聯(lián)合循環(huán)余熱機組停/備用腐蝕防護技術綜述

馮禮奎，樓華棟，賴建忠

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400；3.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

0 引言

熱力設備的腐蝕會使金屬表面遭到破壞，減損設備壽命，加劇熱力設備受熱面結垢和運行腐蝕現(xiàn)象，影響熱力系統(tǒng)安全性和經濟性。由于停運時設備內部氧的濃度大，在沒有采取有效防腐蝕措施的情況下，腐蝕嚴重程度要遠高于運行階段的腐蝕[1-2]，對于經常停運或停運時間較長的熱力設備，停運期間的腐蝕防護工作必須高度重視。

1 余熱機組停/備用腐蝕現(xiàn)狀

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組（簡稱燃機）因清潔、高效、調度靈活等優(yōu)勢，近十年來在我國京津、華東、華南等電力負荷集中地區(qū)發(fā)展較快，2016年底全國燃機裝機規(guī)模已超過7 000萬kW。受天然氣資源稟賦制約，我國天然氣電站普遍面臨氣源供應無保障、發(fā)電成本高的問題，目前主要承擔電網(wǎng)調峰調頻功能，除少數(shù)重點保障區(qū)域燃機能做到連續(xù)運行，大部分機組主要作為備用電源使用，且以冷備用為主，總體上停多開少[3-5]。以浙江省為例，2015年和2016年燃機年均發(fā)電利用小時數(shù)在1 300 h左右，年均停備用時間超過7 000 h，其中冷備用時間超過5 000 h。燃機這種停多開少的局面不僅使機組經濟性相當差，還帶來停運設備維護保養(yǎng)問題，其中熱力設備停運腐蝕防護是最重要工作之一。

從近幾年燃機發(fā)電廠監(jiān)督檢查發(fā)現(xiàn)，燃機的熱力設備停運腐蝕防護普遍存在兩方面問題：

（1）大部分燃機余熱機組（也稱聯(lián)合循環(huán)余熱機組，簡稱余熱機組）停/備用保護措施效果不符合要求，由于燃機啟停次數(shù)多且停運時間難以確定，為操作方便一般都采取熱爐放水烘干法對余熱機組進行保護。該方法效果一般，而且經常出現(xiàn)停機時間超出保護措施有效期的情況，這類余熱機組停運銹蝕普遍較嚴重。

（2）對長期停運的余熱機組保護措施覆蓋范圍不全面，通常以余熱鍋爐本體水汽系統(tǒng)保護為主，對凝汽器、燃汽輪機、鍋爐煙氣側等設備缺少針對性的防銹蝕措施。

圖1為某9E燃機的余熱機組凝汽器熱井停運1周（左側）和1個月（右側）后的內部檢查對比情況，因沒有采取合適的防銹蝕措施，1個月時間碳鋼材料銹蝕比較嚴重。圖2為某6E燃機的余熱鍋爐蒸發(fā)器管腐蝕，因經常停機在3個月以上，水平蒸發(fā)器管道積水部位因長時間腐蝕導致穿孔。

圖1 某廠凝汽器汽熱井底部停運期間銹蝕

圖2 某余熱鍋爐水平蒸發(fā)器管腐蝕穿孔

2 余熱機組停/備用腐蝕防護特點

由于材質、運行工質和所處環(huán)境的不同，余熱機組水汽系統(tǒng)的腐蝕防護是燃機系統(tǒng)中的重點。同樣以水汽作為運行工質，余熱機組在系統(tǒng)結構、運行方式、啟停調度等方面與普通燃煤發(fā)電機組有很大區(qū)別，余熱機組停/備用保護可借鑒燃煤機組的一些方法和經驗，但在具體選擇和制定防腐蝕措施時還必須考慮適應和滿足燃機的特點：

（1）燃機調峰方式多數(shù)為啟停調峰而非變負荷調峰，具有啟停頻繁、停/備用時間不確定的特點，停/備用保護方法應考慮不同停機工況，滿足任何時長的停機保養(yǎng)需求。有保護期限的方法（如余熱烘干法）不適合作為唯一方法，還應考慮長期停運情況下全系統(tǒng)保護的需求。

（2）余熱鍋爐一般采用多壓系統(tǒng)，機、爐組合形式多樣，水汽系統(tǒng)較燃煤鍋爐復雜，停/備用保護措施應考慮保護范圍的全面性，對超過2周的停運，應考慮包括鍋爐、汽輪機、凝汽器等所有水汽系統(tǒng)設備以及鍋爐煙氣側的大范圍保護。

（3）燃機開機速度快，鍋爐啟動過程水沖洗時間短，停/備用保護方法首先應確保良好的防銹蝕效果，其次不影響機組水汽品質，不影響機組快速啟動。

（4）燃機啟停次數(shù)多，相應的停/備用保護措施投入、撤出次數(shù)也多，保護措施應盡量操作簡便，能靈活應對隨時開機或停機的情況。

（5）在當前燃機停多開少情況下，總的停運保護時間較長，保護措施的經濟性是重要參考因素，同時還應考慮保護措施的環(huán)保影響。

綜合上述特點，余熱機組的停/備用保護措施應能夠靈活適應各種長、短期停機工況，符合機組快速啟停、保護范圍全面的要求，同時兼具良好的安全、經濟和環(huán)保性能。

3 余熱機組常用的停/備用保護方法

目前余熱機組常用的停/備用腐蝕防護方法主要來自于燃煤機組的應用經驗，主要是余熱烘干法，也有使用成膜胺法、充氮法、濕法保護，這些方法在燃煤機組都有成熟應用，但在余熱機組的實際應用中存在各自局限或不足。

3.1 余熱烘干法

余熱烘干法（包括堿化烘干法）是在停爐放水后利用爐膛及金屬余熱使系統(tǒng)內水分蒸發(fā)，爐內相對濕度要達到60%以下，使金屬表面保持相對干燥，利用金屬表面鈍化膜耐蝕性能在一定時間內防止銹蝕。該方法操作簡便，應用最為普遍，但余熱烘干后的干燥狀態(tài)并不能長久維持，隨著爐內相對濕度上升，水分在金屬表面凝結，表面保護層在氧氣、水分的作用下逐漸被破壞，所以余熱烘干法的保護時間有限，實際保護有效期與烘干程度相關。

余熱鍋爐應用余熱烘干法主要存在鍋爐余熱不足、烘干不徹底的問題。相比燃煤鍋爐，余熱鍋爐爐膛體量一般較小，蓄熱量有限，熱爐放水很難保證低壓汽包、除氧器等低參數(shù)設備內部積水蒸發(fā)，冷爐后積水現(xiàn)象比較普遍。積水的設備在冷爐后內部相對濕度通常高達90%以上，處于碳鋼材料的高腐蝕區(qū)，與氧接觸后很快發(fā)生銹蝕，余熱烘干法基本起不到防銹蝕效果，這是一些燃機雖每月開機進行熱爐放水保養(yǎng)，但余熱機組水汽鐵含量仍然很高的主要原因。圖3、圖4為某9E級燃機余熱鍋爐執(zhí)行熱爐放水后第28天檢查情況，在低壓汽包和除氧器內部存在積水和明顯銹蝕現(xiàn)象。

3.2 成膜胺法

圖3 低壓汽包熱爐放水后積水銹蝕

圖4 除氧器內部積水銹蝕

該方法在停爐前向鍋爐加入一定量有機胺類物質（如十八胺、咪唑啉或其衍生物等），使有機胺在水汽系統(tǒng)充分循環(huán)后停爐放水，有機胺吸附在金屬表面形成一層憎水性保護膜，保護膜起到隔絕水分和氧的作用使金屬得到保護。成膜胺使用溫度一般控制在300～500℃，最佳溫度為450℃，溫度過低成膜耐腐蝕效果差，過高則胺類物質分解太快[6-8]。成膜胺法保護效果被廣泛認可，保護期限長達3個月，滿足大部分余熱機組停/備用保護時間要求，操作上也較為簡便，保護范圍可以覆蓋鍋爐和汽輪機，比余熱烘干法有較大優(yōu)勢。

成膜胺法在余熱鍋爐應用上有2個難以克服的問題：

（1）余熱鍋爐部分模塊運行溫度低于成膜工藝要求，如9F級燃機的余熱鍋爐中壓鍋筒設計運行溫度約225℃，9E級燃機的余熱鍋爐低壓鍋筒設計運行溫度約180℃，對應的前級模塊溫度則更低，低溫區(qū)的設備成膜保護效果會比較差。

（2）殘留的有機胺在機組啟動后緩慢溶解釋放進入汽水系統(tǒng)，并在高溫下分解，分解產物甲酸、乙酸和CO2難以去除，導致汽水TOC（總有機碳）和氫電導率長時間難以合格，造成機組運行腐蝕風險[9-10]。

3.3 充氮法

用純度大于98%的氮氣充滿鍋爐內部空間或覆蓋保養(yǎng)液上部空間，維持氮氣純度和一定壓力，阻止氧與金屬的接觸從而避免氧腐蝕。滿足技術要求的充氮法具有良好的防銹蝕效果，對停運時間也沒有限制，適合鍋爐設備長期停用保護。

余熱機組使用充氮法進行鍋爐停運保護在技術上是比較好的選擇，需要考慮的是機組啟停次數(shù)較多、停運時間較長的情況下，氮氣置換和補充消耗氣量較大，經濟性相比烘干法、成膜胺法較差。在保護范圍方面，充氮法只適合密封性較好的系統(tǒng)，凝汽器、汽輪機等無法密封的設備需采取其他方法進行保護。

3.4 濕法保護

用氨或氨與聯(lián)胺、二甲基酮肟等還原劑配制的緩蝕溶液充滿設備內部空間，抑止金屬電化學腐蝕，是比較有效的長期停爐保護方法之一。濕法保護只能適用于無需防凍的季節(jié)或地區(qū)，保護范圍同充氮法一樣僅限于可密封的鍋爐本體和管道設備。

余熱機組應用濕法保護除受到環(huán)境溫度限制，含大量氨氮和高TOC的保養(yǎng)廢液處理對很多燃機發(fā)電廠來說是一大難題。

4 余熱機組停/備用保護技術進展

4.1 通風干燥法的概況

針對余熱機組特點和停運腐蝕防護需求，近年來部分燃機發(fā)電廠開展了適合余熱機組特點的停爐保護新方法的研究應用。其中一個主要的技術方向是將干燥法與余熱機組結構特點相結合，開發(fā)出可實用的通風干燥法，通過控制熱力系統(tǒng)內部相對濕度來抑制停運腐蝕。通風干燥法的主要原理是以通風方式調控熱力系統(tǒng)內部環(huán)境相對濕度在金屬腐蝕臨界相對濕度以下，避免水分在金屬表面凝聚形成水膜和電解液，阻斷金屬發(fā)生電化學腐蝕的基本條件，從而阻止氧腐蝕的發(fā)生。

4.2 通風干燥法的種類

降低空氣相對濕度有兩種方法，在常溫下除去空氣中水分降低空氣絕對濕度，或提高空氣溫度增加空氣飽和濕度，通風干燥也相應發(fā)展出熱風干燥和干風干燥兩種方法。

4.2.1 熱風干燥法

該方法要點是使用加熱的空氣對停運放水設備進行強制通風，用相對濕度較低的熱風置換內部相對濕度較高的空氣，同時高溫熱風可加速水分蒸發(fā)，還能提高金屬溫度防止金屬管內外表面結露。上海某9E燃機的余熱機組應用了熱風干燥法，針對余熱機組系統(tǒng)特點設計通風管道系統(tǒng)，使用專用設備將壓縮空氣加熱到100～180℃后分別送入鍋爐各模塊和汽輪機本體進行升溫降濕。通風合格標準為受保護設備金屬溫度高于環(huán)境溫度5℃以上，設備排風口相對濕度降到40%以下，停止通風后監(jiān)測設備內部相對濕度，當相對濕度回升到60%則再次進行通風干燥。機組啟動過程水質分析對比表明，采用熱風吹干法保養(yǎng)后水汽鐵含量較之前明顯下降[11]。

4.2.2 干風聯(lián)合保護法

圖5 干風保護法掛片試驗前后示片外觀

該方法是在鍋爐熱爐放水后用經過深度除濕的常溫干風以一定風量置換熱力系統(tǒng)內部高濕度空氣，將內部環(huán)境控制在腐蝕臨界相對濕度以下，在通風初期配合使用氣相緩蝕劑，加強停爐初期高溫高濕階段防腐蝕效果。因輸入干風濕度遠低于設備內部濕度，具有較強的容濕能力，在通風條件下干風也可以加速內部積水的蒸發(fā)。浙江某9F燃機采用干風聯(lián)合保護法進行余熱機組全系統(tǒng)的停備用保護，干風保護設備輸出的干風絕對濕度達到5 g/m3以下，相對濕度15%以下，溫度為常溫-60℃可調，在首次通風時配合使用氨類緩蝕劑。干風從鍋爐蒸發(fā)器底部進入熱力系統(tǒng)，沿水汽流程走向進入凝汽器和汽輪機，從凝汽器和汽輪機軸隙排出，保護期間監(jiān)測凝汽器內相對濕度并控制在30%～50%。該廠在汽包和凝汽器汽側進行了45天的腐蝕掛片試驗驗證保護效果，圖5為20號碳鋼腐蝕指示片試驗前后的外觀對比，除中壓汽包指示片因汽包人孔門不嚴密有輕微腐蝕，其他位置指示片表觀均無銹蝕，腐蝕速率基本為“0”，保護效果良好。

4.3 通風干燥法的特點

熱風干燥和干風聯(lián)合保護法有以下共同特點：

4.3.1 優(yōu)點

（1）應用范圍廣。不受機組材料、水處理工況、氣候環(huán)境限制，理論上只要能構建通風通道就可以使用，保護范圍可覆蓋鍋爐、汽輪機、凝汽器等完整的熱力系統(tǒng)，也可用于機組輔助系統(tǒng)和鍋爐煙氣側的防腐蝕保護。

（2）使用靈活。通風干燥法操作簡單，可根據(jù)需要隨時投入或撤出保護設備，不影響隨時開機，不影響設備檢修，不受停機時間限制，適合長期停運保護。

（3）環(huán)保高效。經實際應用驗證，兩種方法都有良好的防銹蝕保護效果，而且是物理方法為主，對環(huán)境友好，也不影響后期機組的水汽品質。

結合前述余熱機組對停爐保護的需求特點分析，這幾項特點幾乎完全滿足了當前余熱機組停爐保護要求，采用一種方法既可以實現(xiàn)全部熱力系統(tǒng)的保護，而且還可向燃機煙氣系統(tǒng)延伸應用，相比傳統(tǒng)方法，這兩種方法更適合于聯(lián)合循環(huán)機組的停備用保護。

4.3.2 缺點

兩種方法的共同缺點是都需要配備專用保護設備和通風管道系統(tǒng)，增加設備投資和操作工作量。此外通風干燥方式要求通風系統(tǒng)中的管道不能有U型管道積水阻斷通風通道，否則可能無法進行通風保護。

4.3.3 兩種方法間的比較

兩種方法相比較，熱風干燥法運行能耗相對較高，通過熱風將冷態(tài)熱力系統(tǒng)金屬溫度提高5℃需消耗大量熱量，對大型鍋爐甚至難以實現(xiàn)。而干風干燥法正常運行只需少量電耗維持設備除濕和送風功能，風量1 200 m3/h設備運行功率平均約為25 kW，且濕度維持期間不需連續(xù)運行，上述9F聯(lián)合循環(huán)余熱機組保養(yǎng)期間每臺機組平均每天運行約2 h，電耗約50 kWh，長期保養(yǎng)成本很低。此外，在安全性方面熱風干燥法送風溫度和壓力較高，有一定安全風險，在通風過程中還要注意控制好汽包壁溫差和汽輪機缸溫差，干風聯(lián)合保護法則沒有此問題。

5 結語

燃機利用低碳清潔能源發(fā)電，其發(fā)展前景被看好，但目前部分燃機停多開少的局面預計短期內難以改變，燃機的余熱機組停運腐蝕防護問題必須予以足夠重視，防止長期腐蝕累積造成設備不可逆的損傷。余熱機組停/備用保護措施應結合當前燃機運行特點和余熱機組系統(tǒng)特點制定，滿足保護時間、保護范圍和保護效果的要求。傳統(tǒng)的余熱烘干法、成膜胺法、充氮法、濕法保護都有各自的缺點或使用限制，單一方法不能完全滿足余熱機組停運期間全面保護要求。針對余熱機組開發(fā)的熱風干燥法和干風聯(lián)合保護法在保護范圍、使用靈活性方面比較適合機組特點，其中干風聯(lián)合保護法在經濟性和安全性方面更占優(yōu)勢，可作為余熱機組停/備用保護推薦方法。