發電廠熱力設備腐蝕、積鹽與結垢的研究

酒泉職業技術學院 張 琪

對于發電廠來說，鍋爐和汽輪機組是重要的熱力設備，關系著發電工作效率。然而，設備在運行過程中難免會出現腐蝕、積鹽與結垢問題，嚴重影響發電安全。據調查統計，因鍋爐出現結垢問題所引發的安全事故所占比例高達70%。與此同時，汽輪機的葉片上經常會沉積蒸汽所攜帶的鹽分，長時間也會導致汽輪機發生安全事故。另外，結垢和鹽分沉積必然會導致設備逐漸被腐蝕，嚴重損壞設備機能。

1 發電廠熱力設備水垢分析

在20世紀六十年代，我國各發電廠多是用軟化水為熱力設備充當補給水，這種水硬度比較高，容易導致鍋爐設備出現嚴重的水垢問題。隨著科技的發展，除鹽水被用作補給水，這種水的硬度明顯比軟化水低，其中雜質含量也少，應用效果比軟化水好。進入21世紀后，發電廠熱力設備組合零部件、機組參數與容量均有所改善，熱力設備水垢問題也發生了新變化[1]。

發電廠熱力設備所產生水垢屬于鍋爐水中雜質在接觸管壁和受熱面上所形成的固體附著物，這種附著物并非某一種化合物所組成，而是含有多種化合物，具有復雜性。從水垢成分來看，鍋爐設備上所產生的水垢大致分為以下四種：一是鈣鎂水垢。如果鍋爐補給水中的硬度在持續增加，就會產生逐漸產生鈣鎂水垢。目前，作為補給水的除鹽水通常流動于密封狀態良好的冷凝器中，水質純凈，雜物含量低，因而熱力設備一般很少產生鈣鎂水垢。

二是硅酸鹽水垢。如果熱力設備凝汽機存在泄露問題，所選用的補給水中含有較多的含硅化合物與鐵鋁化合物，當熱力設備處于高熱負荷狀態，容易產生硅酸鹽水垢，這種水垢難以清除，會嚴重損害設備機能。

三是氧化鐵水垢。近年來，熱力設備機組參數均有所提升，這在一定程度上加劇了氧化鐵水垢問題，這種水垢的主要成分是磁性氧化鐵。據調查了解，如果鍋爐參數高，容量大，熱負荷高，容易在管壁上產生氧化鐵水垢。

四是磷酸鹽銅鐵水垢。如果發電廠熱力設備存在泄露和破損問題，補給水中的雜質含量較高，則會產生磷酸鹽銅鐵水垢。

從發電廠熱力設備產生水垢的部位來看，在過熱器、水冷壁的管壁、凝汽機、機組的集箱底部和節流孔圈、省煤器、循環水系統、高低壓加熱器、氣包中均會產生水垢。在發電廠熱力設備運行過程中，高溫蒸汽會對過熱器內的熱量予以充分吸收，進而生成過熱蒸汽，這樣會使過熱器的管壁和在高溫高壓熱蒸汽流中流過的干過熱蒸汽直接接觸，誘發腐蝕問題，如果外在溫度波動較大，存在高熱負荷現象，就會產生氧化鐵水垢。

當代發電廠所配備的熱力設備機組的水冷壁內部組合工質溫度都比較高，其管壁上容易沉積水垢，如果不及時處理，水垢會越來越多，致使管壁出現環形裂縫或者橫向裂縫，嚴重時會引發爆管與火災事故。通常，水冷壁的管壁向火側的水垢程度必須高于背火側，以免引發嚴重事故。

如果凝汽機出現嚴重的水垢問題，會影響熱力設備機組與輔助設備運行效果。在凝汽機部件組合中，在水側的銅管更容易產生水垢，而且和冷卻水最先產生接觸的管壁水垢現象最嚴重，這是因為冷卻水的水質并不穩定，容易加劇水垢問題。

在熱力設備維護工作，不難發現機組的集箱底部和節流孔圈經常出現水垢。主要原因是當代機組設備參數高、耗煤量低、容量大，融入了節能環保設施，配有先進的控制技術手段，提高了發電效率，具有經濟性和節能性，所以運行速度快，水循環也會加快，補給水會迅速流入集箱的底部，途中經過節流孔圈，長期下去，集箱的底部和節流孔圈就會產生水垢。

2 發電廠熱力設備積鹽問題

雖然當代發電廠會運用除鹽水來緩解水垢和積鹽問題，卻并未完全消除這兩種問題。從本質上講，發電廠熱力設備積鹽問題是含有鹽分的蒸汽，在汽輪機組和過熱器的運行作用下出現沉積現象，其所沉積的鹽分有以下三種：一是硅酸鹽；二是鈉鹽；三是鐵鹽。其中，鈉鹽具有可溶解性，會混入補給水中，可細分為氯化鈉、磷酸鈉、硫酸鈉等。硅酸鹽和鐵鹽不可溶解，大多會沉積在過熱器管壁和汽輪機葉片上。

根據調查研究，熱力設備上所沉積的鹽分會隨著蒸汽參數的變化，以及溶解能力而發生改變，不同設備組合部件上沉積的鹽分含量與成分不盡相同，如汽輪機不同葉片上所沉積的鹽分含量各異。同時，熱力設備上所沉積的鹽分呈現出規律性，這主要體現在以下兩個方面：一方面在過熱器上所沉積的鹽分主要為鈉鹽，其主要原因是鈉鹽具有可溶解性，在過熱器中受到高溫與高壓的影響，不易溶解，因此會沉積。相比之下，過熱器中沉積的鈉鹽含量通常遠比飽和蒸汽內的鈉鹽含量少。

另一方面，在汽輪機組內部所沉積的鹽分包括硅酸鹽、鈉鹽和鐵鹽。在汽輪機的不同葉片上，所沉積的鹽分含量與種類不盡相同。在高壓和中壓級別的葉片上，所沉積的鹽分以鈉鹽為主；在低壓級葉片上，沉積鹽分主要是硅酸鹽、鐵鹽。

在熱力設備運行過程中，有一部分鹽類會隨著蒸汽流經不同組合設備，最終隨著凝結水進入鍋爐，另一部分是在蒸汽流程中瞬間沉積中熱力設備中。從積鹽分的主要部位來看，過熱器和汽輪機組中沉積的鹽分最多，同時蒸汽管道、再熱器、集汽聯箱中也會沉積鹽分。在過熱器中，鹽分沉積現象較為普遍。飽和蒸汽被分離出汽水分離器之后，最先會進入過熱器，而飽和蒸汽中所含有的一部分鹽分，會在受到過熱器內加溫加壓的作用后發生沉積，從而增加過熱器中的鹽分含量。如果不及時處理，積鹽現象愈演愈烈，就會使過熱器管在瞬間發生超溫爆管事故，因此必須加以重視。

在汽輪機中，葉片上的積鹽量較多。蒸汽在受到過熱器的加溫加壓作用后，必然會產生過熱蒸汽，然后會經過主蒸汽的管道成功轉入汽輪機并開始做功。這樣過熱蒸汽會在汽輪機中進行擴容，使壓力溫度在短時間內驟降，溶解于蒸汽中的鹽分和金屬腐蝕產物會因此在汽輪機的葉片和汽缸中有所沉積。當前，隨著我國汽輪機設計技術與加工技術的升級與改善，因為發電運動所導致的葉片斷裂現象也大幅度減少，然而如果蒸汽質量低下，造成嚴重的鹽分沉積問題，就會滋生葉片事故，這種現象也時有發生。

3 發電廠熱力設備腐蝕問題

從腐蝕類型來看，發電廠熱力設備腐蝕問題主要分為以下三種：一是氧腐蝕；二是酸腐蝕；三是鍋爐介質造成的濃縮腐蝕。在發電廠熱力設備運行過程中，氧腐蝕頗為常見，在整個設備運行與停止期間均會發生。出現這種腐蝕問題的原因是，熱力設備表面材料的電化學性質并不均勻，使設備微電池發生了電化學反應，一旦該反應產生的物質堵塞了腐蝕部位，就會使電池處于閉塞狀態，進一步加劇腐蝕問題。實踐研究表明，在鍋爐停運過程中，鍋爐設備、凝汽機、加熱器和汽輪機等組合設備均有可能出現停用腐蝕問題，較為常見的現象是，過熱器的下部彎頭以及加熱器的停用積水處會出現氧腐蝕。在國內發電廠，因為氧腐蝕引發的設備損壞和爆管事故不少，不僅給發電廠帶來重大損失，而且嚴重威脅工作人員的生命安全。

酸腐蝕具有酸性特征，在熱力設備中所應用的工質并不完全純凈，一旦有雜質進入熱力設備，受到高溫高壓作用的影響，就會分解出有機酸、二氧化碳與其他強酸物質。其次，如果凝汽機存在泄露問題，離子交換樹脂發生破碎，就會導致補給水中進入酸性物質，在熱力系統運行中，酸性物質與熱力設備會直接接觸，導致金屬表面的氧化膜被破壞，金屬因此大面積受損，鍋爐、給水系統和汽機會嚴重受到酸腐蝕。

鍋爐介質造成的濃縮腐蝕是指某些介質因為濃縮會產生大量的濃酸或者堿，導致鋼材料表面的保護膜被破壞，致使鍋爐爐管的某些部位受到濃酸或者堿的嚴重腐蝕。在熱力設備正常運作中，無氧鍋水和鋼材料的表面發生直接接觸進而產生反應，會在金屬表面生成良好的四氧化三鐵雙層結構，起到保護作用。相比之下，結構內層具有連續性和密封性，可以防腐蝕；而結構外層通常多孔，附著性較差，無法起到保護層的作用，這一點不容忽視。其次，如果在水冷壁管出現介質濃縮腐蝕問題，沉積物、稀鍋水、濃鍋水不易對流，就會產生濃縮膜，加劇了腐蝕問題。同時，如果鍋爐存在水垢問題，也會引發濃縮腐蝕問題。

4 解決對策

4.1 做好設備維護管理工作

解決發電廠熱力設備水垢、積鹽和腐蝕問題，必須全面做好熱力設備維護管理工作，定期對設備進行檢修，消除水垢和積鹽，修復被腐蝕的部位。當前，應借助信息自動化技術構建發電廠熱力設備系統監控平臺，運用該平臺收集鍋爐機組系統自動化運行信息，及時對信息進行整合與分析，做好發電廠熱力設備運行監測工作，根據信息分析結果控制好系統運行參數，如果發現異常問題后立刻進行修復，及時清除設備內的水垢、鹽分與其他雜物，做好被腐蝕設備修復工作，這樣不僅有助于確保熱力設備系統運行安全，而且能夠進一步提升發電效益。

從當代發電廠熱力設備系統自動化發展趨勢來看，我國較為重視設備系統安全運維管理工作。對于熱力設備系統來說，安全設備控制系統是對整個系統運行實施安全控制，這種控制系統有以下三項基本功能：一是安全通信控制功能；二是安全信息保護控制功能；三是數據實時傳輸功能。為了確保發電廠熱力設備系統運行安全，需要做好安全信息管理工作，健全數據生成系統，做好各方面的安全維護管理工作，不斷提高熱力設備控制系統的安全度，改善其相關性能。

與此同時，發電廠應做好熱力設備系統備件管理工作，因鍋爐機組設備組合零部件較多，內部結構精密、復雜，如果備件不足或者某一零部件因為水垢、鹽分和腐蝕問題出現了故障，必然會導致整個系統運行受到負面影響。因此，必須重視完善備件管理體系，發現某一零部件出現問題后必須用新的備件來替換。在熱力設備系統運維工作中，維修技術人員應注意對設備的細節保養方案進行全面優化，做好細節性維護工作，借助遠程監控技術對系統設備的運行狀態和參數的變化情況進行全面監督。

4.2 引入低溫余熱回收技術

運用低溫余熱回收技術是發電廠必須考慮的問題，對低溫余熱進行回收并合理循環使用方能降低能耗，緩解水垢、積鹽和腐蝕問題，落實節能減排理念，提高發電效益。從低溫余熱回收使用類型來看，大多數發電廠通常會采用兩種回收利用方式：第一種，同級回收利用。第二種，升級回收利用。前者是直接會在間接回收利用低溫余熱來代替高位熱源或者中位熱源來滿足不同用戶相應的需求，這樣不僅可以避免使高位熱源和中位熱源產生的過大溫差，控制能量傳遞損失問題，避免剩余的蒸汽、凝結水、加熱爐的煙氣、剩余的干氣以及分餾塔側線加劇水垢、積鹽和設備腐蝕問題，與節能降耗理念相符[2]。圖1是低溫余熱回收技術結構圖。

圖1 低溫余熱回收技術結構圖

4.3 優化水處理工藝

如果鍋爐給水工藝處理不當，就會加劇水垢問題和腐蝕問題，因此發電廠要注重優化水處理工藝，改善爐外給水處理技術措施，優化爐內水處理工藝，提高循環冷卻水處理水平，降低給水溶解氧含量，確保凝汽機換熱效率能處于正常狀態。與此同時，要注意對凝結水進行精處理，避免機組結垢[3]。

5 結語

綜上所述，解決發電廠熱力設備水垢、積鹽和腐蝕問題，必須全面做好熱力設備維護管理工作，改善發電技術，全面優化水處理工藝。