超臨界直流爐首次檢修化學(xué)檢查共性問題及對(duì)策

張小霓，吳文龍，李長(zhǎng)鳴，謝 慧

（河南電力試驗(yàn)研究院，鄭州市，450052）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及用電量的劇增，我國(guó)火電機(jī)組裝機(jī)容量在近幾年迅速增加，僅河南省近幾年投運(yùn)的600MW超臨界直流爐機(jī)組就有16臺(tái)。

DL/T 1115—2009《火力發(fā)電廠機(jī)組大修化學(xué)檢查導(dǎo)則》中明確指出：機(jī)組檢修時(shí)對(duì)其進(jìn)行化學(xué)檢查可以評(píng)價(jià)機(jī)組運(yùn)行期間所采用的給水處理方式是否合理，監(jiān)控是否有效；評(píng)價(jià)機(jī)組在停、備用期間所采用的各種保護(hù)方式是否合適，并根據(jù)存在問題提出改進(jìn)措施[1]。根據(jù)導(dǎo)則[1]要求，對(duì)河南8臺(tái)采用還原性全揮發(fā)（all-volatile treatment，AVT）處理方式的600MW超臨界直流爐機(jī)組首次檢修進(jìn)行化學(xué)檢查，發(fā)現(xiàn)了一些共性問題，可歸納為：水冷壁、省煤器結(jié)垢速率高；汽輪機(jī)葉片積鹽速率高；汽輪機(jī)低壓缸葉片銹蝕。

1 結(jié)垢、積鹽檢查及分析

1.1 省煤器、水冷壁結(jié)垢速率高

對(duì)河南省8臺(tái)600MW超臨界直流爐機(jī)組的水冷壁、省煤器管進(jìn)行割管檢查和分析，其垢量和結(jié)垢速率如表1所示。

表1 水冷壁、省煤器垢量和結(jié)垢速率Tab.1 The scale and scaling rates on water-cooled wall and coal economizer

從表1可以看出，機(jī)組水冷壁和省煤器垢量高，結(jié)垢速率快，水冷壁和省煤器結(jié)垢評(píng)價(jià)為三類的機(jī)組占75%。DL/T 794—2001《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》中規(guī)定直流爐水冷壁垢量達(dá)到200～300 g/m2時(shí)應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗[2]。根據(jù)水冷壁結(jié)垢速率計(jì)算，大部分機(jī)組運(yùn)行2～3年水冷壁垢量即達(dá)到化學(xué)清洗垢量的下限，個(gè)別機(jī)組運(yùn)行不到2年即達(dá)到下限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到導(dǎo)則[2]中規(guī)定的運(yùn)行5～10年進(jìn)行化學(xué)清洗的年限。

另外，對(duì)其垢成分進(jìn)行了分析，其中Fe（以Fe2O3計(jì)）占90%以上（質(zhì)量百分比）。

1.2 汽輪機(jī)葉片積鹽速率高

對(duì)汽輪機(jī)葉片上沉積物較多部位取樣稱重，計(jì)算其沉積物量和沉積速率，結(jié)果如表2所示。

表2 汽輪機(jī)葉片沉積物量和沉積速率Tab.2 Salt deposition and rate on steam turbine blades

由表2可以看出，高壓缸葉片上沉積物量較多，積鹽速率較快，均評(píng)價(jià)為二類或三類。

1.3 原因分析

雖然機(jī)組在運(yùn)行期間的汽水品質(zhì)嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 12145《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》[3]，但從表1、表2可以看出，600MW超臨界直流爐機(jī)組其水冷壁、省煤器結(jié)垢速率高，汽輪機(jī)葉片積鹽速率高是檢查中發(fā)現(xiàn)的共性問題，分析原因如下。

（1）新建機(jī)組在基建階段雖然經(jīng)歷了酸洗、吹管，但自整套啟動(dòng)到商業(yè)化運(yùn)行期間的水汽品質(zhì)的某些指標(biāo)仍達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；機(jī)組參數(shù)越高，蒸汽攜帶離子能力越強(qiáng)，對(duì)水汽品質(zhì)要求越高。直流爐不能排污，導(dǎo)致水冷壁、省煤器結(jié)垢，汽輪機(jī)積鹽。

（2）目前河南600MW機(jī)組采用傳統(tǒng)的AVT給水處理方式，在處于弱還原性的條件下，金屬表面形成了雙層Fe3O4氧化膜，其由致密的Fe3O4內(nèi)伸層和多孔、疏松的Fe3O4外延層構(gòu)成。當(dāng)局部水流條件惡化時(shí)，由于外延層不耐水流的沖擊，而且水的氧化能力非常弱，不能將Fe2+氧化為Fe3+并隨后轉(zhuǎn)化為具有保護(hù)作用的α-Fe2O3氧化膜覆蓋層，所以Fe3O4氧化膜處于活化狀態(tài)，給水系統(tǒng)的局部可能會(huì)發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕[4-6]。600MW機(jī)組采用AVT處理，其腐蝕防護(hù)效果不能達(dá)到最佳，給水含鐵量偏高，腐蝕產(chǎn)物沉積在省煤器、水冷壁上，由蒸汽攜帶沉積在汽輪機(jī)葉片上。嚴(yán)重時(shí)，造成水冷壁節(jié)流孔板堵塞，流通面積減小，管內(nèi)工質(zhì)流通不暢，引起水冷壁超溫甚至爆管[7]。

2 汽輪機(jī)葉片積鹽成分檢查及分析

2.1 汽輪機(jī)積鹽特性分析

依據(jù)SD 202—1986《火力發(fā)電廠垢和腐蝕產(chǎn)物分析方法》[8]，使用美國(guó)熱電的IRIS型等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)汽輪機(jī)高、中、低壓缸汽輪機(jī)葉片上沉積物進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)的規(guī)律如下。

（1）高壓缸葉片沉積物中有較大比例的Fe、P、Cu、Al元素，如表3所示。

表3 汽輪機(jī)高壓缸葉片沉積物成分Tab.3 Salt composition on blades of high pressure cylinder

（2）中壓缸葉片沉積物以Fe、Si、Na元素為主，部分沉積物含有少量的Cu、Al元素。

（3）低壓缸葉片沉積物以Si、Fe、Na元素為主，部分沉積物含有較多氯化物、碳酸氫鹽和碳酸鹽。

（4）汽輪機(jī)葉片沉積物成分復(fù)雜，F(xiàn)e元素普遍存在于各級(jí)葉片。

2.2 汽輪機(jī)積鹽特性原因分析

目前河南省600MW機(jī)組均為無磷處理，檢查中發(fā)現(xiàn)在高壓缸葉片上P、Cu、Al元素普遍存在，分析其原因可能為：

（1）葉片上沉積物中的磷酸鹽可能來源于機(jī)組基建時(shí)化學(xué)清洗的堿洗殘留物，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)沒有完全沖洗干凈，由蒸汽攜帶沉積在汽輪機(jī)葉片上。

（2）600MW機(jī)組熱力設(shè)備的給水管道材質(zhì)中有銅合金的成分，葉片上沉積的少量銅從銅合金中析出，由蒸汽攜帶沉積在葉片上。

（3）葉片上沉積的鋁可能來源于基建階段的塵土。汽輪機(jī)葉片沉積物中的鐵、鈉、硅元素及氯化物與給水處理方式、精處理運(yùn)行狀況、汽水品質(zhì)等方面有關(guān)。蒸汽攜帶離子進(jìn)入汽輪機(jī)做功后，蒸汽的溫度、壓力下降，蒸汽攜帶離子能力降低，鹽類析出沉積；低壓缸葉片上堿性物質(zhì)碳酸鹽、碳酸氫鹽與機(jī)組停機(jī)后低壓缸濕度大、吸收空氣中CO2有關(guān)。

3 汽輪機(jī)銹蝕問題及分析

3.1 低壓缸葉片、圍帶銹蝕

檢查中發(fā)現(xiàn)，低壓缸揭缸后，除e電廠低壓缸葉片沒有銹蝕外，其余電廠低壓缸均發(fā)生不同程度的銹蝕，其中a電廠1號(hào)機(jī)組低壓缸腐蝕情況如圖1所示。

3.2 低壓缸葉片銹蝕原因分析

以河南b電廠為例，對(duì)沉積物較多的2～4級(jí)葉片取沉積物樣本，對(duì)其進(jìn)行離子色譜儀、等離子發(fā)射光譜儀分析，其中Fe（以Fe2O3計(jì)）占88.66%，氯化物占0.88%，Na占1.07%。

從銹蝕集中的低壓缸2～4級(jí)葉片上取腐蝕產(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果詳見表4。

表4 低壓缸2～4級(jí)葉片銹蝕產(chǎn)物能譜測(cè)定結(jié)果Tab.4 The spectrometric testing result of rusting deposition on the low pressure cylinder blades

由分析結(jié)果可以看出，沉積物中的氯化鈉是2～4級(jí)葉片停機(jī)之后氧電化學(xué)腐蝕的主要腐蝕性介質(zhì)，在腐蝕產(chǎn)物中約占2%，是比較明顯的。

汽輪機(jī)低壓葉片銹蝕發(fā)生在停機(jī)之后，機(jī)理是停機(jī)后發(fā)生于部分明顯積鹽葉片的電化學(xué)氧腐蝕。主要腐蝕性成分可能來自低壓葉片上的氯化物積鹽和空氣中的二氧化碳。這些腐蝕性成分均為吸濕性較強(qiáng)的鹽分，易吸收來自運(yùn)行機(jī)組的較高濕度形成表面水膜，并在其中被富集形成較高的局部濃度，對(duì)部件表面保護(hù)性氧化膜局部破壞，活化形成小陽極；通過正常氧化層的表面水膜，空氣中的氧氣可快速擴(kuò)散，形成腐蝕電池大陰極，產(chǎn)生快速氧電化學(xué)腐蝕；隨后還會(huì)對(duì)電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)氧化，水解產(chǎn)生的HCl可作為催化劑繼續(xù)參與氧化電化學(xué)反應(yīng)，相應(yīng)的電極反應(yīng)見下。

3.3 建議

針對(duì)以上分析，建議如下：

（1）機(jī)組檢修時(shí)加強(qiáng)停備用保護(hù)；

（2）盡量保持汽輪機(jī)的真空度；

（3）停機(jī)后應(yīng)趁熱快速干燥，如有揭缸計(jì)劃應(yīng)盡快清理葉片表面，可以防止或減輕停機(jī)后低壓缸葉片的銹蝕。

加強(qiáng)運(yùn)行期間水汽品質(zhì)的監(jiān)督、控制，提高蒸汽品質(zhì)是解決低壓缸葉片腐蝕的最根本途徑。

4 給水處理方式探討及建議

目前600MW超臨界直流爐機(jī)組幾乎都設(shè)計(jì)有加氧處理裝置，但目前大部分超臨界機(jī)組仍然沿用傳統(tǒng)的AVT給水處理方式。超臨界直流爐機(jī)組采用AVT處理方式不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最佳腐蝕防護(hù)，從而導(dǎo)致給水含鐵量偏高，局部可能會(huì)發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕，沉積率較高；超臨界機(jī)組水冷壁管徑變小，單管的流通面積變小，水冷壁結(jié)垢，影響傳熱，增加流動(dòng)阻力，直接導(dǎo)致給水泵壓力增加、能耗增大；汽輪機(jī)葉片上積鹽導(dǎo)致汽輪機(jī)效率降低。因此，超臨界直流爐采用AVT給水處理方式并不是最適合的，使用氧化性給水處理是發(fā)展的必然趨勢(shì)。

氧化性處理（oxygenated treatment，OT）是加入氧氣（或其他氧化劑）使沉積層表面轉(zhuǎn)化成為穩(wěn)定的Fe2O3，同時(shí)堵塞了Fe3O4膜層微孔，使防護(hù)層更加致密；但其對(duì)給水品質(zhì)和精處理運(yùn)行水平要求苛刻，如不能滿足，則存在嚴(yán)重的溶氧電化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，此外還需加氧裝置（包括監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)）、溶氧監(jiān)測(cè)儀器和若干取樣點(diǎn)改造投入。給水弱氧化（weak oxygenated treatment，WOT）是近年來最新開發(fā)的一種氧化性給水處理方式，它取消了還原劑，控制了給水溶氧，同樣實(shí)現(xiàn)了氧化性處理，使循環(huán)系統(tǒng)獲得以有效腐蝕防護(hù)，但不必具備OT所需的苛刻水質(zhì)條件。與此同時(shí)，精準(zhǔn)控制的溶氧在省煤器內(nèi)消耗殆盡，防止了溶氧進(jìn)入爐內(nèi)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。采用WOT處理方式不必新增加氧系統(tǒng)和溶氧監(jiān)測(cè)設(shè)備投資，簡(jiǎn)便易行；同時(shí)因取消了可疑致癌物還原劑聯(lián)氨，停運(yùn)了有關(guān)配藥、加藥設(shè)備和操作，節(jié)省了大量藥品費(fèi)用、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和人員費(fèi)用。目前，WOT處理在降低水冷壁、省煤器結(jié)垢速率和汽輪機(jī)積鹽速率方面已經(jīng)取得了令人滿意的效果[9]。河南已有十余臺(tái)機(jī)組采用弱氧化處理作為給水處理方式，水冷壁、省煤器的結(jié)垢速率和汽輪機(jī)積鹽速率均大大降低[10-14]，直流爐對(duì)水汽品質(zhì)的要求更高，更適合采用弱氧化給水處理方式。

5 結(jié)論

通過對(duì)河南省8臺(tái)采用AVT給水處理方式的600MW機(jī)組的化學(xué)檢查，發(fā)現(xiàn)以下共性問題：水冷壁和省煤器結(jié)垢速率快；汽輪機(jī)高壓缸上積鹽速率快；低壓缸有銹蝕現(xiàn)象發(fā)生。從目前的檢查情況看，采用AVT給水處理方式，腐蝕防護(hù)效果不能達(dá)到最佳，弱氧化處理是更適合超臨界直流爐的給水處理方式。選擇合適的給水處理方式，加強(qiáng)運(yùn)行期間水汽品質(zhì)的監(jiān)督與控制、提高蒸汽品質(zhì)是解決結(jié)垢、積鹽、腐蝕的根本途徑。

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