660 MW超超臨界機(jī)組化學(xué)水工況優(yōu)化

王國(guó)蓉

(望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155)

1 設(shè)備概況

望亭發(fā)電廠#3機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造的SG－2024/26.15/605/605－M621型一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、Π形露天布置、固態(tài)排渣、超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流鍋爐。汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)有限公司制造，是采用德國(guó)西門(mén)子技術(shù)的超超臨界、中間再熱式、四缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N660－25/600/600。機(jī)組于2009年6月27日完成168 h滿(mǎn)負(fù)荷試運(yùn)行，投入商業(yè)運(yùn)行。

化學(xué)補(bǔ)給水的水源為太湖水，預(yù)處理系統(tǒng)流程為:原水→澄清池→濾池→超濾(UF)→反滲透(RO)→清水箱?；瘜W(xué)補(bǔ)給水處理為二級(jí)除鹽，系統(tǒng)流程為:陽(yáng)床→脫碳器→陰床→混床→除鹽水箱。機(jī)組給水處理采用加氨、聯(lián)氨的還原性全揮發(fā)處理方法(AVT(R))，分別在凝結(jié)水精處理出口母管和除氧器出口下降管加氨調(diào)節(jié)pH值，在省煤器進(jìn)口加聯(lián)氨進(jìn)行化學(xué)除氧。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)為中壓全流量精處理系統(tǒng)，設(shè)有3臺(tái)50%凝結(jié)水流量的高速混床及全容量旁路系統(tǒng)，在正常情況下2運(yùn)1備。

超超臨界機(jī)組具有熱效率高、運(yùn)行靈活、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有節(jié)能和改善環(huán)境的雙重功效。我國(guó)超(超)臨界機(jī)組在近幾年呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，但在運(yùn)行中也逐漸暴露出一些共性問(wèn)題，如水汽清潔度較差、結(jié)垢速率較快、鍋爐壓差上升較快等，望亭發(fā)電廠#3機(jī)組同樣存在這些問(wèn)題。究其原因，主要是流動(dòng)加速腐蝕(FAC)、高溫氧化皮及其引起的固體顆粒侵蝕(SPE)、雜質(zhì)陰離子(主要是Cl－和)引起的腐蝕以及給水中有機(jī)物引起的腐蝕。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者結(jié)合望亭發(fā)電廠的實(shí)際情況分別進(jìn)行探討。

2 影響機(jī)組腐蝕、結(jié)垢的因素及處理方法

2.1 補(bǔ)給水總有機(jī)碳分布及處理

有機(jī)物在高溫高壓下會(huì)分解成羧酸、二氧化碳和水，羧酸能降低水汽的pH值，羧酸與鐵形成的復(fù)合物會(huì)加速腐蝕，促進(jìn)汽輪機(jī)葉片氯離子應(yīng)力腐蝕。#3機(jī)組水汽系統(tǒng)中的總有機(jī)碳(TOC)主要來(lái)源于化學(xué)補(bǔ)給水，其根本來(lái)源為電廠的工業(yè)原水——太湖水。近年來(lái)，太湖周邊地區(qū)工業(yè)發(fā)展速度較快，隨之而來(lái)的太湖水污染問(wèn)題也日益突出，太湖水質(zhì)每況愈下，主要表現(xiàn)為水體有機(jī)物含量升高。針對(duì)此問(wèn)題，電廠化學(xué)補(bǔ)給水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用預(yù)處理+UF+RO+二級(jí)離子交換除鹽的處理工藝，可有效去除水中的大部分懸浮物、膠體、病毒、細(xì)菌及濁度等有機(jī)物及雜質(zhì)，確保RO進(jìn)水的污染指數(shù)(SDI)值合格。

表1為望亭發(fā)電廠補(bǔ)給水系統(tǒng)水汽TOC分布情況。從測(cè)試結(jié)果可以看出，超濾裝置和反滲透裝置對(duì)有機(jī)物的去除率分別為5.9%和95.3%。這是由于超濾進(jìn)水是經(jīng)過(guò)混凝澄清和過(guò)濾處理的清水，大部分高分子有機(jī)物都已經(jīng)去除，水中的有機(jī)物主要為低分子有機(jī)物。超濾裝置對(duì)低分子有機(jī)物沒(méi)有截留能力，而反滲透裝置恰恰能將相對(duì)分子質(zhì)量大于200的有機(jī)物全部去除。圖1、圖2分別為補(bǔ)給水系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)TOC含量及TOC去除率分布圖。

表1測(cè)試結(jié)果中的IC即無(wú)機(jī)碳含量，可表征水中溶解態(tài)CO2的質(zhì)量濃度，換算后可知，脫碳器進(jìn)、出口CO2質(zhì)量濃度分別為12.1 mg/L和2.6 mg/L。CO2去除率可達(dá)到79%，并且經(jīng)過(guò)二級(jí)除鹽后，混床出口CO2質(zhì)量濃度僅為13.9 μg/L，已基本將補(bǔ)給水中CO2除盡。由此可以判斷，化學(xué)補(bǔ)給水處理工藝設(shè)計(jì)合理，超濾、反滲透、脫碳器等水處理設(shè)備運(yùn)行狀況較好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;補(bǔ)給水TOC的質(zhì)量濃度控制在較低水平，完全滿(mǎn)足機(jī)組用水要求。以補(bǔ)給水測(cè)點(diǎn)為例，TOC的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于DL/T 912—2005《超臨界火力發(fā)電機(jī)組水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的TOC的質(zhì)量濃度低于200 μg/L的要求。

表1 補(bǔ)給水處理系統(tǒng)水汽TOC分布

圖1 #3機(jī)組化學(xué)補(bǔ)給水系統(tǒng)TOC含量分布圖

有關(guān)資料顯示，就天然水體而言，反滲透系統(tǒng)存在潛在有機(jī)垢趨勢(shì)的粗略判斷標(biāo)準(zhǔn)為:TOC的質(zhì)量濃度大于3mg/L，生化需氧量(BOD)大于5mg/L或者化學(xué)需氧量(COD)大于8 mg/L。由此可見(jiàn)，電廠反滲透系統(tǒng)仍有有機(jī)物滋生及有機(jī)垢沉積的風(fēng)險(xiǎn)。為此，電廠應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)管理工作，每季度對(duì)超濾及反滲透膜管進(jìn)行化學(xué)清洗，保證超濾膜壓差在10 kPa以?xún)?nèi)，反滲透系統(tǒng)的脫鹽率在98%以上，進(jìn)、出口壓差控制在0.5 MPa以?xún)?nèi)。

圖2 化學(xué)補(bǔ)給水系統(tǒng)TOC去除率分布圖

2.2 雜質(zhì)陰離子的控制

雜質(zhì)陰離子是熱力系統(tǒng)發(fā)生腐蝕的重要因素，特別是對(duì)汽輪機(jī)低壓缸的汽－液相變區(qū)有著極大的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)，由于超超臨界機(jī)組的奧氏體鋼使用量有較大的增長(zhǎng)，加強(qiáng)陰離子的處理及監(jiān)督對(duì)防止奧氏體鋼的晶間腐蝕顯得尤為重要。而精處理混床的運(yùn)行狀況是控制機(jī)組整個(gè)水汽系統(tǒng)陰離子含量的關(guān)鍵。為此，電廠應(yīng)加強(qiáng)凝結(jié)水精處理設(shè)備的運(yùn)行管理。

(1)凝結(jié)水應(yīng)100%進(jìn)行處理，確保鍋爐給水品質(zhì)。

(2)再生裝置采用高塔分離裝置，保證陰、陽(yáng)樹(shù)脂的分離效果，避免交叉污染。

(3)加強(qiáng)運(yùn)行的監(jiān)督管理，杜絕混床的失效運(yùn)行。

(4)加強(qiáng)凝汽器的檢修維護(hù)，安裝陰極保護(hù)裝置，防止因凝汽器泄漏影響水質(zhì)。

通過(guò)采取以上措施，電廠給水系統(tǒng)的雜質(zhì)陰離子得到了有效控制，精處理混床出口的主要陰離子含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

#3機(jī)組主蒸汽中氯離子的質(zhì)量濃度僅有0.21 μg/L，遠(yuǎn)低于美國(guó)電力科學(xué)研究院 EPRI(Electric Power Research Institute)2004年提出蒸汽中氯離子的質(zhì)量濃度不高于2.00 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了較高的水平。

表2 #3機(jī)組精處理混床檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)陰離子當(dāng)量電導(dǎo)的理論，超純水中的氫電導(dǎo)率值(25℃)可按以下關(guān)系式近似計(jì)算

由上述數(shù)學(xué)關(guān)系可知，當(dāng)給水氫電導(dǎo)率控制在0.10 μS/cm以下時(shí)，氯離子、硫酸根離子的質(zhì)量濃度均在2 μg/L以下。

為此，在陰離子監(jiān)督上，電廠應(yīng)定期進(jìn)行離子色譜的測(cè)定。在日常監(jiān)督中，應(yīng)加強(qiáng)氫電導(dǎo)率的監(jiān)督，嚴(yán)格控制氫電導(dǎo)率在0.10 μS/cm以下并嚴(yán)格控制精處理混床的周期制水量。

2.3 給水流動(dòng)加速腐蝕的評(píng)定與抑制

流動(dòng)加速腐蝕(FAC)是超(超)臨界機(jī)組全揮發(fā)工況下普遍存在的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為:鍋爐壓差持續(xù)快速上升，鍋爐結(jié)垢沉積部位提前，高壓加熱器常疏門(mén)及減溫水門(mén)堵塞頻繁，節(jié)流圈堵塞頻繁，取樣系統(tǒng)部分測(cè)點(diǎn)超標(biāo)、臟污和堵塞頻繁等。影響FAC的主要因素包括:流體溫度、質(zhì)量傳遞(與流體的整體速度有關(guān))、合金成分、氧化還原電位(ORP)、流體pH值、組件的幾何形狀和上游影響以及蒸汽品質(zhì)等。

望亭發(fā)電廠#3機(jī)組設(shè)計(jì)給水采用AVT(R)處理方式，水汽系統(tǒng)中Fe離子的質(zhì)量濃度一直居高不下，最高時(shí)達(dá)13.36 μg/L(見(jiàn)表3);同時(shí)，結(jié)垢速率最大的部位也由熱負(fù)荷最高的水冷壁前移到省煤器進(jìn)口，取樣系統(tǒng)的省煤器進(jìn)口等測(cè)點(diǎn)的濾芯有明顯的臟污和堵塞現(xiàn)象。

表3 采用AVT(R)處理方式時(shí)系統(tǒng)中Cu，F(xiàn)e離子的質(zhì)量濃度 μg/L

研究結(jié)果表明，影響FAC的化學(xué)因素主要有pH值、溶解氧和ORP。單相流FAC最具風(fēng)險(xiǎn)的溫度區(qū)間為125～200℃，兩相流FAC最具風(fēng)險(xiǎn)的溫度區(qū)間為170～220℃?？梢?jiàn)，高壓加熱器水側(cè)及汽側(cè)的FAC風(fēng)險(xiǎn)較大，這與電廠監(jiān)督發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相吻合。提高pH值有助于抑制FAC，溶解氧能提供最佳保護(hù)，ORP與FAC密切相關(guān)。

為解決此問(wèn)題，電廠改變了給水處理方式，于2010年2月5日起，將#3機(jī)組給水處理方式由AVT(R)轉(zhuǎn)變?yōu)橹患影钡难趸匀珦]發(fā)AVT(O)處理方式，而停加化學(xué)除氧劑聯(lián)氨。目的是使給水在除氧器物理除氧后殘留微量溶解氧，以提升給水中的氧化還原電位，使ORP由低于－200 mV逐漸提升至0 mV以上，進(jìn)而使給水系統(tǒng)金屬機(jī)體表面形成Fe2O3+Fe3O4的鈍化膜，抑制給水系統(tǒng)的FAC，降低給水中Fe離子的質(zhì)量濃度。表4為給水方式改變后6個(gè)月的熱力系統(tǒng)中Cu，F(xiàn)e離子的質(zhì)量濃度，最低時(shí)省煤器進(jìn)口Fe離子的質(zhì)量濃度為3.70 μg/L。圖3為給水化學(xué)工況優(yōu)化前、后水汽中Fe離子質(zhì)量濃度的變化情況。

表4 采用AVT(O)處理方式時(shí)系統(tǒng)中Cu，F(xiàn)e離子的質(zhì)量濃度 μg/L

圖3 給水化學(xué)工況優(yōu)化前、后水汽中Fe離子的質(zhì)量濃度

#3機(jī)組給水化學(xué)工況由AVT(R)調(diào)至AVT(O)后省煤器進(jìn)口氧化還原電位由－10～－2000 mV升至0～50 mV，水汽系統(tǒng)中Fe離子的質(zhì)量濃度明顯下降，達(dá)到AVT(O)工況的最佳水平，給水系統(tǒng)FAC得到初步抑制。仍可通過(guò)給水化學(xué)工況的進(jìn)一步優(yōu)化降低水汽系統(tǒng)中Fe離子的質(zhì)量濃度，進(jìn)一步抑制給水及疏水系統(tǒng)的FAC。為了更有效地抑制AVT(O)工況下的FAC，電廠將給水pH值的控制標(biāo)準(zhǔn)從9.2～9.6調(diào)整到9.3～9.6，并盡量控制在指標(biāo)的上限;實(shí)施給水加氧處理(OT)是更加有效抑制給水及疏水系統(tǒng)FAC的最佳途徑之一。

3 結(jié)論

(1)電廠所采取的綜合措施對(duì)提高#3機(jī)組水汽品質(zhì)是有效的，針對(duì)性地解決了超超臨界機(jī)組存在的問(wèn)題。

(2)化學(xué)補(bǔ)給水系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，可以保證補(bǔ)給水品質(zhì)。#3機(jī)組熱力系統(tǒng)水汽TOC、陰離子含量均控制在較低水平，但必須嚴(yán)格控制凝結(jié)水精處理混床運(yùn)行周期制水量，即確保精處理混床氫型運(yùn)行，以確保出水品質(zhì)。

(3)將給水處理方式從AVT(R)工況調(diào)整到AVT(O)工況后，水汽系統(tǒng)氧化還原電位上升，水汽系統(tǒng)中Fe離子的質(zhì)量濃度下降趨勢(shì)明顯。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，AVT(O)工況的優(yōu)越性將得到更加明顯的體現(xiàn)。

(4)2011年，#3機(jī)組大修時(shí)發(fā)現(xiàn)省煤器結(jié)垢速率仍偏高，因此，進(jìn)一步抑制給水及疏水系統(tǒng)的FAC并降低爐管結(jié)垢速率的有效途徑唯有采用給水加氧處理。給水加氧處理對(duì)于高溫氧化皮的影響程度如何，望亭發(fā)電廠正與科研單位合作開(kāi)發(fā)有效利用溶解氧的正面作用、避免溶解氧的負(fù)面影響的多方面兼顧的新工藝，以進(jìn)一步提升機(jī)組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性。

［1］黃興德，王安寧，趙泓，等.超(超)臨界鍋爐給水疏水系統(tǒng)流動(dòng)加速腐蝕特征和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)［J］.中國(guó)電力，2011(2):37－42.

［2］畢法森，孫本達(dá).采用給水加氧處理抑制流動(dòng)加速腐蝕［J］.熱力發(fā)電，2005(2):52 －53.

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