各取樣點陰離子含量較低，水汽品質良好。

表7 加氧過程中水汽陰離子測定結果

3.5 加氧轉化過程混床陰、陽離子測定

加氧轉化過程中，通過離子色譜儀對2 號機組精處理混床出水水質進行測定，結果見表8。

表8 加氧過程中混床出水水質測定結果

測定結果表明，2 號機組加氧轉化過程中精處理混床出水水質正常。混床出水氯離子、鈉離子滿足文獻[5]要求的<1.0 μg/L。

3.6 加氧轉化過程中水汽鐵含量測定

加氧轉化過程中，2 號機組水汽鐵含量測定結果如表9 所示。測定結果表明，加氧處理后除氧器入口、給水及高加疏水鐵含量降低，表明給水及高加疏水系統鈍化膜已形成且效果較好，能夠有效抑制給水及高加疏水系統的流動加速腐蝕。

表9 加氧過程中水汽鐵含量測定結果

3.7 pH優化調整試驗

加氧轉化后，給水及高加疏水系統的Fe2O3+Fe3O4雙層氧化膜主要依靠水中溶解氧維持，因此可以降低給水pH 值。通過pH 優化調整試驗最終將給水pH 值控制在 8.9~9.1，目標值 9.0，pH 優化后水汽鐵含量測定結果見表10。

試驗結果表明，加氧處理后，給水pH 值控制在8.9~9.1，可以維持對流動加速腐蝕良好的抑制效果。

表10 pH優化調整后水汽鐵含量測定結果

4 加氧處理效果

4.1 抑制流動加速腐蝕

加氧處理（OT）通過向弱堿性水中加入氧氣，促使金屬表面生成致密的保護性氧化膜。加氧轉換平衡后，在較低pH值條件下，給水及高加疏水鐵含量可穩定在較低水平，這是全保護加氧處理最具代表性的特點，有利于抑制給水系統和高加疏水系統的流動加速腐蝕以及降低鍋爐受熱面的結垢速率等。2號機組OT 處理工況下，控制給水pH 值在8.9~9.1，除氧器入口、給水、主蒸汽、高加疏水鐵含量平均值均在1 μg/L以下。2 號機組不同化學水工況下水汽系統鐵含量對比如圖2所示。

圖2 2號機組不同化學水工況下水汽鐵含量對比結果

4.2 延長精處理運行周期

加氧轉化后，給水及高加疏水系統的Fe2O3+Fe3O4雙層氧化膜主要依靠水中溶解氧維持，因此，可將水汽系統的pH值適當降低。與AVT（O）工況相比，加氧處理后給水pH值由加氧前平均9.35降低至加氧后平均9.0，對應的氨含量平均值由原來847 μg/L降低至266 μg/L，氨的加入量減少了約69%，理論上凝結水精處理混床周期制水量增加至原來的3.2 倍。同時，混床再生次數減少，再生用酸堿及自用沖洗水量、再生廢水排放量也會隨之減少，有利于環境保護。

4.3 實現全面保護

全保護加氧處理工況下，向給水系統中加入較低濃度溶解氧，滿足給水系統防腐鈍化要求，控制蒸汽基本無氧，有效規避蒸汽中較高濃度氧可能促進氧化皮剝落風險。同時，通過向高加疏水單獨加氧，解決高加疏水系統防腐問題，從而實現水汽系統熱力設備的全面保護。

5 加氧處理經濟效益分析

5.1 直接經濟效益

與AVT（O）工況相比，實施加氧處理后，一臺機組1 年節約的氨水、再生用酸、堿、除鹽水及化學清洗費用約為102.88 萬元人民幣，具體核算結果見表11。如果算上再生時的電費、壓縮空氣費用、人力成本以及再生廢液處理成本等，節約的費用將更多，由此可見，實施加氧處理后，其產生的經濟效益非常顯著。

表11 單臺機組加氧處理的直接經濟效益計算

5.2 間接經濟效益

實施全保護加氧處理后可取得以下間接經濟效益：1）降低了給水系統鍋爐壓差上升速率，降低了給水泵能耗，提高發電效率；2）有效減少鍋爐受熱面結垢速率，提高鍋爐效率；3）避免了高加疏水調門堵塞導致高加退出運行而引起的機組熱經濟性降低；4）減小了汽輪機葉片結垢速率及沖蝕，減緩了汽輪機效率降低，提高了機組運行經濟性；5）避免了過熱器、再熱器爆管導致的非計劃停機，減少了檢修費用。

6 結語

1）全保護加氧可以有效抑制給水系統及高加疏水系統的流動加速腐蝕，OT 處理工況下，控制給水pH值在8.9~9.1，除氧器入口、給水、主蒸汽、高加疏水鐵含量平均值均在1 μg/L以下。

2）全保護加氧給水實施精確低氧處理，使給水系統滿足防腐鈍化要求，同時控制蒸汽基本無氧，能有效規避蒸汽較高濃度氧可能促進氧化皮剝落的風險。

3）全保護加氧可以大幅延長精處理混床氫型運行周期，取得顯著的直接經濟效益。