全保護加氧處理工藝及自動加氧裝置在在1000MW超超臨界機組的應用

范勇晟

（江西大唐國際撫州發(fā)電有限責任公司，江西 撫州 344128）

0 前言

超超臨界機組具有高參數(shù)、大容量、雜質沉積速率快等特點。因此，對水汽品質和水化學工況的要求很高。給水采用只加氨的AVT（O）全揮發(fā)性處理工藝，由于熱力設備及管道金屬表面形成的Fe3O4氧化膜疏松、溶解度高、保護性差，尤其在水流發(fā)生急劇變化位置，流動加速腐蝕嚴重的地方金屬表面幾乎沒有氧化膜，不能滿足保護金屬基體的要求。

加氧處理（OT）是在純水的條件下，微量濃度的氧能使碳鋼表面形成一層比磁性Fe3O4保護性更好的Fe2O3＋Fe3O4保護膜，該保護膜更致密、穩(wěn)定，有效抑制流動加速腐蝕，降低給水的鐵含量及鍋爐受熱面結垢速率。

為了抑制給水系統(tǒng)、高加疏水系統(tǒng)的流動加速腐蝕，延長精處理運行周期，降低鍋爐沉積速率，延長鍋爐酸洗周期等，提高機組運行的安全性、經(jīng)濟性，大唐撫州電廠決定對2 號機組（1 000 MW）實施加氧處理。

1 加氧系統(tǒng)改造前、后概述

1.1 加氧改造前概述

加氧改造前機組采用的加氧處理工藝為傳統(tǒng)高氧處理工藝，一般控制給水溶解氧濃度為50 μg/L～150 μg/L，使過熱蒸汽有一定濃度的溶解氧。通過汽輪機抽汽，將氧帶入高加汽側（使高加疏水溶解氧濃度大于10 μg/L），從而防止給水系統(tǒng)、高加疏水系統(tǒng)流動加速腐蝕。采用傳統(tǒng)加氧處理工藝，由于蒸汽中的氧濃度較高，對于某些奧氏體不銹鋼材料，氧化處理生成的三氧化二鐵氧化皮與奧氏體鋼的熱膨脹系數(shù)差別大，容易促進氧化皮脫落。運行脫落的氧化皮沖蝕汽輪機，降低汽機效率，對于П型爐，脫落的氧化皮堵塞過熱器管，使過熱器管得不到足夠的蒸汽冷卻，導致過熱爆管，造成機組非停事故，嚴重影響機組運行安全性、可靠性和經(jīng)濟性。

加氧改造前機組采用的加氧設備只能滿足實施傳統(tǒng)加氧處理工藝的要求，影響機組安全經(jīng)濟運行。加氧設備對給水加氧控制精度、設備自動控制水平等均沒有明確要求，加氧設備沒有自動控制系統(tǒng)，無法實現(xiàn)自動加氧控制。給水氧濃度控制精度差，波動大，多余氧進入蒸汽系統(tǒng)，這是促進過熱器、再熱器氧化皮剝落的一個重要原因。

1.2 加氧改造后概述

鑒于傳統(tǒng)加氧工藝及設備存在的問題，經(jīng)過廣泛調研和技術論證，大唐撫州電廠最終決定采用西安熱工院研發(fā)的全保護加氧工藝及自動加氧裝置。

全保護加氧工藝，通過向凝結水、給水、高加疏水同時加氧，能夠兼顧所有水系統(tǒng)流動加速腐蝕的防治，取得全面的加氧處理效果。同時，全保護加氧給水實施低氧處理，控制省煤器入口給水氧含量為10 μg/L~20 μg/L。低濃度氧經(jīng)過省煤器、水冷壁大面積管段消耗殆盡，加氧前后蒸汽溶解氧含量基本無變化，不存在促進蒸汽系統(tǒng)氧化皮集中脫落的風險。

全保護自動加氧裝置可實現(xiàn)加氧自動調節(jié)，在負荷波動較大的情況下，加氧控制精度可達±3 μg/L。加氧介質為空氣，不使用高壓氧氣瓶，減少高壓氧氣瓶在使用、更換、搬運及儲存過程中的安全隱患，全保護自動加氧裝置能夠實現(xiàn)自動供氣，隨機組負荷波動而自動改變加氧量，實現(xiàn)真正意義上的加氧無人值守。全保護自動加氧裝置外觀如圖1所示。

圖1 全保護自動加氧裝置外觀圖

2 加氧準備工作

2.1 在線化學儀表檢驗校準

加氧試驗開始前，依據(jù)文獻[1]，采用移動式在線化學儀表檢驗裝置對2 號機組水汽系統(tǒng)在線化學儀表測量準確性進行檢驗，對誤差超標的儀表進行誤差來源查定和消除，保證各儀表測量準確，以滿足水質監(jiān)測要求。

2.2 試驗分析準備工作

加氧試驗過程中，試驗分析主要包括鐵及陰離子的測定，采用的分析方法及儀器見表1。

表1 分析方法及儀器

2.3 水汽品質查定

2020年4月11—13日，在給水AVT（O）處理方式下，進行水汽品質查定。查定項目包括給水電導率、水汽氫電導率、溶解氧、陰離子含量以及鐵含量等。

2.3.1 給水電導率

2 號機組除氧器入口和省煤器入口給水電導率測定結果見表2。測定結果表明，除氧器入口給水電導率在 5.59~6.08 μS/cm，對應 pH 為 9.32~9.35；省煤器入口給水電導率在5.79~6.14 μS/cm，對應pH 為9.33~9.36。

表2 給水電導率和pH測定結果

2.3.2 水汽氫電導率

2號機組各水樣氫電導率測定結果見表3。測定結果表明：凝結水氫電導率在0.104~0.109μS/cm，除氧器入口氫電導率在0.061~0.063μS/cm，給水氫電導率在0.064~0.065 μS/cm，主蒸汽氫電導率在0.065~0.070μS/cm，高加疏水氫電導率在0.065~0.072μS/cm。

表3 氫電導率測定結果

2.3.3 溶解氧

2 號機組各水樣溶解氧測定結果見表4。測定結果表明，AVT（O）處理工況下，2號機組凝結水溶解氧平均值為14.7 μg/L，除氧器入口溶解氧平均值為12.8 μg/L，除氧器出口溶解氧平均值為6.4 μg/L，給水溶解氧平均值為8.7 μg/L，主蒸汽溶解氧平均值為2.3 μg/L，高加疏水溶解氧平均值為2.6 μg/L。2 號機組除氧器對空排氣門微開后，除氧器出口給水氧含量降低。

表4 溶解氧測定結果

2.3.4 陰離子含量

采用離子色譜儀對2 號機組水樣陰離子含量進行測定，結果見表5。測定結果表明：2號機組水汽系統(tǒng)中雜質含量較低，水汽品質良好。

表5 2號機組水樣陰離子含量查定結果

2.3.5 鐵含量

2 號機組各水樣鐵含量測定結果見表6。測定結果表明，AVT（O）工況下，2 號機組給水、主蒸汽鐵含量均滿足文獻[5]規(guī)定的小于3 μg/L 的期望值要求，高加疏水鐵含量相對較高。

表6 鐵含量測定結果

2.3.6 小結

綜上所述，2 號機組水汽品質能夠滿足文獻[5-6]對加氧處理水汽品質的要求。

3 加氧轉化試驗

3.1 低壓給水系統(tǒng)加氧轉化

2020 年 4 月 15 日 9：30 開始向 2 號機組精處理出口母管加氧，控制加氧量在50~150 μg/L。10：00除氧器入口氧含量達到20.9 μg/L 并且有持續(xù)上升趨勢，表明低壓給水系統(tǒng)加氧轉化完成，10：15 開始控制除氧器入口氧含量在10~150 μg/L，轉入加氧運行。

3.2 高壓給水系統(tǒng)加氧轉化

2020 年 4 月 15 日 10：00 開始向 2 號機組除氧器出口加氧，控制加氧量在 50~100 μg/L。2020 年 4 月16 日 9：00 省煤器入口氧含量達到 10.9 μg/L 并且有持續(xù)上升趨勢，表明高壓給水系統(tǒng)加氧轉化完成，9：30開始控制省煤器入口給水氧含量在10~30 μg/L，轉入加氧運行。

3.3 高加疏水系統(tǒng)加氧轉化

2020 年 4 月 15 日 10：30 開始向 2 號機組高加疏水加氧，控制加氧量50~150 μg/L。4月16日14：00高加疏水氧含量達到21.8 μg/L，并且有持續(xù)上升趨勢，表明高加疏水系統(tǒng)加氧轉化完成，14：30 開始控制高加疏水氧含量在10~150 μg/L，轉入加氧運行。

3.4 加氧轉化過程中水汽陰離子測定

加氧轉化過程中，采用離子色譜儀對2 號機組水汽陰離子含量進行測定，結果見表7。測定結果表明，2 號機組加氧轉化期間水汽系統(tǒng)各取樣點陰離子含量較低，水汽品質良好。

表7 加氧過程中水汽陰離子測定結果

3.5 加氧轉化過程混床陰、陽離子測定

加氧轉化過程中，通過離子色譜儀對2 號機組精處理混床出水水質進行測定，結果見表8。

表8 加氧過程中混床出水水質測定結果

測定結果表明，2 號機組加氧轉化過程中精處理混床出水水質正常?；齑渤鏊入x子、鈉離子滿足文獻[5]要求的<1.0 μg/L。

3.6 加氧轉化過程中水汽鐵含量測定

加氧轉化過程中，2 號機組水汽鐵含量測定結果如表9 所示。測定結果表明，加氧處理后除氧器入口、給水及高加疏水鐵含量降低，表明給水及高加疏水系統(tǒng)鈍化膜已形成且效果較好，能夠有效抑制給水及高加疏水系統(tǒng)的流動加速腐蝕。

表9 加氧過程中水汽鐵含量測定結果

3.7 pH優(yōu)化調整試驗

加氧轉化后，給水及高加疏水系統(tǒng)的Fe2O3+Fe3O4雙層氧化膜主要依靠水中溶解氧維持，因此可以降低給水pH 值。通過pH 優(yōu)化調整試驗最終將給水pH 值控制在 8.9~9.1，目標值 9.0，pH 優(yōu)化后水汽鐵含量測定結果見表10。

試驗結果表明，加氧處理后，給水pH 值控制在8.9~9.1，可以維持對流動加速腐蝕良好的抑制效果。

表10 pH優(yōu)化調整后水汽鐵含量測定結果

4 加氧處理效果

4.1 抑制流動加速腐蝕

加氧處理（OT）通過向弱堿性水中加入氧氣，促使金屬表面生成致密的保護性氧化膜。加氧轉換平衡后，在較低pH值條件下，給水及高加疏水鐵含量可穩(wěn)定在較低水平，這是全保護加氧處理最具代表性的特點，有利于抑制給水系統(tǒng)和高加疏水系統(tǒng)的流動加速腐蝕以及降低鍋爐受熱面的結垢速率等。2號機組OT 處理工況下，控制給水pH 值在8.9~9.1，除氧器入口、給水、主蒸汽、高加疏水鐵含量平均值均在1 μg/L以下。2 號機組不同化學水工況下水汽系統(tǒng)鐵含量對比如圖2所示。

圖2 2號機組不同化學水工況下水汽鐵含量對比結果

4.2 延長精處理運行周期

加氧轉化后，給水及高加疏水系統(tǒng)的Fe2O3+Fe3O4雙層氧化膜主要依靠水中溶解氧維持，因此，可將水汽系統(tǒng)的pH值適當降低。與AVT（O）工況相比，加氧處理后給水pH值由加氧前平均9.35降低至加氧后平均9.0，對應的氨含量平均值由原來847 μg/L降低至266 μg/L，氨的加入量減少了約69%，理論上凝結水精處理混床周期制水量增加至原來的3.2 倍。同時，混床再生次數(shù)減少，再生用酸堿及自用沖洗水量、再生廢水排放量也會隨之減少，有利于環(huán)境保護。

4.3 實現(xiàn)全面保護

全保護加氧處理工況下，向給水系統(tǒng)中加入較低濃度溶解氧，滿足給水系統(tǒng)防腐鈍化要求，控制蒸汽基本無氧，有效規(guī)避蒸汽中較高濃度氧可能促進氧化皮剝落風險。同時，通過向高加疏水單獨加氧，解決高加疏水系統(tǒng)防腐問題，從而實現(xiàn)水汽系統(tǒng)熱力設備的全面保護。

5 加氧處理經(jīng)濟效益分析

5.1 直接經(jīng)濟效益

與AVT（O）工況相比，實施加氧處理后，一臺機組1 年節(jié)約的氨水、再生用酸、堿、除鹽水及化學清洗費用約為102.88 萬元人民幣，具體核算結果見表11。如果算上再生時的電費、壓縮空氣費用、人力成本以及再生廢液處理成本等，節(jié)約的費用將更多，由此可見，實施加氧處理后，其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益非常顯著。

表11 單臺機組加氧處理的直接經(jīng)濟效益計算

5.2 間接經(jīng)濟效益

實施全保護加氧處理后可取得以下間接經(jīng)濟效益：1）降低了給水系統(tǒng)鍋爐壓差上升速率，降低了給水泵能耗，提高發(fā)電效率；2）有效減少鍋爐受熱面結垢速率，提高鍋爐效率；3）避免了高加疏水調門堵塞導致高加退出運行而引起的機組熱經(jīng)濟性降低；4）減小了汽輪機葉片結垢速率及沖蝕，減緩了汽輪機效率降低，提高了機組運行經(jīng)濟性；5）避免了過熱器、再熱器爆管導致的非計劃停機，減少了檢修費用。

6 結語

1）全保護加氧可以有效抑制給水系統(tǒng)及高加疏水系統(tǒng)的流動加速腐蝕，OT 處理工況下，控制給水pH值在8.9~9.1，除氧器入口、給水、主蒸汽、高加疏水鐵含量平均值均在1 μg/L以下。

2）全保護加氧給水實施精確低氧處理，使給水系統(tǒng)滿足防腐鈍化要求，同時控制蒸汽基本無氧，能有效規(guī)避蒸汽較高濃度氧可能促進氧化皮剝落的風險。

3）全保護加氧可以大幅延長精處理混床氫型運行周期，取得顯著的直接經(jīng)濟效益。