某超臨界供熱機組水汽氫導波動原因分析及對策

張 賀，徐浩然，馮向東，陳 晨

(1.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，浙江杭州 311100；2.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江杭州 311100；2.浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江蘭溪 321100)

1 概述

某電廠鍋爐型式為超臨界參數一次再熱變壓直流爐，主蒸汽設計溫度為571 ℃，主蒸汽設計壓力為25.4 MPa，機組汽輪機中壓缸前抽汽對外供熱，單臺機組供熱量在30～80 t/h。機組供熱后，水汽指標穩定，均在《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》(GB/T 12145)中規定的期望值范圍內。

然而，自2019年10月開始，各機組水汽氫導有異常波動，且4臺機組出現波動的趨勢相似，3 d左右為1個周期，主蒸汽氫導最高升至0.25 μS/cm，超出限值范圍。

圖1 #3、#4機主蒸汽氫導變化趨勢Fig.1 Variation Trend of Hydrogen Conductivity of Main Steam in No.3 and No.4 Boilers

如圖1所示：11月5日06∶45開始，#3與#4機主蒸汽氫導基本同步快速升高；11月6日14∶47，2臺機組主蒸汽氫導升高至最大值(0.198 μS/cm)；11月7日22∶30，氫導回落至標準值以內。氫導異常持續時間為62 h 左右。

機組水汽氫導值是監測水汽品質的重要指標[1-4]。氫導值能夠消除機組爐內加氨對電導率測量造成的影響，同時可以放大腐蝕性陰離子和溶解性氣體對應的電導，能夠靈敏地反映雜質陰離子的變化。由于超臨界機組的溫度和壓力非常高，水汽氫導值較小的波動或超標代表腐蝕性陰離子進入系統，可能造成金屬材質的腐蝕，甚至會影響機組的運行安全。

2 試驗方法及儀器

TOC檢測：分析儀為TOC 900 PORTABLE；分析方法為《火力發電廠水汽分析方法總有機碳的測定》(DL/T 1358—2014)。

電導率檢測：分析儀為電導率儀HI98309；分析方法為《鍋爐用水和冷卻水分析方法 電導率的測定》(GB/T 6908—2018)。

陰離子測定：分析儀為離子色譜儀ICS5000+；分析方法為《火力發電廠水汽分析方法 痕量氟離子、乙酸根離子、甲酸根離子、氯離子、亞硝酸根離子、硝酸根離子、磷酸根離子和硫酸根離子的測定(離子色譜法)》(DL/T 954—2005)。

3 污染物判斷

4臺機組水汽氫導值共性升高，可能原因包括小分子有機物分解、溶解性氣體進入，可通過有機碳和小分子有機酸[5-7]的檢測進行有機物判斷、脫氣氫導檢測分析溶解性氣體。

3.1 總有機碳(TOC)及小分子有機酸

利用TOC檢測儀對高純水、管道內除鹽水、除鹽水箱、混床出水進行檢測，結果如表1所示。

表1 不同設施水中TOC含量Tab.1 Test Results of TOC in Different Facilities

表1顯示，混床、除鹽水箱及管道的TOC均未超過100 mg/L，滿足GB 12145要求，與以往的TOC檢測結果無明顯差異。

當某臺機組水汽指標異常時，利用離子色譜儀對凝結水、精處理出口、省煤器入口、主蒸汽中陰離子進行檢測分析[8]，結果如表2所示。

表2 不同位置水汽主要陰離子含量Tab.2 Results of Main Anion of Steam in Different Positions

由表2可知：甲酸根、乙酸根、氯離子、硫酸根與硝酸根等均小于1 mg/L，無明顯異常值；乙酸根從給水(省煤器入口)到主蒸汽明顯升高，可能是由于有機物分解產生乙酸根。

3.2 脫氣氫導

利用脫氣電導率表對水汽異常機組的主蒸汽氫導進行測量。在主蒸汽氫導超標時，主蒸汽氫導與其脫氣氫導之間的差值為0.02～0.05 μS/cm，排除因水汽中二氧化碳引起水汽氫導升高的因素。

由此可知，TOC與甲酸根及部分礦質陰離子未檢測到明顯異常值，但乙酸根有明顯的突變，證明系統中存在有機物分解。4臺機組均設有凝結水精處理系統，同時給水氫導均低于主蒸汽氫導，存在水汽隨溫度與壓力的升高，氫導隨之升高的現象，可能存在隨著溫度與壓力升高，水汽中微量有機物分解產生小分子有機酸，使水汽氫測量值升高的現象。

4 原因排查及分析

4.1 排查的思路

本次水汽指標異常時4臺機組基本同步波動，因此，考慮4臺機組共同存在的問題，排除個性問題，具體排查思路如圖2所示。

圖2 排查示意圖Fig.2 Diagram of Troubleshooting

4.2 精處理系統的排查

4臺機組同時出現蒸汽氫導升高。如精處理系統出現問題僅可能為再生系統或樹脂同步老化等4臺機組共性問題，但經 PI(plant information system)數據存儲系統調取數據進行對比，在凝混床投撤前后未出現氫導異常波動，同時未發現凝混床樹脂捕捉器壓差報警(樹脂泄漏問題)，因此，精處理凝混床不是引起氫導異常的原因。

4.3 密封水、疏水等問題的排查

4臺機組水汽指標異常問題出現時間基本保持同步，排除單臺機組密封水、疏水等個性問題引起的水汽指標異常。

凝補水箱作為精處理再生以及部分啟動充水使用，不提供機組補水，機組補水由化學除鹽水箱直接供給。因此，排除凝補水箱造成本次水汽異常的可能。

4.4 機組供熱的排查

通過PI數據存儲系統進行數據調取，選取#3機組主蒸汽氫導異常波動時的數據和機組負荷進行匹配對比，如圖3所示。

截取#3、#4機組水汽指標異常波動約10 d的機組負荷和主蒸汽氫導對應曲線。由圖3可知，兩者存在負相關性，即隨著供熱負荷升高，水汽品質變差，而供熱負荷的升高代表機組水汽系統補充除鹽水量的增加，證明污染物由除鹽水帶入系統。

2020年春節期間，因外圍企業停工，機組停止對外供熱，機組水汽系統補充除鹽水量大幅減少，投運的機組水汽品質趨于穩定，主蒸汽、給水、再熱蒸汽氫導均在0.06 μS/cm左右，再次證明污染物由除鹽水帶入。

通過PI進行數據調取，分析機組補充的除鹽水對水汽品質的影響，取#4機組主蒸汽氫導和除鹽水母管電導進行對比分析，如圖4所示。

圖3 #3機組供熱負荷與主蒸汽氫導Fig.3 Unit Heating Load and Main Steam Hydrogen Conduction

由圖4可知，2019年5月和6月除鹽水母管電導穩定，水汽指標對應穩定(6月7日氫導數據異常為機組停機引起，不計入本次統計)。2019年10月和11月電導波動較為頻繁(0.15～0.3 μS/cm)，水汽品質也出現了明顯的波動。由此說明，除鹽水水質可能是引起水汽波動的原因。

4.4.1 單套除鹽水制水設備的影響

除鹽水制水系統工藝流程：原水、三層濾料過濾器、超濾、反滲透、陽床、除碳器、陰床、混床。查閱陰、陽、混床投撤及相關運行記錄及參數，2套一二級除鹽設備每天均在運行，且陽床進水電導率穩定且無較大波動，因此，排除過濾器、超濾、反滲透系統運行異常的因素。在單套除鹽系統運行時未出現明顯的水汽指標變化，排除單套除鹽水制水設備異常的因素，因此，除鹽水制水設備運行正常并非除鹽水水質波動的原因。

4.4.2 原水水質

除鹽水使用的原水取自金華江，2019年7月(豐水期)和12月(枯水期)分別對原水進行水質分析。2次全分析報告表明，水質波動較大，灼燒減量指標2次的分析值分別為45.6 mg/L和207.0 mg/L，溶解固形物分別為109 mg/L和498 mg/L，枯水期原水水質各項指標明顯變差。原水水質的劣化可能導致部分未查明的小分子有機物引入除鹽水中，最終補入機組水汽系統，引起水汽品質惡化。

4.4.3 混床樹脂

通過查閱樹脂分析報告，混床樹脂性能下降較為嚴重，破碎率較高，混床樹脂捕捉器繞絲縫隙間有少量碎樹脂，樹脂再生記錄亦顯示樹脂量有所減少。經調查，該批次樹脂已連續使用近10年，樹脂碎片進入除鹽水水箱最終進入水汽系統，可能導致水汽指標下降。然而，該機組設有凝結水精處理系統，且陰離子查定中未發現硫酸根(樹脂官能團中帶有)存在，因此，排除樹脂碎片引起水汽品質波動的可能性。

4.4.4 除鹽水箱檢查

對該廠2臺除鹽水箱內部進行檢查，水箱內壁觸摸有滑膩感，判斷水箱內壁存在微生物滋長。對水箱進行次氯酸鈉浸泡及高壓沖洗，沖洗完成后重新投入使用。經上述處理后，機組正常供熱時，主蒸汽、給水、再熱蒸汽氫導仍有一定波動，為0.06～0.10 μS/cm，較原有波動有一定縮小，證明除鹽水箱的微生物污染是本次水汽指標波動的一方面原因。

5 總結

本次機組水汽氫導異常波動由枯水期的原水水質惡化、反滲透系統后至除鹽水箱微生物滋生、機組供熱等綜合因素引起，反滲透系統產水至機組補水中間的工藝流程無殺菌工藝，一旦受到微生物污染將持續引起水汽系統指標異常。因此，定期對反滲透系統后設備及管路進行檢查是有一定必要的。

超臨界直流爐機組因壓力、溫度高，對水汽品質要求較高，對除鹽水品質要求非常嚴格，同時由于直流爐未設汽包緩沖，對除鹽水品質波動的抗擾動性差。超臨界直流爐機組抽汽供熱工況下，大量的除鹽水補入機組水汽系統，除鹽水水質略有波動即有可能導致水汽品質劣化。因此，超臨界及以上的供熱機組應加強關注上述分析中各類影響因素的變化，及時進行檢查、檢修、參數調整，優化水汽品質，確保機組安全可靠運行。