600MW亞臨界汽包爐過熱器預(yù)膜技術(shù)研究

吳利寧 張久龍 劉 忠 楊金生

（1. 陜西德源府谷能源有限公司，陜西 府谷 719400；2. 北京蕊奧博科技開發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100095）

0 引言

府谷電廠#2機組在2021年大修期間更換了全部過熱器管道，機組啟動后，存在一個預(yù)膜過程。

本文介紹了一種基于水汽系統(tǒng)痕量溶解氫含量測定的新型過熱器預(yù)膜技術(shù)，通過實時監(jiān)督過熱器中痕量溶解氫的含量，調(diào)節(jié)給水、爐水pH，在較短時間內(nèi)在過熱器管內(nèi)表面形成保護膜，完成預(yù)膜工作。

1 技術(shù)介紹

1.1 化學(xué)原理

在高溫環(huán)境下，水蒸汽管道表面水分子與金屬元素發(fā)生反應(yīng)，生成鐵氧化物的過程，稱為蒸汽氧化。反應(yīng)式如下：

從上述反應(yīng)式可看出，金屬表面形成了Fe3O4后，阻擋了鐵和水汽的接觸，反應(yīng)速度就取決于氫和鐵離子的擴散速度，隨著Fe3O4膜的增厚，擴散速度便隨著降低，氫的析出量就隨著降低。因此可根據(jù)氫的析出量變化，間接地檢測Fe3O4膜的形成 情況。

鐵氧化物和氫氣都是金屬在高溫高壓下的腐蝕產(chǎn)物，鐵氧化物絕大部分沉積在設(shè)備表面，而氫氣絕大部分溶解在水汽中，因此，測量溶解氫更有代表性。

隨著國內(nèi)高參數(shù)大容量機組的不斷投入運行，電廠對機組熱力系統(tǒng)水汽品質(zhì)及在線監(jiān)測技術(shù)提出了更高要求，常規(guī)的監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)不能滿足高參數(shù)大容量現(xiàn)代機組熱力系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測的技術(shù)要求，而溶解氫監(jiān)測優(yōu)點體現(xiàn)在以下方面：

（1）實時性。常規(guī)采用測量鐵離子濃度來表征設(shè)備腐蝕狀況，由于沒有在線鐵表，一般是實驗室定期采樣分析，做不到在線實時測量。而安裝的溶解氫表是在線儀表，能夠進行實時測量；

（2）準(zhǔn)確性。通常化驗室采用分光光度法測量鐵離子濃度，此種方法5μg/L以下測量不準(zhǔn)確；若采用離子色譜或者原子吸收法分析鐵離子濃度，分析方法繁瑣、對操作人員技能要求較高，一般電廠沒有配備這類設(shè)備。本項目安裝的在線溶解氫表測量精度達到±0.25μg/L，完全滿足痕量級測量的準(zhǔn)確性要求；

（3）代表性。金屬腐蝕產(chǎn)生的鐵氧化物大部分沉積在管道內(nèi)表面，能夠采樣到的只是水中的少部分鐵離子；而腐蝕產(chǎn)物氫氣幾乎都溶解在水汽中，因此監(jiān)測水中的溶解氫氣含量更靈敏，更有代 表性。

1.2 溶解氫在線監(jiān)測

1.2.1 傳感器原理

在線溶解氫分析儀采用經(jīng)典的熱導(dǎo)法原理分析水汽中的溶解氫含量。熱導(dǎo)池組成惠斯頓電橋（如圖1所示），因為氫氣導(dǎo)熱系數(shù)更大，測量池電阻發(fā)生改變，檢測電橋的輸出信號，經(jīng)CPU處理后得到水中的溶解氫含量。

圖1 惠斯頓電橋原理圖

1.2.2 儀器分析過程

被測水樣經(jīng)恒壓穩(wěn)流調(diào)整，以恒定的流量進入檢測器，通過運行文丘里管產(chǎn)生恒定的負(fù)壓，水樣中的溶解氫氣按恒定的比率從水中分離出來，擴散進入測量池，由于氫氣的傳熱，測量池?zé)崦綦娮枳柚蛋l(fā)生變化，電橋輸出相應(yīng)的毫伏值，此毫伏值經(jīng)CPU的計算處理，儀表顯示水樣中的溶解氫含量數(shù)值。

1.2.3 儀器的工作原理

采用專利的水氣分離方法，氫氣按一定比例從水中分離出來后進入熱導(dǎo)檢測器，熱導(dǎo)檢測器為一惠斯通電橋，是由四個電阻組成的電路，在氫氣的作用下，測量臂電阻值發(fā)生改變，輸出電壓相應(yīng)也發(fā)生變化（△R）；在一定條件下，輸出電壓V=k·△R ，△R正比于流經(jīng)可變電阻的氫氣濃度CH2，CH2又正比于水中的溶解氫濃度DH2，由此可以推導(dǎo)出V=K·DH2，所以，CPU采集電橋輸出電壓進行處理后，即可直接顯示水中的溶解氫濃度。

1.2.4 保證測量準(zhǔn)確而采取的技術(shù)措施

（1）采用專利技術(shù)保持氫氣從水中分離比率 恒定；

（2）采用高精度電橋，精準(zhǔn)測量電阻的微小變化產(chǎn)生的電位信號；

（3）采用濕飽和空氣作為載氣，消除水中氧和濕度的干擾；

（4）熱導(dǎo)池恒溫，消除環(huán)境溫度變化的影響；

（5）儀表具有高精度的法拉第電解池，能夠?qū)崿F(xiàn)在線校準(zhǔn)。法拉第電解池能夠產(chǎn)生精準(zhǔn)含量的痕量級氫氣濃度，作為儀表校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。

2 溶解氫的監(jiān)測

溶解氫在線儀表安裝在府谷電廠#2機組化學(xué)儀表間，實時測量過熱蒸汽中的痕量溶解氫含量。

2.1 啟動初期過熱器溶解氫曲線

#2機于2021年6月28日啟機，投運在線溶解氫儀表，2021年7月1日正常投運。過熱器預(yù)膜期間溶解氫監(jiān)測趨勢如圖2所示，從圖2可見，機組啟動初期，由于更換了管道，蒸汽流通面被蒸汽腐蝕，水樣中溶解氫含量較高，隨著腐蝕的進行，在管道內(nèi)表面逐漸形成氧化膜，隔絕了水汽與金屬的進一步反應(yīng)，起到保護膜的作用，水樣中的溶解氫含量也逐步降低，當(dāng)水樣中的溶解氫含量很低并長時間穩(wěn)定時，可以認(rèn)為保護膜已完整致密，預(yù)膜工作結(jié)束。

圖2 過熱器預(yù)膜趨勢圖（2021.07.01-2021.07.27）

2.2 工況對設(shè)備腐蝕的影響

2.2.1 預(yù)膜后pH值與溶解氫含量

預(yù)膜結(jié)束后，但pH值會影響保護膜的完整致密性，因此在機組運行中，應(yīng)重視水汽pH值的調(diào)控，維持保護膜的“保護”功能。

表1是預(yù)膜一段時間后過熱器溶解氫含量及pH值的數(shù)據(jù)記錄，圖3是pH與溶解氫的曲線圖。從圖3可以很直觀看出，當(dāng)pH值升高時，相應(yīng)的溶解氫含量降低，當(dāng)pH值降低時，溶解氫有上升趨勢，這種狀態(tài)表明，過熱器受熱面保護膜受到破壞；當(dāng)保護膜修補完整后，pH值的升高和降低對水中的溶解氫含量幾乎沒有影響。

表1 預(yù)膜后過熱器溶解氫值

圖3 pH與H2關(guān)系圖

2.2.2 負(fù)荷-溶解氫

負(fù)荷的變化會引起燃燒工況變化、蒸汽流量的沖刷等，會導(dǎo)致保護膜的脫落，因此機組運行中應(yīng)關(guān)注機組負(fù)荷變化時對過熱器保護膜的影響。

圖4所示機組負(fù)荷在250～600MW，給水溶解氫小于0.6μg/L并穩(wěn)定，爐水溶解氫1～2μg/L，過熱器溶解氫1.0μg/L左右，再熱器溶解氫2.5～4.5μg/L，由此可見，負(fù)荷的變動與水汽中溶解氫相關(guān)性不大，說明給水系統(tǒng)、水冷壁、過熱器保護膜完整、致密；如果負(fù)荷變動引起水樣中溶解氫的升高，則表明保護膜被破壞，此時應(yīng)提高給水、爐水pH，加快保護膜的修補。

圖4 負(fù)荷-溶解氫

2.2.3 過熱器溫度-過熱器溶解氫

圖5所示過熱蒸汽溫度530℃左右，變化不大，且未超溫，過熱蒸汽中溶解氫含量也相對穩(wěn)定，基本上在2μg/L以下。從上圖可知，過熱蒸汽溫度不超溫情況下，對過熱器保護膜影響不大。

圖5 過熱T-過熱H2（2021.09.29～2021.09.30）

3 結(jié)語

在過熱器換管、機組啟動初期，受熱面預(yù)膜期間通過溶解氫的實時監(jiān)督，能夠更直觀評價預(yù)膜效果。

在機組預(yù)膜完成后，通過過熱蒸汽溶解氫含量的實時監(jiān)督，能夠判斷蒸汽流通面保護膜狀態(tài)，當(dāng)溶解氫含量升高，表明保護膜被破壞，應(yīng)及時提高水汽pH值，加速保護膜的修復(fù)。保護膜受pH、溫度、負(fù)荷的影響，在機組正常運行時，通過水中溶解氫含量的實時監(jiān)督能夠及時指導(dǎo)設(shè)備的操作和水汽指標(biāo)的調(diào)整。