SCAL型間接空冷系統(tǒng)鋁材腐蝕原因分析及處理

楊 澤，涂孝飛，丁勝利

（1.山西京能呂臨發(fā)電有限公司，山西呂梁 033200；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司西安分公司，陜西西安 710065）

引言

目前火力發(fā)電中應(yīng)用的空冷技術(shù)主要為直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)兩種。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行背壓高，夏季溫度較高時(shí)不能滿負(fù)荷運(yùn)行，且廠用電率較高，煤耗較大。分析顯示間接空冷系統(tǒng)的年費(fèi)用低，相比于直接空冷系統(tǒng)具有更可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，間接空冷系統(tǒng)的研究和應(yīng)用是我國(guó)空冷技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。調(diào)查顯示，多數(shù)發(fā)電企業(yè)間冷系統(tǒng)循環(huán)水目前并未配置水質(zhì)凈化設(shè)備，因此系統(tǒng)中存在的各種雜質(zhì)很難去除，進(jìn)而導(dǎo)致材料腐蝕控制變得更加復(fù)雜、困難。近年來，間接空冷機(jī)組在基建調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行過程中因間冷循環(huán)水pH 值、電導(dǎo)率、鐵離子、鋁離子等指標(biāo)居高不下而導(dǎo)致間冷塔腐蝕泄漏，甚至非停事件在多個(gè)間冷火電機(jī)組頻繁發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。因此，針對(duì)間冷循環(huán)水水質(zhì)超標(biāo)原因進(jìn)行具體分析，并采取有效的處理措施尤為重要。

1 間冷系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 間冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某電廠凝汽式汽輪機(jī)、給水泵小汽輪機(jī)的排汽進(jìn)入表面式凝汽器，由間冷循環(huán)水進(jìn)行冷凝。循環(huán)水受熱后經(jīng)水泵升壓，進(jìn)入自然通風(fēng)間冷塔由空氣冷卻，冷卻后的循環(huán)水再回至表面式凝汽器形成閉式循環(huán)，稱為SCAL（Surface Condenser Aluminum Exchengers）型間接空冷系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 某廠間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)圖

1.2 循環(huán)水水質(zhì)現(xiàn)狀

水質(zhì)按照某廠家要求值執(zhí)行，即pH=6.7～8.0、SiO2≤10 μg/L、SC≤2.0 μS/cm、Al3+≤8 μg/L、SS≤5 mg/L，兩臺(tái)機(jī)組于2019 年9 月由基建轉(zhuǎn)生產(chǎn)運(yùn)行。轉(zhuǎn)生產(chǎn)后半年時(shí)間內(nèi)，水質(zhì)控制項(xiàng)目pH、SC、SS、Al3+指標(biāo)合格率分別為56.7%、58.3%、50.3%、5%，詳細(xì)情況見圖2。

圖2 某電廠間冷循環(huán)水水質(zhì)分析統(tǒng)計(jì)圖

1.3 系統(tǒng)腐蝕現(xiàn)狀

從2020 年7 月開始，間冷塔散熱器底部聯(lián)箱與配水管連接處、散熱器底部聯(lián)箱與膨脹節(jié)法蘭螺栓處及空冷散熱器管束等部位出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，并逐漸發(fā)生泄漏。

2 原因分析

2.1 眾因調(diào)研

SCAL 型間冷系統(tǒng)作為一個(gè)由碳鋼和純鋁材料組合成的水循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)水化學(xué)工況及設(shè)備腐蝕影響因素多。調(diào)研多個(gè)火力發(fā)電廠間接空冷系統(tǒng)腐蝕形態(tài)，結(jié)合熱力設(shè)備防化學(xué)腐蝕、電偶腐蝕的固有原理，造成SCAL 型間冷系統(tǒng)腐蝕的因素匯總見表1。

表1 腐蝕原因調(diào)研及當(dāng)前狀況

2.2 原因確定

2.2.1 化學(xué)腐蝕原因確定

1050A 鋁作為一種兩性金屬，循環(huán)水pH 值的高低直接影響間接空冷冷卻三角管束的腐蝕性能。當(dāng)循環(huán)水pH 值控制在4.0～8.5 時(shí)，在冷卻三角管束內(nèi)表面可發(fā)生鈍化，形成致密的Al2O3膜，起到保護(hù)管束的作用，區(qū)間以外則會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的酸堿性腐蝕，如圖3所示。

圖3 pH對(duì)鋁的腐蝕影響

該廠間冷散熱管束出廠前對(duì)管束內(nèi)壁采用了一種弱堿性的MBV 鈍化法，鈍化完成后采用自來水對(duì)管束內(nèi)壁進(jìn)行了簡(jiǎn)單的沖洗，導(dǎo)致了大量的Na+、Cl-離子殘存在管束內(nèi)壁，間冷系統(tǒng)注水后，離子開始溶出，如表2所列。

Na+和Cl-分別達(dá)到19.90 μg/L、23.18×103μg/L。空氣中的O2通過間冷系統(tǒng)地下水管道、高位水箱以及散熱片的排空管進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)與Na+、Cl-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致間冷冷卻三角發(fā)生腐蝕。該廠間冷循環(huán)水Cl-已達(dá)毫克級(jí)，如此高濃度的Cl-與Al3+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，不僅不利于Al2O3保護(hù)膜的形成，還會(huì)導(dǎo)致純鋁發(fā)生點(diǎn)腐蝕［3］。金屬鋁與Na+和Cl-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，釋放大量的OH-導(dǎo)致循環(huán)水的pH 值逐步升高，pH值升高又促進(jìn)鋁材發(fā)生堿性腐蝕。有研究表明，鋁的腐蝕隨Fe3+的升高而逐漸增大［4］，由于碳鋼-純鋁電偶腐蝕導(dǎo)致系統(tǒng)中鐵離子也高達(dá)286 μg/L，進(jìn)一步加劇了鋁材的腐蝕，最終形成了惡行循環(huán)。

2.2.2 沖刷腐蝕原因確定

安裝試運(yùn)階段沖洗不徹底的殘留物和碳鋼腐蝕產(chǎn)物中的固體不溶物易積存在間冷空冷系統(tǒng)中。純鋁作為一種質(zhì)地較軟的金屬，在沖刷力度較大的位置更容易出現(xiàn)沖刷腐蝕，如散熱器底部聯(lián)箱與分配水管連接處，同時(shí)循環(huán)水中的雜質(zhì)顆粒、懸浮物等殘留的物質(zhì)加劇了沖刷腐蝕。間冷循環(huán)水中懸浮物含量達(dá)到28.0 mg/L，一定程度上加劇了間冷系統(tǒng)的腐蝕現(xiàn)象。

2.2.3 電偶腐蝕原因確定

以純鋁作為散熱器材質(zhì)的間冷系統(tǒng)與底部以碳鋼材質(zhì)作為管道的連接部位會(huì)發(fā)生明顯的電偶腐蝕［5］。當(dāng)向扇區(qū)充入除鹽水，并接觸到散熱三角底部進(jìn)（出）水膨脹節(jié)碳鋼-純鋁散熱器時(shí)，上述電偶腐蝕隨之發(fā)生。

3 防腐控制策略

3.1 水質(zhì)調(diào)整及防化學(xué)腐蝕策略

目前主要的間冷循環(huán)水水質(zhì)調(diào)整處理方式為除鹽水置換法、加酸調(diào)節(jié)法和陽床旁流處理凈化法。由表3可知，相比除鹽水置換法及加酸調(diào)節(jié)法，小陽床旁流處理法優(yōu)點(diǎn)更為突出，但其也存在無法去除陰離子、出水強(qiáng)酸性導(dǎo)致局部酸性腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。若采用混床替代陽床，不僅能夠有效調(diào)整pH，還能去除陰陽離子，達(dá)到最優(yōu)的循環(huán)水質(zhì)控制參數(shù)。過濾+混床除鹽的旁流處理方式，可從根本上達(dá)到間冷循環(huán)水達(dá)標(biāo)及防化學(xué)腐蝕的目的。

表3 間冷循環(huán)水水質(zhì)調(diào)整方式比較

3.2 防沖刷腐蝕策略

系統(tǒng)安裝階段應(yīng)重點(diǎn)對(duì)間冷循環(huán)水管道、聯(lián)箱、管束內(nèi)的雜物進(jìn)行仔細(xì)清理，防止泥沙沉積造成后續(xù)運(yùn)行過程中對(duì)系統(tǒng)的沖刷損壞。運(yùn)行機(jī)組，對(duì)已被沖刷腐蝕損壞的管道、管束進(jìn)行更換，同時(shí)放盡系統(tǒng)內(nèi)存水，并進(jìn)行系統(tǒng)清理。利用間冷循環(huán)水旁流處理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中的懸浮物進(jìn)行去除，進(jìn)一步凈化水質(zhì)。

3.3 防電偶腐蝕控制策略

電偶腐蝕的控制策略主要是利用各種惰性材料含密封材料制成墊片、套管介入法蘭連接中，使純鋁、碳鋼兩種材質(zhì)之間形成等電位，從而防止電偶腐蝕的發(fā)生［6］。

4 控制策略實(shí)施及效果

4.1 控制策略實(shí)施

4.1.1 水質(zhì)調(diào)整及防化學(xué)腐蝕策略實(shí)施

對(duì)該廠現(xiàn)有凝液處理系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造為過濾+混床除鹽的間冷循環(huán)水旁流處理系統(tǒng)，如圖4所示。引一路循環(huán)水至冷凝液提升泵出口母管處，該部分循環(huán)水經(jīng)除鐵器、活性炭過濾器和混床處理后，匯流至循環(huán)水冷卻水回水（冷水）管，依靠間冷循環(huán)水旁流處理系統(tǒng)周期性運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)間冷循環(huán)水過濾、除鹽、pH調(diào)節(jié)等功能。

圖4 間接空冷循環(huán)水混床旁流處理系統(tǒng)圖

4.1.2 防沖刷及電偶腐蝕策略實(shí)施

對(duì)已被沖刷腐蝕損壞的管道、管束進(jìn)行更換，同時(shí)放盡系統(tǒng)內(nèi)存水，并進(jìn)行系統(tǒng)清理。利用間冷循環(huán)水旁流處理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中的懸浮物進(jìn)行去除，進(jìn)一步凈化水質(zhì)。在散熱器底部法蘭與膨脹節(jié)法蘭接觸面之間安裝膨脹聚四氟乙烯墊；在散熱器底部法蘭固定螺栓外設(shè)置絕緣螺栓套筒，每個(gè)螺孔兩側(cè)設(shè)置絕緣螺栓墊。在散熱器底部法蘭與碳鋼法蘭上依次連接接地導(dǎo)線和固態(tài)去耦合器，并接至地網(wǎng)。既從結(jié)構(gòu)上切斷了純鋁與碳鋼的電子通路，又切斷了純鋁與碳鋼通過公共接地網(wǎng)耦合的電子通路，有效解決間接空冷電偶腐蝕的發(fā)生。

4.2 應(yīng)用效果

如圖5 所示，當(dāng)間冷循環(huán)旁流處理系統(tǒng)投入運(yùn)行后，pH 值、鐵和鋁離子含量出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，72 h 后pH 值就已達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，解決了循環(huán)水pH值居高不下的癥結(jié)，鐵和鋁離子含量的去除率分別高達(dá)75%和83%。投入運(yùn)行24 h 后懸浮物達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，96 h后電導(dǎo)率達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，后期水質(zhì)長(zhǎng)期保持在優(yōu)良的品質(zhì)。圖6 表明，當(dāng)間冷循環(huán)水旁流處理水量保持在120 m3/h 以上時(shí)，水質(zhì)合格率從32%快速提高至90%。逐漸降低出力時(shí)，合格率仍一直保持在100%。

圖5 旁流處理后循環(huán)水Fe、Al3+、pH變化

圖6 旁流處理水量與水質(zhì)合格率隨時(shí)間的變化

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

凝液處理系統(tǒng)改造為間冷循環(huán)水旁流處理系統(tǒng)，主要投資內(nèi)容有凝液處理系統(tǒng)與間冷循環(huán)水進(jìn)回水管連通所需管道的購(gòu)置、安裝、土建等費(fèi)用，僅需要投資約50 萬左右。而調(diào)查顯示單臺(tái)350 MW機(jī)組間接空冷循環(huán)水水質(zhì)惡化造成除鹽水浪費(fèi)、更換鋁制散熱器、電資源浪費(fèi)、廢水處理、機(jī)組非停電網(wǎng)考核共計(jì)約150 萬元。該廠若繼續(xù)沿用原有的除鹽水置換方式對(duì)間冷循環(huán)水進(jìn)行水質(zhì)控制調(diào)整，按照單臺(tái)機(jī)組補(bǔ)水率300 t/d，除鹽水綜合費(fèi)用約為18.3 元/t 計(jì)算，凝液處理系統(tǒng)作為間冷循環(huán)水旁流處理工藝的順利實(shí)施，不僅有效避免因水質(zhì)惡化造成的損失，每年還可回收除鹽水約10.95 萬t，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約200 萬元，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。

5 結(jié)論

（1）相比除鹽水置換法、加藥法和陽床旁流處理法，過濾+混床旁流處理工藝應(yīng)用于間冷循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)施水質(zhì)凈化，其功能更全面、優(yōu)點(diǎn)更突出、適用性更強(qiáng)。

（2）混床旁流處理工藝用于間冷循環(huán)水系統(tǒng)，提高了間冷循環(huán)水水質(zhì)凈化效果，使得間冷循環(huán)水水質(zhì)得到有效改善和控制，各項(xiàng)水質(zhì)分析指標(biāo)能夠達(dá)到要求值，消除了間冷系統(tǒng)腐蝕隱患，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全系數(shù)。

（3）凝液系統(tǒng)按照方案實(shí)施改造后，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)廠外冷凝液的回收處理，還能對(duì)間冷循環(huán)水進(jìn)行水質(zhì)凈化。由于間冷循環(huán)水水質(zhì)凈化僅需周期性運(yùn)行，因此新增系統(tǒng)管道閥門均按手動(dòng)閥門設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)改造投資，實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)出投入比。