發(fā)電廠熱力系統(tǒng)新型氮氣保養(yǎng)節(jié)能創(chuàng)效工藝的應(yīng)用

大唐國際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司 劉建生

發(fā)電廠熱力系統(tǒng)新型氮氣保養(yǎng)節(jié)能創(chuàng)效工藝的應(yīng)用

大唐國際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司 劉建生

發(fā)電廠熱力系統(tǒng)大部分設(shè)備、管道均為碳鋼材質(zhì)進(jìn)行制造，設(shè)備管道停備中處于易發(fā)生金屬腐蝕，降低設(shè)備的強度，減少使用壽命。對熱力系統(tǒng)氮氣保養(yǎng)方式進(jìn)行研究，對多種設(shè)備的保養(yǎng)方案進(jìn)行分析，在電廠熱力系統(tǒng)的停備保養(yǎng)方面具有一定的推廣應(yīng)用價值。

發(fā)電廠；熱力系統(tǒng)；氮氣保養(yǎng)；應(yīng)用

隨著我國機械工業(yè)的快速發(fā)展和電力事業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，大容量、高參數(shù)的發(fā)電設(shè)備在各地得到了大量安裝和使用，電力電量供應(yīng)也出現(xiàn)了較大的盈余，市場格局也產(chǎn)生了顯著變化。原來以600MW機組作為主流機型的形勢逐漸向百萬機組過渡，部分地區(qū)600MW等級機組已進(jìn)入調(diào)峰運行狀態(tài)，原有的北方地區(qū)單機發(fā)電量200MW、300MW級熱電機組除在冬季供暖期及夏季大負(fù)荷能夠連續(xù)運行外，也出現(xiàn)了較長時間的停備。

無論是大型燃煤機組還是天然氣聯(lián)合循環(huán)機組，鍋爐和熱力管道都是其重要的組成部分，對應(yīng)機組運行中的高壓力、高溫度，重要部件的金屬材質(zhì)多為高強度合金鋼或碳鋼，具有暴露在空氣中易腐蝕的特性。鍋爐設(shè)備在備用條件下無法快速蒸發(fā)掉內(nèi)部水分，在機組停運后空氣進(jìn)入，導(dǎo)致腐蝕速度加劇。鍋爐和汽水管道受到腐蝕會產(chǎn)生鐵銹，并會在金屬壁面溫度變化時逐漸剝落，一方面會造成金屬壁厚減薄，鍋爐和管道的承壓強度降低，影響鍋爐的使用壽命；另一方面鐵銹進(jìn)入給水，導(dǎo)致給水中的Fe離子嚴(yán)重超標(biāo)，需要大量排污。

1 傳統(tǒng)熱力設(shè)備的保養(yǎng)方式

為了防止鍋爐和其他熱力設(shè)備在停備期間發(fā)生金屬部件腐蝕，需要對其進(jìn)行可靠保養(yǎng)。按多年的鍋爐及管道系統(tǒng)保養(yǎng)經(jīng)驗，余熱鍋爐的保養(yǎng)方式主要有充氮保養(yǎng)、干燥劑保養(yǎng)和干燥通風(fēng)保養(yǎng)三種。充氮保養(yǎng)采用高純度的氮氣充入鍋爐和管道內(nèi)部空間，利用氮氣惰性氣體的性質(zhì)，隔絕氧氣防止金屬壁面受到腐蝕，保養(yǎng)效果優(yōu)于其他兩種方式，因而在發(fā)電設(shè)備停機設(shè)備保養(yǎng)中得到較多的應(yīng)用。

圖1 氮氣集裝格、液氮杜瓦罐

1.1 鍋爐氮氣保養(yǎng)的常用做法

為了研究分析高效可行的余熱鍋爐保養(yǎng)方式，達(dá)到較好的保養(yǎng)效果，浙江紹興某燃?xì)鉄犭姽緦Σ煌某涞ｐB(yǎng)常用做法進(jìn)行了試用和比較。

1.1.1 瓶裝氮氣充氮保養(yǎng)。保養(yǎng)用氮氣采用40L高壓鋼瓶存儲，氮氣壓力10MPa，為減少充氮操作，租用了某特種氣體公司20瓶組集裝格，利用多個接口同時向鍋爐系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行充氮。實踐表明，在連續(xù)充入300瓶方能在鍋爐表計微正壓顯示。因要達(dá)到機組備用狀態(tài)，鍋爐系統(tǒng)無法加裝固定堵板，系統(tǒng)不嚴(yán)造成氮氣流失，每天需補入20瓶氮氣，在單臺鍋爐瓶裝保養(yǎng)中，一個月時間消耗約900瓶氮氣。

圖2 液氮槽罐車

1.1.2 杜瓦罐液氮充氮保養(yǎng)。杜瓦罐是一種存儲液態(tài)氮氣的裝置，經(jīng)過液氮氣化器氣化后可形成一定壓力的氮氣。氣化后的氮氣壓力僅有0.5MPa壓力，且氣化速度較慢，如果增加氮氣流量，則會在氣化器處結(jié)冰，管路堵塞，無法快速對余熱鍋爐進(jìn)行充氮。2臺杜瓦罐裝置連續(xù)兩天充氮無法達(dá)到氮氣正壓效果，無法滿足使用要求。

1.1.3 采用液態(tài)槽罐車進(jìn)行充氮。槽罐車也是用于儲存液態(tài)氮氣的車載裝置，和杜瓦罐不同的是氮氣氣化量大，可以快速對系統(tǒng)進(jìn)行充氮，能夠滿足使用要求，但需每天租用槽罐車對系統(tǒng)進(jìn)行充氮，產(chǎn)生的費用較高。

采用槽罐車和杜瓦罐因涉及到液態(tài)氮氣的氣化，液氮在氣化中要吸收大量的熱，因此需要對操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，對氣化裝置進(jìn)行可靠隔離，防止人員在操作接觸氣化設(shè)備中被凍傷，產(chǎn)生人身傷害。

2 新型氮氣制備工藝的提出

由于傳統(tǒng)工藝的氮氣制備方式無法滿足鍋爐設(shè)備系統(tǒng)快速充氮的要求，2013年紹興某燃?xì)鉄犭姽緦ο冗M(jìn)的空氣分子篩氮氣制備技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研。該種方式利用分子篩技術(shù)對空氣進(jìn)行分離，得到高純度的氮氣。該制氮工藝為物理提取，對環(huán)境沒有影響，較常見的低溫空氣分離制備氧氣和氮氣技術(shù)有較大的優(yōu)勢。

分子篩是由碳組成的多孔物質(zhì)，具有氣體分子級大小的微孔結(jié)構(gòu)，利用空氣中各種氣體在分子篩微孔中的不同擴散速度進(jìn)行分離。其原理類似于常見的高過濾精度的納米級網(wǎng)布，用于過濾空氣對氮氣和氧氣進(jìn)行分離，得到一定純度的氮氣。氮氣制備裝置一般由2臺分子篩容器和過濾器、氮氣儲氣罐、閥門及控制系統(tǒng)等附件組成。制氮工藝流程一般采用變壓吸附法，碳分子篩對氧氣在充壓、產(chǎn)氣時吸附，在降壓排氣時向外排出氧氣，在此過程中完成氮氣的收集。氮氣生產(chǎn)裝置設(shè)置A、B兩只分子篩吸附塔，吸附塔中填充碳分子篩，一塔吸附氧，制取氮氣，另一只塔解吸再生，排出上次吸附在碳分子篩表面的氧，兩組分子篩循環(huán)作用連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)氮氣。

該氮氣制備裝置可室外布置，在常溫下即可完成氮氣生產(chǎn)?？刂葡到y(tǒng)由PLC和電磁閥組成，通過電磁閥的開關(guān)改變系統(tǒng)流程壓力完成制氮功能。在制氮裝置接入清潔度符合要求的壓縮空氣，在出口儲氣罐就能夠得到濃度99.9%的氮氣。

3 氮氣保養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計和現(xiàn)場實施

現(xiàn)以浙江紹興某燃?xì)鉄犭姽居酂徨仩t、燃?xì)忮仩t等設(shè)備保養(yǎng)為例進(jìn)行說明。該公司對全廠氮氣系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃，氮氣系統(tǒng)設(shè)計覆蓋兩臺余熱鍋爐系統(tǒng)、兩臺啟動爐系統(tǒng)保養(yǎng)用氣，同時考慮了天然氣調(diào)壓站和燃機系統(tǒng)天然氣置換用氣。為了選擇合理流量的氮氣制備裝置，該公司對余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t保養(yǎng)容積進(jìn)行了核算。經(jīng)計算每臺余熱鍋爐本體、受熱面和管路總?cè)莘e約為800m3。兩臺燃?xì)鉅t需保養(yǎng)容積約80m3?？紤]一臺機組運行，另一臺機組備用，共計需保養(yǎng)容積為880m3。

在燃機停機冷卻系統(tǒng)放水后開始充氮保養(yǎng)，按1-2小時完成系統(tǒng)充氮計算，考慮系統(tǒng)充氮過程中的泄漏因素，采用每小時600m3的氮氣制備裝置能夠滿足余熱鍋爐、啟動爐共880m3容積的保養(yǎng)，充氮壓力能快速達(dá)到50kPa以上。

圖3 氮氣制備裝置工藝示意圖

為保證氮氣管路清潔，氮氣系統(tǒng)管路全部采用不銹鋼材質(zhì)，氬弧焊接。氮氣供應(yīng)系統(tǒng)最遠(yuǎn)敷設(shè)至天然氣調(diào)壓站，管路總長約600余米，系統(tǒng)流程如圖4所示。該氮氣供應(yīng)系統(tǒng)管路系統(tǒng)于2014年1月施工，2月完成氮氣制備裝置和氮氣穩(wěn)壓罐的安裝。設(shè)備管路系統(tǒng)安裝完成后對管路系統(tǒng)進(jìn)行了吹掃，保證管路系統(tǒng)清潔。

4 新型氮氣保養(yǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 氮氣保養(yǎng)系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用情況

2014年2月，該公司氮氣供應(yīng)系統(tǒng)安裝完成，氮氣制備投入試運，氮氣壓力0.6MPa，濃度99.9%，流量達(dá)到了600m3/h的設(shè)計參數(shù)要求。兩個小時完成了對1號機組余熱鍋爐系統(tǒng)的充氮，檢測口檢驗氧氣含量小于1%。由于鍋爐未裝設(shè)臨時堵板，在氮氣供應(yīng)裝置停運后鍋爐氮氣壓力逐步下降。經(jīng)比較采用定期充壓的方式進(jìn)行充氮保養(yǎng)，每6個小時啟動制氮機一次，將氮氣壓力升至50kPa以上。目前已實現(xiàn)了DCS遠(yuǎn)程的控制，節(jié)省了制氮裝置起動和停用所需的人力。

氮氣系統(tǒng)已多次完成了天然氣調(diào)壓站、燃機系統(tǒng)檢修的多次氣體置換操作，充氮置換過程操作簡便，氮氣置換過程快速，提高了檢修工作效率。

4.2 氮氣保養(yǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗

紹興某燃?xì)鉄犭姽驹趹?yīng)用氮氣供應(yīng)裝置以后，成功采用了多種方式對余熱鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行充氮保養(yǎng)。

4.2.1 鍋爐帶水充氮保養(yǎng)。對于短時間的停機備用，在鍋爐汽包壓力小于0.2MPa開始充氮保養(yǎng)。首次充氮合格后，對氮氣壓力進(jìn)行監(jiān)視，維持氮氣壓力20-50kPa，低于20kPa補充氮氣。

4.2.2 干法停爐充氮保養(yǎng)。在余熱鍋爐鍋爐受熱面水放凈后，向高中低壓汽包充入氮氣，通過控制閥門逐個完成三個壓力省煤器，蒸發(fā)器和過熱器換熱模塊的氮氣置換操作。各受熱面氮氣置換完成后，對氮氣壓力進(jìn)行監(jiān)視，維持氮氣壓力20-50kPa，低于20kPa補充氮氣。

4.2.3 濕法充氮保養(yǎng)。鍋爐水側(cè)采用化學(xué)加藥的方式進(jìn)行保養(yǎng)，通過添加無機鹽或揮發(fā)性的聯(lián)氨和氨水來達(dá)到水側(cè)保養(yǎng)效果；鍋爐氣側(cè)采用氮氣進(jìn)行密封，防止空氣進(jìn)入。

4.2.4 為了保證充氮保養(yǎng)效果和操作中的安全，需在實施中采取如下措施：

（1）規(guī)范鍋爐充氮保養(yǎng)作業(yè)流程。在余熱鍋爐充氮中要根據(jù)充氮方式的不同，采取不同的氮氣濃度檢查方法。如在鍋爐放水前由鍋爐高點充入氮氣，則需要在水放凈前建立氮氣壓力，保證氮氣充滿余熱鍋爐上部空間，在余熱鍋爐下部放水點測取氧氣濃度。在余熱鍋爐無水狀態(tài)下充氮時，空氣已完全占據(jù)余熱鍋爐的內(nèi)部空間，在余熱鍋爐內(nèi)部氮氣壓力升高后，連續(xù)由鍋爐下部進(jìn)行放氣，確保空氣中的氧氣全部排出，直至在鍋爐下部放水點測取氧氣濃度合格。

（2）氮氣保養(yǎng)裝置產(chǎn)出的是0.6MPa的常溫氮氣，因其壓力低，在充氮操作中不會因壓力下降導(dǎo)致溫度下降過多，因此沒有瓶裝氮氣壓力降低導(dǎo)致的溫度下降而可能會造成凍傷的情況。因此在正常操作中是安全的。

（3）在有限空間作業(yè)中如果氮氣濃度過高，在其中工作存在窒息的危險。因此要提前對保養(yǎng)區(qū)域通風(fēng)，并對其中的氧氣含量檢查確認(rèn)，防止發(fā)生危險。

5 鍋爐系統(tǒng)停機氮氣保養(yǎng)實施效果

5.1 提高了鍋爐系統(tǒng)的安全可靠性和使用壽命

紹興某燃?xì)鉄犭姽?014年2月完成了余熱鍋爐氮氣保養(yǎng)系統(tǒng)的安裝和使用，實現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和啟停，該公司實現(xiàn)了機組即停運即保養(yǎng)的良好操作模式。在機組停運，鍋爐系統(tǒng)壓力消除后開始投入氮氣保養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)，對鍋爐系統(tǒng)空氣進(jìn)行置換，保持系統(tǒng)內(nèi)氮氣壓力50kPa左右，隨時抽樣測取氧氣的濃度，保證鍋爐內(nèi)部無氧氣進(jìn)入。

根據(jù)使用經(jīng)驗，即使在長達(dá)3個月的機組停備，機組上水循環(huán)后給水中的Fe離子仍處于較好水平，說明鍋爐和管道金屬未受到腐蝕。該公司在2015年10月小修中，技術(shù)監(jiān)控單位對鍋爐汽包和管道系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢查，汽包及管道壁面光滑、無銹蝕，鍋爐保養(yǎng)評價效果為優(yōu)。

5.2 該成果取得的經(jīng)濟效益

5.2.1 如采用傳統(tǒng)的瓶裝氮氣對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)，根據(jù)紹興某燃?xì)怆姀S經(jīng)驗單臺鍋爐每月需900瓶氮氣（首次充氮300瓶，每天補充20瓶），按瓶裝氮氣每瓶35元進(jìn)行計算，每月需要氮氣保養(yǎng)費用9.45萬元，按每年每臺機組保養(yǎng)3個月進(jìn)行測算，費用為18.9萬元。兩臺燃?xì)鉅t保養(yǎng)首次充氮需30瓶，每天充氮5瓶，按需3個月進(jìn)行計算，每年費用為 3.78萬元。年用于天然氣系統(tǒng)濾網(wǎng)清理、閥門檢修等檢修置換用氮氣計400瓶，需瓶裝氮氣費用1.4萬元。經(jīng)計算每年消耗瓶裝氮氣約為24.8萬元，但因氮氣充入緩慢，無法保證鍋爐充滿氮氣，保養(yǎng)效果較差，仍需在鍋爐啟動和運行中大量排污。

該氮氣系統(tǒng)采用物理分離方式對空氣分離，如果提供的壓縮空氣清潔，則氮氣生產(chǎn)中分子篩不會產(chǎn)生老化現(xiàn)象，質(zhì)量較好的分子篩填料使用壽命可達(dá)十年以上，運行中無其他運行費用。該公司新的氮氣供應(yīng)系統(tǒng)安裝費用如下，氮氣制備裝置50萬元，管路系統(tǒng)敷設(shè)3萬元，人工2萬元，共計55萬元。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出該項目在充氮保養(yǎng)和置換方面的直接投資回收期為2.21年。

5.2.2 該公司鍋爐采用氮氣保養(yǎng)系統(tǒng)后，減少了冷態(tài)啟動除鹽水的消耗。按兩臺機組年冷態(tài)啟動30次，在氮氣系統(tǒng)安裝前每次啟動放水3次，每次換水量300t計算，每年可節(jié)省除鹽水2.7萬t，除鹽水按10元/t進(jìn)行計算，每年可節(jié)省費用達(dá)27萬元。鍋爐減排水量也得到了大幅減少，減少了工業(yè)廢水的處理和外排，有利于節(jié)能環(huán)保。機組啟動期間高、中、低壓系統(tǒng)需100%開度連續(xù)排污需5-6個小時，日補水在700t以上。實施后20分鐘后鍋爐水質(zhì)合格，連排全關(guān)。單臺機組日節(jié)約除鹽水500t/臺次。按機組啟動360次（該機組兩班制運行，晝起夜停）計算，年可節(jié)約除鹽水18萬t，可節(jié)省費用達(dá)180萬元。

5.3 取得的社會效益

采用氮氣系統(tǒng)對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)后，運行人員可以在控制室完成充氮保養(yǎng)的所有操作，并能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，保證鍋爐的充氮保養(yǎng)效果。相對于采用瓶裝氮氣、杜瓦罐液氮，槽罐車液氮等保養(yǎng)方式而言，采用氮氣制備裝置后節(jié)省了大量的人力。該裝置采用后減少人力操作，消除了瓶裝氮氣和液氮帶來的安全隱患。

在采用了氮氣系統(tǒng)對鍋爐保養(yǎng)后，金屬壁面銹蝕狀況得到改善，鍋爐啟動及正常排污次數(shù)大幅減少，減少了除鹽水的制備量和爐水的排污量，有利于節(jié)能環(huán)保?？梢缘统杀咎峁┑獨庥糜谔烊粴庀到y(tǒng)的檢修置換操作，縮短了設(shè)備檢修時間。

6 氮氣保養(yǎng)設(shè)備的應(yīng)用前景

6.1 在鍋爐保養(yǎng)取得較好的效果后，該燃?xì)鉄犭姽疽阎鸩綄⒌獨獗ｐB(yǎng)范圍擴充至整臺機組，將汽機側(cè)管路系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)管路也納入到保養(yǎng)范圍。在凝汽器、汽機汽缸內(nèi)部也由主汽管路充入氮氣，減少內(nèi)部氧氣含量，降低汽輪機隔板葉片、凝汽器腐蝕。

6.2 改變氫冷發(fā)電機組瓶裝氮氣置換的現(xiàn)狀，將氮氣制備裝置用管路接至發(fā)電機氫排位置，快速地完成發(fā)電機的氮氣氫氣置換，節(jié)省檢修置換時間，也避免高壓氮氣瓶經(jīng)減壓后溫度降低對人員造成的凍傷等問題，提高發(fā)電機氮氣置換過程的安全性。

6.3 北方熱電企業(yè)采暖供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)加熱器、蒸汽管路系統(tǒng)龐大，傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥保養(yǎng)效果較差，如采用該氮氣制備系統(tǒng)對熱網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)，可以短時間內(nèi)完成系統(tǒng)充氮，達(dá)到以較小的成本實現(xiàn)設(shè)備充氮保養(yǎng)。減少供熱站設(shè)備的腐蝕，減少由于設(shè)備腐蝕造成的系統(tǒng)停運，保證居民的采暖用熱。

6.4 對于市政系統(tǒng)熱力采暖長輸管道保養(yǎng)具有重要意義。熱力系統(tǒng)管路內(nèi)部采用防銹漆防腐，供熱停運后采用不放水處理，管道內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重。如采用氮氣進(jìn)行保養(yǎng)，可以延長管路系統(tǒng)的使用壽命。以600m3/h的氮氣供應(yīng)裝置計算，只需一天時間即可完成直徑1米管路幾十公里的充氮保養(yǎng)任務(wù)，取得的經(jīng)濟效益和社會效益不可估量。