進(jìn)口亞臨界鍋爐飽和蒸汽含鈉量超標(biāo)的原因研究與應(yīng)用

彭衛(wèi)紅

(神華巴蜀江油發(fā)電廠，四川江油 621709)

神華巴蜀江油發(fā)電廠2×330 MW機(jī)組1 025 t/h亞臨界鍋爐由法國(guó)STEIN公司生產(chǎn)，四角切圓、強(qiáng)制循環(huán)爐。汽包結(jié)構(gòu):由外筒和內(nèi)筒組成，內(nèi)設(shè)百葉窗、旋風(fēng)子汽水分離裝置，對(duì)水、汽進(jìn)行分離。機(jī)組水汽品質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)由法國(guó)STEIN公司提供。

2012年3月運(yùn)行中監(jiān)督發(fā)現(xiàn)，31號(hào)機(jī)組飽和蒸汽中含鈉量超標(biāo)(Na+:45 μg/L)，監(jiān)視機(jī)組運(yùn)行在其后的2個(gè)月時(shí)間內(nèi)，經(jīng)反復(fù)取樣復(fù)查，仍超標(biāo)，最大含鈉量為76 μg/L。江油發(fā)電廠組織運(yùn)行、化學(xué)、鍋爐專(zhuān)業(yè)成立聯(lián)合攻關(guān)小組，查找、分析引起31號(hào)機(jī)組飽和蒸汽含鈉量超標(biāo)的原因，提出處理對(duì)策，盡快使蒸汽含鈉量合格，防止蒸汽系統(tǒng)結(jié)鹽和腐蝕。

1 初步原因分析

根據(jù)《電廠化學(xué)水處理》，鈉鹽的攜帶分為溶解攜帶和機(jī)械攜帶:溶解攜帶與鍋水含鹽量有關(guān);機(jī)械攜帶與汽包水位、汽水分離裝置效果有關(guān)。因31號(hào)機(jī)組仍在運(yùn)行中，只作了以下排查。

1.1 運(yùn)行中水汽質(zhì)量普查

化學(xué)監(jiān)督人員對(duì)31號(hào)機(jī)組所有水、汽進(jìn)行取樣分析:補(bǔ)給水、給水、凝結(jié)水、鍋水所有指標(biāo)均處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);過(guò)熱、再熱蒸汽所有指標(biāo)處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);飽和蒸汽含鈉量為65 ug/L;電導(dǎo)率為 0.21 μs/cm。二氧化硅、銅、鐵離子含量處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

經(jīng)化學(xué)監(jiān)督人員每周4次對(duì)31號(hào)機(jī)組所有運(yùn)行水、汽進(jìn)行取樣分析，連續(xù)2個(gè)月發(fā)現(xiàn)31號(hào)機(jī)組補(bǔ)給水、給水、凝結(jié)水、鍋水所有指標(biāo)均處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);過(guò)熱、再熱蒸汽的指標(biāo)處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但當(dāng)飽和蒸氣含鈉量超標(biāo)過(guò)大時(shí)會(huì)引起過(guò)熱蒸汽含鈉量超標(biāo);飽和蒸汽含鈉量最大為76 μg/L;電導(dǎo)率為0.21 μs/cm。二氧化硅、銅、鐵離子含量處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

1.2 檢查運(yùn)行中鍋內(nèi)水質(zhì)處理

江油發(fā)電廠按法國(guó)STEIN公司給定的控制工藝，采用協(xié)調(diào)磷酸鹽處理，指標(biāo)控制如表1。

查看歷史記錄:兩機(jī)組首次檢查性檢修中，化學(xué)監(jiān)督情況表明，熱力系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)高、中壓轉(zhuǎn)子、隔板結(jié)鹽較多，高壓轉(zhuǎn)子鹽垢的主要成分為磷酸鹽，垢樣成分分析磷以氧化物表示(P2O5)占4成以上。隨后進(jìn)行的機(jī)組A修、B修化學(xué)監(jiān)督中同樣發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)有積鹽現(xiàn)象且高壓轉(zhuǎn)子集鹽中磷含量較高。查閱機(jī)組水汽品質(zhì)控制運(yùn)行日志，鍋水品質(zhì)合格率均在98%以上，證明控制水平不是汽輪機(jī)通流部件積鹽的主要原因，初步懷疑法國(guó)STEIN公司規(guī)定的控制工藝存在缺陷。

表1 鍋爐鍋水控制標(biāo)準(zhǔn)

1.3 機(jī)組運(yùn)行中汽包水位控制

(1)運(yùn)行人員嚴(yán)格按運(yùn)行規(guī)程將汽包水位投入外部定值狀態(tài)，并監(jiān)視水位在表2范圍。

表2 汽包監(jiān)視水位

(2)查詢(xún)運(yùn)行日志，鍋爐水位調(diào)節(jié)困難，水位波動(dòng)幅度經(jīng)常接近甚至超過(guò)許可范圍。

(3)熱控車(chē)間檢查校驗(yàn)汽包水位計(jì)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際水位比DCS顯示水位高35 mm。

1.4 汽包內(nèi)部的檢查

(1)2012年31號(hào)機(jī)組大修時(shí)，打開(kāi)汽包檢查發(fā)現(xiàn)汽水分界界限不明顯，對(duì)汽水分離裝置檢查未見(jiàn)異常。

(2)各加藥管、排污管正常。

(3)汽包內(nèi)筒檢查:通過(guò)拆除汽水分離裝置，對(duì)汽包內(nèi)筒壁進(jìn)行全面檢查發(fā)現(xiàn):汽包內(nèi)筒壁有23道裂紋，最長(zhǎng)裂紋貫穿內(nèi)筒壁2/3。

1.5 含鈉量超標(biāo)的主要原因

(1)汽包內(nèi)筒壁焊縫裂紋，部分飽和蒸汽未經(jīng)過(guò)汽水分離裝置分離，直接通過(guò)裂紋進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)，使飽和蒸汽帶水，引起飽和蒸汽含鈉量超標(biāo)。

(2)法國(guó)STEIN公司的控制工藝存在缺陷，鍋水處理中磷酸鹽偏高，使鍋水中鈉離子含量偏高，蒸汽通過(guò)溶解攜帶使鈉離子含量偏高，甚至超過(guò)控制范圍。

(3)機(jī)組運(yùn)行中，汽包水位偏高和波動(dòng)，導(dǎo)致蒸汽與鍋水分離不徹底，引起飽和蒸汽含鈉量偏高。

2 進(jìn)一步原因分析與研究

2.1 汽包內(nèi)筒壁焊縫裂紋原因分析

(1)通過(guò)對(duì)焊縫金屬檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)23條裂紋焊縫存在焊縫夾渣、氣孔、未融合等焊接缺陷。增加檢測(cè)，又新發(fā)現(xiàn)12條焊縫存在同樣缺陷。

(2)汽包內(nèi)筒體焊縫因承受附加拉應(yīng)力產(chǎn)生裂紋:檢查運(yùn)行日志，核對(duì)停機(jī)曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組停運(yùn)過(guò)程未嚴(yán)格按照曲線(xiàn)進(jìn)行，冷卻過(guò)快，汽包內(nèi)外筒壁膨脹系數(shù)不一致(汽包筒體壁厚163 mm，內(nèi)筒壁厚10 mm)，內(nèi)筒壁承受附加拉應(yīng)力;頻繁的啟停，加快裂紋的形成和發(fā)展，最長(zhǎng)裂紋達(dá)450 mm。

2.2 法國(guó)STEIN公司控制工藝研究

(1)隨鍋爐壓力的升高，蒸汽的性質(zhì)愈來(lái)愈接近水的性質(zhì)，其對(duì)鹽分的溶解攜帶系數(shù)成百倍增加。

(2)隨鍋爐壓力的升高，汽水密度差越小，汽水分離更加困難。鍋水含鹽量是影響蒸汽機(jī)械攜帶的主要因素，當(dāng)鍋水含鹽量達(dá)到臨界值時(shí)，蒸汽含鹽量更是與鍋水含鹽量成平方關(guān)系增長(zhǎng)。

(3)該廠2臺(tái)亞臨界鍋爐汽包內(nèi)未設(shè)置洗汽裝置，蒸汽溶解鹽類(lèi)和經(jīng)汽水分離裝置未徹底分離掉的鍋水水滴得不到處理而進(jìn)入蒸汽。

(4)亞臨界鍋爐的汽包直徑相對(duì)較小，水汽靠重力自然分離作用降低。

以上因素決定了亞臨界汽包鍋爐鍋水的極限含鹽量將大大降低。在凝汽器無(wú)泄漏和補(bǔ)給水質(zhì)量合格的情況下，為控制腐蝕和結(jié)垢向鍋內(nèi)添加的磷酸鹽就是形成鍋水鹽分的主要物質(zhì)。應(yīng)該說(shuō)，法方在制定鍋水控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)已經(jīng)注意到這一問(wèn)題，其磷酸鹽含量上限已比通常的協(xié)調(diào)磷酸鹽處理工藝控制上限低了許多，但仍顯得保守。

從減少汽輪機(jī)通流部件結(jié)鹽，并保證熱力系統(tǒng)腐蝕速率合格且達(dá)到期望最小值出發(fā)，盡管機(jī)組無(wú)凝結(jié)水精處理裝置，但現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間均未發(fā)現(xiàn)凝汽器泄漏，凝汽器無(wú)泄漏和品質(zhì)優(yōu)良的補(bǔ)給水決定了鍋水添加磷酸鹽的防垢作用已大大降低，其主要作用已成為調(diào)節(jié)鍋水pH值，防止金屬部件的腐蝕。這從理論上給進(jìn)一步降低鍋水中磷酸鹽含量提供了可能。由此，將鍋水控制標(biāo)準(zhǔn)作了如下調(diào)整，調(diào)整后控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 鍋爐鍋水調(diào)整后控制標(biāo)準(zhǔn)

在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，重點(diǎn)控制鍋水磷酸根和pH，鈉磷摩爾比不再?lài)?yán)格控制。這是因?yàn)橛醒芯勘砻?磷酸鹽上限控制在3 mg/L時(shí)，此濃度已低至在爐管局部濃縮處，磷酸鹽不超過(guò)其溶解度，已最大可能地避免了因析出發(fā)生的磷酸鹽隱藏，控制鈉磷摩爾比已失去實(shí)際意義。也就是說(shuō):將鍋水協(xié)調(diào)pH－磷酸鹽處理工藝改為了低磷酸鹽處理工藝。

近年的研究發(fā)現(xiàn):沉積并不是控制磷酸鹽隱藏的主要機(jī)制，而磷酸鹽和Fe3O4保護(hù)膜發(fā)生反應(yīng)才是控制磷酸鹽隱藏的主要因素。以往公認(rèn)的磷酸鹽處理鍋爐發(fā)生的堿性腐蝕破壞實(shí)際上是酸性磷酸鹽腐蝕，這種腐蝕現(xiàn)象在協(xié)調(diào)pH－磷酸鹽處理工藝下始終是一個(gè)潛在危險(xiǎn)。因此已有專(zhuān)家提出原則性意見(jiàn)為:協(xié)調(diào)磷酸鹽處理可用于高壓鍋爐，不宜用于超高壓鍋爐，不可用于亞臨界參數(shù)鍋爐。新的國(guó)標(biāo)條文GB/T 12145－1999也規(guī)定:協(xié)調(diào)磷酸鹽處理不適用于亞臨界參數(shù)電廠。推薦使用的工藝為低磷酸鹽處理或低磷酸鹽加氫氧化鈉處理，這證明該廠鍋水處理工藝的方向是正確的。

2.3 汽包水位的研究

(1)經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，法國(guó)STEIN公司提供的水位定值正確。

(2)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行實(shí)際水位與DCS盤(pán)上顯示水位不一致，實(shí)際水位比DCS盤(pán)上顯示水位高35 mm。

(3)鍋爐水位調(diào)節(jié)采用給水泵加調(diào)節(jié)閥控制，因調(diào)節(jié)閥漏量大，線(xiàn)性差，調(diào)節(jié)困難，水位波動(dòng)幅度經(jīng)常接近甚至超過(guò)許可范圍。

3 應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)

(1)汽包內(nèi)筒焊縫的處理:為消除焊接缺陷，焊縫修復(fù)時(shí)打磨量大，需填充金屬多，會(huì)附加應(yīng)力的產(chǎn)生。因此，首先對(duì)汽包內(nèi)筒壁進(jìn)行分段定位，確保修復(fù)后內(nèi)筒長(zhǎng)度、位置與原設(shè)計(jì)一致;其次為確保不留隱患，每道裂紋打磨后，100%著色探傷;然后內(nèi)筒材質(zhì)為A52CP，為防止焊接變形及附加應(yīng)力產(chǎn)生，對(duì)此做專(zhuān)項(xiàng)的焊接工藝評(píng)定。本次共處理焊縫35條，全部恢復(fù)與設(shè)計(jì)一致。

為減少鍋爐停運(yùn)過(guò)程中內(nèi)筒因承受附加應(yīng)力裂紋，要求鍋爐控制員在機(jī)組停運(yùn)過(guò)程嚴(yán)格按照曲線(xiàn)執(zhí)行。

(2)在控制好鍋爐補(bǔ)給水、凝結(jié)水品質(zhì)的條件下，在保證鍋水pH前提下，鍋水采用低磷酸鹽處理，磷酸根PO4

3－控制在≤3.0 mg/L，減少鍋水含鹽量。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明:鍋水雖采用了低磷處理，實(shí)際運(yùn)行中加藥量逼近或超上限，仍可能使飽和蒸汽鈉含量超標(biāo)，從亞臨界機(jī)組磷酸鹽主要作用轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣咤佀畃H，防止金屬腐蝕，防垢弱化作用出發(fā)，進(jìn)一步調(diào)整鍋水控制指標(biāo)，磷酸鹽為0.3～1 mg/L，pH為9.1～9.6。同時(shí)為減少進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)，磷酸鹽藥品采用分析純。當(dāng)磷酸根接近標(biāo)準(zhǔn)上限時(shí)，如pH不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)下限，適當(dāng)投加氫氧化鈉提高pH。

(3)熱控人員調(diào)整汽包實(shí)際水位與DCS顯示一致，并制定定期校對(duì)制度，為運(yùn)行調(diào)節(jié)水位提供真實(shí)數(shù)據(jù)。

(4)更換給水調(diào)節(jié)閥，調(diào)整閥門(mén)調(diào)節(jié)性能，為運(yùn)行靈活、及時(shí)調(diào)節(jié)水位提供可能。運(yùn)行控制人員加強(qiáng)對(duì)31號(hào)爐汽包水位監(jiān)視，防止汽包水位偏高。

4 運(yùn)行效果

31號(hào)機(jī)組于2012年10月啟動(dòng)運(yùn)行后，通過(guò)全面的化學(xué)檢驗(yàn)，機(jī)組飽和蒸汽含鈉量全面合格，超標(biāo)問(wèn)題得到了很好的根治，31號(hào)機(jī)組水汽品質(zhì)合格率達(dá)到100%。有效地緩減了機(jī)組蒸汽系統(tǒng)結(jié)鹽，明顯地降低了腐蝕速率，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。還準(zhǔn)備將該結(jié)果推廣應(yīng)用到全國(guó)范圍內(nèi)法國(guó)STEIN公司的同類(lèi)型鍋爐機(jī)組上。

［1］四川巴蜀江油發(fā)電廠，四川巴蜀江油發(fā)電廠化學(xué)運(yùn)行規(guī)程［S］.

［2］四川巴蜀江油發(fā)電廠出版，四川巴蜀江油發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行規(guī)程［S］.

［3］四川巴蜀江油發(fā)電廠出版，四川巴蜀江油發(fā)電廠鍋爐檢修規(guī)程［S］.

［4］電廠化學(xué)水處理［M］.武漢:大學(xué)出版社.