全保護(hù)加氧工藝在超超臨界1 000 MW機(jī)組上應(yīng)用

寧 志，李健博，李俊菀，王文虎，李 焱

全保護(hù)加氧工藝在超超臨界1 000 MW機(jī)組上應(yīng)用

寧 志1，李健博2，李俊菀2，王文虎1，李 焱1

（1.安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

加氧處理因可以有效抑制給水系統(tǒng)、高壓加熱器（高加）疏水系統(tǒng)的流動加速腐蝕，而成為超（超）臨界機(jī)組優(yōu)選的水處理措施。全保護(hù)加氧處理工藝通過向給水、高加疏水同時加氧，明顯降低了給水、高加疏水鐵質(zhì)量濃度，其中給水采用精確加氧的低氧處理，加氧前后蒸汽基本無氧，不存在促進(jìn)氧化皮集中脫落的風(fēng)險，該加氧工藝安全可靠。在安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司（神皖安慶電廠）超超臨界1 000 MW機(jī)組上采用全保護(hù)加氧處理工藝，應(yīng)用效果良好，能夠?qū)λ到y(tǒng)起到全面保護(hù)的作用，理論和實踐證明以空氣為介質(zhì)的全保護(hù)加氧工藝不會影響給水水質(zhì)。

超（超）臨界；水汽系統(tǒng)；流動加速腐蝕；加氧處理；給水；高加疏水；全保護(hù)加氧

超（超）臨界機(jī)組給水系統(tǒng)采用全揮發(fā)處理時，會在金屬表面形成Fe3O4保護(hù)膜，其質(zhì)地疏松、溶解度高、保護(hù)性差，從而導(dǎo)致如水汽中腐蝕產(chǎn)物鐵含量較高，水冷壁結(jié)垢速率高，鍋爐壓差上升快，水冷壁節(jié)流孔和高加疏水調(diào)節(jié)閥堵塞，精處理運(yùn)行周期短，混床再生頻繁等[1-4]一系列問題，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為此，給水系統(tǒng)采用加氧處理工藝[5-7]，使金屬表面形成致密的Fe2O3保護(hù)膜，該保護(hù)膜對水汽系統(tǒng)管道及熱力設(shè)備具有非常強(qiáng)的鈍化保護(hù)作用，已廣泛用于超（超）臨界機(jī)組[8-9]。

全保護(hù)加氧工藝通過向給水系統(tǒng)中加入低濃度溶解氧，實現(xiàn)給水系統(tǒng)的防腐鈍化，而蒸汽中基本無氧，避免了蒸汽中較高濃度氧可能促進(jìn)過熱器及再熱器管道氧化皮剝落的風(fēng)險，同時向高壓加熱器（高加）汽側(cè)單獨(dú)加氧，以解決高加疏水系統(tǒng)腐蝕問題，實現(xiàn)對所有易發(fā)生腐蝕熱力設(shè)備的全面保護(hù)。全保護(hù)加氧裝置采用西安熱工研究院有限公司的穩(wěn)壓工藝及控制理念，實現(xiàn)了給水氣態(tài)精確加氧。本文介紹了全保護(hù)加氧工藝及其在安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司（神皖安慶電廠）超超臨界1 000 MW機(jī)組上的應(yīng)用效果。

1 全保護(hù)加氧

1.1 全保護(hù)加氧工藝

由于傳統(tǒng)給水高氧處理技術(shù)存在促進(jìn)氧化皮剝落的風(fēng)險[10]，而低氧處理技術(shù)又無法兼顧解決給水和高加疏水系統(tǒng)流動加速腐蝕的問題，為此西安熱工研究院有限公司提出了全保護(hù)加氧工藝。全保護(hù)加氧工藝分別向給水側(cè)及高加疏水側(cè)進(jìn)行加氧，兼顧解決了給水系統(tǒng)和高加疏水系統(tǒng)的腐蝕問題，同時，由于給水采用低氧處理（神皖安慶電廠給水溶解氧量控制在10~30 μg/L），過熱蒸汽中基本無氧，不會增加過熱器、再熱器氧化皮集中脫落的風(fēng)險。

1.2 全保護(hù)自動加氧裝置

全保護(hù)自動加氧裝置具有如下特點(diǎn)。

1）全保護(hù)自動加氧裝置采用高壓空氣壓縮機(jī)將空氣升壓、凈化、貯存到儲氣瓶，并配備自動供氣控制系統(tǒng)。該自動供氣控制系統(tǒng)具有自動啟停和超壓保護(hù)功能，無需人工更換氣瓶，降低了運(yùn)行工作量，避免了更換氧氣瓶過程中的安全隱患[11]。

2）該裝置采用壓力和節(jié)流協(xié)同控制、前饋調(diào)節(jié)、反饋修正的方法，可實現(xiàn)給水氣態(tài)精確加氧，給水溶解氧量波動范圍不超過±2 μg/L。

3）該裝置采用空氣作為加氧介質(zhì)。當(dāng)供氣壓力達(dá)到10~13 MPa，氧氣分壓仍然小于3 MPa，滿足《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（GB 16912—2008）的規(guī)定[12]，使得高壓氧氣能夠安全、連續(xù)地加入高壓加熱器汽側(cè)。

2 全保護(hù)加氧對給水水質(zhì)的影響

2.1 全保護(hù)加氧引入CO2對給水水質(zhì)的影響

全保護(hù)加氧使用空氣作為加氧介質(zhì)，空氣中含有一定的CO2，CO2溶入水可能會對給水的氫電導(dǎo)率及pH值產(chǎn)生影響?？諝庵懈鹘M分見表1[13]。由表1可知，空氣中O2與CO2質(zhì)量比為23.150:0.046= 503:1。一般情況下，全保護(hù)加氧控制給水溶解氧量為10~20 μg/L，計算得到給水采用全保護(hù)加空氣方式后引入的CO2質(zhì)量濃度見表2。全保護(hù)加氧帶入的CO2對水質(zhì)氫電導(dǎo)率影響（25 ℃，ASTM D4519 —2010）見表3[14]。

表1 空氣中各組分

Tab.1 The components in the air

表2 全保護(hù)加氧帶入CO2質(zhì)量濃度計算結(jié)果

Tab.2 The calculated mass concentration of CO2 brought by fully protection oxygenated treatment

表3 全保護(hù)加氧帶入CO2對氫電導(dǎo)率的影響

Tab.3 Effect of CO2 brought by fully protection oxygenation on hydrogen conductivity

由表2、表3可知：使用空氣作為全保護(hù)加氧介質(zhì)，帶入CO2質(zhì)量濃度小于0.04 μg/L，其含量極低無法對水汽系統(tǒng)產(chǎn)生影響；帶入CO2使得氫電導(dǎo)率的增加值不到0.000 14 μS/cm，小于目前電廠在線氫電導(dǎo)率表檢測限0.001 μS/cm，即儀表無法監(jiān)測到由加氧帶入CO2對氫電導(dǎo)率產(chǎn)生的影響。因此，以空氣作為全保護(hù)加氧介質(zhì)帶入的CO2不會導(dǎo)致水質(zhì)氫電導(dǎo)率升高。

通常加氧后省煤器入口給水pH值需控制在9.0以上，加氨量大于300 μg/L，則氨水的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于CO2質(zhì)量濃度，其反應(yīng)方程式為

設(shè)加氨量為300 μg/L，計算得到0.04 μg/L CO2消耗氨量0.030 9 μg/L，則剩余氨質(zhì)量濃度為299.969 1 μg/L。純水條件下，pH值與氨質(zhì)量濃度關(guān)系式為

式中，為氨的質(zhì)量濃度，mg/L。

使用空氣作為加氧介質(zhì)時，將=299.969 1 μg/L代入上式計算得到，pH值為9.036 8。若未使用空氣作為加氧介質(zhì)，則氨質(zhì)量濃度為300 μg/L，代入式(2)計算得到，pH值為9.036 9。可見以空氣為介質(zhì)，加氧帶入的CO2使pH值減小了0.000 1，小于目前電廠在線pH表檢測限0.01，因此加氧帶入CO2對pH值基本無影響。

2.2 空氣嚴(yán)重污染對給水水質(zhì)的影響

當(dāng)空氣嚴(yán)重污染（即空氣質(zhì)量指數(shù)AQI＞300）時，本文以AQI=300為例進(jìn)行計算，此時對應(yīng)的PM2.5、SO224 h平均質(zhì)量濃度[16]分別為250 μg/m3和1 600 μg/m3。250 μg/m3PM2.5是1 m3空氣質(zhì)量的0.000 019 3%。由表1可知，空氣中O2與PM2.5質(zhì)量比為23.15:0.000 019 3=1 199 482:1。一般情況下，全保護(hù)加氧控制給水溶解氧量為10~20 μg/L，計算得到由加氧帶入PM2.5質(zhì)量濃度見表4。

表4 加氧帶入PM2.5質(zhì)量濃度

Tab.4 The calculated mass concentration of PM2.5 brought by oxygenated treatment

由表4可知，空氣嚴(yán)重污染時由加氧帶入PM2.5的質(zhì)量濃度為0.000 008 3~0.000 016 6 μg/L，比《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB 12145—2016）規(guī)定給水SiO2標(biāo)準(zhǔn)值≤10 μg/L小105數(shù)量級。因此，空氣嚴(yán)重污染時加氧帶入的PM2.5不會對給水水質(zhì)產(chǎn)生影響。

同理，1 600 μg/m3SO2是1 m3空氣質(zhì)量的 0.000 124%，空氣中O2與SO2質(zhì)量比為23.15: 0.000 124=186 694:1。一般情況下，全保護(hù)加氧控制給水溶解氧量為10~20 μg/L，由加氧帶入的SO2質(zhì)量濃度計算結(jié)果見表5。

表5 加氧帶入SO2質(zhì)量濃度

Tab.5 The calculated mass concentration of SO2 brought by oxygenated treatment

由表5可知，空氣嚴(yán)重污染時由加氧帶入的SO2質(zhì)量濃度為0.000 053 6~0.000 107 0 μg/L，這比GB 12145—2016規(guī)定的給水氯離子標(biāo)準(zhǔn)值≤1 μg/L小104數(shù)量級。因此，空氣嚴(yán)重污染時加氧帶入的SO2不會對給水水質(zhì)產(chǎn)生影響。

綜上所述，采用壓縮空氣作為氣源的全保護(hù)加氧工藝對給水水質(zhì)基本無影響。

3 全保護(hù)加氧工藝應(yīng)用效果

3.1 機(jī)組概況

在神皖安慶電廠燃煤發(fā)電4號超超臨界1000MW機(jī)組上，應(yīng)用全保護(hù)加氧工藝。該機(jī)組鍋爐是由東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的DG2910/29.15-Π3型超超臨界壓力直流鍋爐，采用一次中間再熱、平衡通風(fēng)、前后墻對沖燃燒方式，鍋爐本體為單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型布置，額定蒸發(fā)量 2 910.1 t/h。4號機(jī)組于2015年6月正式投產(chǎn)，機(jī)組設(shè)計給水處理方式為啟動時弱氧化性全揮發(fā) 處理（AVT(O)）和正常運(yùn)行時加氧處理（OT）。 2018年4月份對該機(jī)組開始實施全保護(hù)加氧處理。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1給水鐵質(zhì)量濃度

全保護(hù)加氧運(yùn)行后，在合適的pH值條件下，整個水汽系統(tǒng)的鐵質(zhì)量濃度穩(wěn)定在較低水平，這是全保護(hù)加氧處理最具代表性的特點(diǎn)[17-19]，有利于降低鍋爐受熱面的結(jié)垢速率。4號機(jī)組省煤器入口、高加疏水加氧轉(zhuǎn)化前后鐵質(zhì)量濃度變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，在正常全保護(hù)加氧處理運(yùn)行工況下，給水、高加疏水鐵質(zhì)量濃度均在1 μg/L以下。這表明全保護(hù)加氧在熱力系統(tǒng)形成的氧化膜保護(hù)性良好，能夠有效抑制給水系統(tǒng)、高加疏水系統(tǒng)的流動加速腐蝕[20]。

3.2.2凝結(jié)水精處理系統(tǒng)運(yùn)行周期

實施全保護(hù)加氧處理后，主要是靠適量的溶解氧維持對給水系統(tǒng)的保護(hù)，因此可將水汽系統(tǒng)的pH值適當(dāng)降低，給水pH值控制范圍由原來9.3～9.4降至9.0～9.2，系統(tǒng)原加氨量約為900 μg/L，全保護(hù)加氧后系統(tǒng)加氨量約為400 μg/L，加氨量明顯減少。凝結(jié)水精處理氫型運(yùn)行周期顯著變長，約為全保護(hù)加氧前的2.3倍。

3.2.3給水溶解氧量

實施全保護(hù)加氧處理后，給水溶解氧量如圖2所示。由圖2可見，全保護(hù)加氧處理后給水溶解氧量穩(wěn)定。在6 h內(nèi)，機(jī)組負(fù)荷從1 000 MW降低到805 MW，再升高到934 MW，給水溶解氧量波動＜2 μg/L（圖3）。

3.2.4過熱蒸汽溶解氧量

4號機(jī)組實施全保護(hù)加氧處理前（AVT(O)工況），過熱蒸汽溶解氧量小于5 μg/L（圖4）。全保護(hù)加氧處理后，控制給水溶解氧量10~30 μg/L，過熱蒸汽溶解氧量仍小于5 μg/L（圖5）。蒸汽中基本無氧，有效避免了過熱器和再熱器因給水加氧引起氧化皮脫落的風(fēng)險[21]。

3.2.5高加疏水溶解氧量

采用全保護(hù)加氧處理后，高加疏水溶解氧量如圖6所示。圖6中，高加疏水溶解氧及機(jī)組負(fù)荷數(shù)據(jù)均取自當(dāng)日各自平均值。由圖6可見，高加疏水溶解氧量控制為10~150 μg/L，高加疏水多余的氧通過除氧器除掉，全保護(hù)加氧工藝安全可靠。

3.2.6加氧不影響給水水質(zhì)

采用空氣作為全保護(hù)加氧介質(zhì)，加氧前、后，省煤器入口氫電導(dǎo)率變化如圖7所示。由圖7可知，全保護(hù)加氧前、后省煤器入口水樣氫電導(dǎo)率在0.060～0.064 μS/cm之間，無較大變化。實際運(yùn)行結(jié)果表明，由全保護(hù)加氧帶入的CO2不會導(dǎo)致水質(zhì)氫電導(dǎo)率升高。

全保護(hù)加氧運(yùn)行后，在給水溶解氧量為10~ 30 μg/L時，記錄在線表的給水電導(dǎo)率（）及給水實際pH值，在純水+氨的條件下給水理論pH值可以按照pH=8.566+lg計算，給水pH值的理論計算結(jié)果及實際值見表6。由表6可見，給水理論計算pH值與給水實際pH值相當(dāng)，實際運(yùn)行結(jié)果表明全保護(hù)加氧帶入的CO2對pH值基本無影響。

表6 全保護(hù)加氧后給水pH值

Tab.6 The pH values of feed water after oxygenated treatment

注：為確保實際測量值準(zhǔn)確，全保護(hù)加氧前給水pH表已校準(zhǔn)無誤。

4 結(jié) 語

1）全保護(hù)加氧工藝已在神皖安慶電廠超超臨界1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組成功應(yīng)用。該機(jī)組全保護(hù)加氧前后過熱蒸汽溶解氧量基本無變化，不會導(dǎo)致過熱器、再熱器氧化皮集中脫落。

2）采用QBH-3型全保護(hù)加氧設(shè)備后，給水溶解氧量波動范圍不超過±2 μg/L，且該設(shè)備安全可靠、自動供氣，無需更換氣瓶，設(shè)備維護(hù)量非常小，可保證高加汽側(cè)安全加氧。

3）理論分析和實際運(yùn)行結(jié)果證明，采用空氣作為全保護(hù)加氧介質(zhì)對給水氫電導(dǎo)率、pH值無明顯影響，當(dāng)空氣中PM2.5及SO2嚴(yán)重超標(biāo)時，其對給水水質(zhì)也無影響。

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Application of full protection oxygenated technology in an ultra-supercritical 1 000 MW unit

NING Zhi1, LI Jianbo2, LI Junwan2, WANG Wenhu1, LI Yan1

(1. Anhui Anqing Wanjiang Power Generation Co., Ltd., Anqing 246000, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

The oxygenated treatment can effectively prevent flow accelerated corrosion in feed water system and high pressure heater drain system, which becomes the optimal water treatment measure for (ultra) supercritical units. By simultaneously oxygenating to both the feed water and high pressure heater drain, the fully protection oxygenated treatment technology can significantly reduce the mass concentration of iron in feed-water and high pressure heater drain. The feed water is treated with precise aerobic hypoxia, the steam basically contains no dissolved oxygen before and after the oxygenation, so there is no risk in promoting the concentrated shedding of oxide scale in the steam system. This oxygenated process is safe and reliable. Application of this fully protection automatic oxygenated treatment technology in ultra-supercritical 1 000 MW units in Shenwan Anqing Electric Power Plant shows that, the application effect is good, the water vapor system can be fully protected, the theory and the practice prove that the this fully protection automatic oxygenated treatment process with air as the medium does not affect the water quality of the feed water.

(ultra) supercritical, water-vapor system, flow accelerated corrosion, oxygenated treatment, feed water, high pressure heater drain, full protection oxygenation

TM621.8

B

10.19666/j.rlfd.201901018

2019-01-01

寧志(1972)，男，本科，高級工程師，主要研究方向為汽輪機(jī)技術(shù)，ningzhi_2001-2001@163.com。

寧志, 李健博, 李俊菀, 等. 全保護(hù)加氧工藝在超超臨界1 000 MW機(jī)組上應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(10): 122-127. NING Zhi, LI Jianbo, LI Junwan, et al. Application of full protection oxygenated technology in an ultra-supercritical 1 000 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 122-127.

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）