燃機水冷壁快速結(jié)垢的原因分析

王春霞 張才穩(wěn) 秦大川 高惠華 袁 浩

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引言

近年來，燃氣機組憑借其效率高、環(huán)境友好、啟停靈活[1-2]的優(yōu)勢迅速發(fā)展，但大部分電廠因配置的水冷壁管為鰭片等結(jié)構(gòu)導致割管、補管困難，基本極少開展水冷壁的結(jié)垢和腐蝕情況檢查，因此燃氣機組因水冷壁結(jié)垢嚴重而發(fā)生水冷壁過熱、垢下腐蝕甚至大面積爆管的事例越來越多[3-4]。鑒于此，加強對燃氣機組水冷壁結(jié)垢的原因分析并提出預防措施，對保障電廠的穩(wěn)定運行[5-6]具有重要意義。

某電廠采用MHDB-M701F4-Q1型亞臨界余熱鍋爐，于2020年12月投入試運行，2021年3月正式投產(chǎn)，在2021年10月割管檢查中發(fā)現(xiàn)水冷壁嚴重結(jié)垢，結(jié)垢速率遠遠超出正常水平。為保障后續(xù)機組安全運行，防止水冷壁垢下腐蝕導致爆管[7-8]，對水冷壁管垢樣成分進行了元素分析、成分分析、垢層厚度檢測，對水汽質(zhì)量進行了分析，對給水系統(tǒng)進行了全面排查，分析結(jié)垢異常的原因[9-10]，并提出了有效的建議。

1 垢量檢測

機組水冷壁割管后垢量檢測情況如表1所示，從表中可以看出，水冷壁的背火側(cè)結(jié)垢量和結(jié)垢速率明顯比向火側(cè)大，向火側(cè)結(jié)垢速率196.30 g/（m2·a），背火側(cè)結(jié)垢速率592.18 g/（m2·a），向火側(cè)和背火側(cè)的結(jié)垢速率按《火力發(fā)電廠機組大修化學檢查導則》（DL/T 1115—2019）均已達到了三類，背火側(cè)結(jié)垢量為532.96 g/m2，結(jié)垢量已達《火力發(fā)電廠鍋爐化學清洗導則》（DL/T 794—2012）中汽包鍋爐的化學清洗標準。

表1 水冷壁割管結(jié)垢和腐蝕檢查情況

水冷壁割管管樣酸洗前后圖片如圖1所示，從圖中可以看到，水冷壁管樣背火側(cè)酸洗前管樣內(nèi)表面有一層深褐色均勻致密氧化層，且從側(cè)面明顯能看到表面垢層有一定厚度，背火側(cè)在清洗過程中，由黑褐色變?yōu)樯钿P紅色后變?yōu)楹谏^續(xù)清洗后露出金屬本體色，表面粗糙，垢下有少量腐蝕坑分布，深度在0.3～1 mm。水冷壁管樣向火側(cè)酸洗前內(nèi)部有不均勻分布的銹斑，試片兩側(cè)有少量白色沉積物，酸洗后露出金屬本色，垢下局部有點蝕坑，數(shù)量較背火側(cè)多，深度在0.3～1 mm。根據(jù)《火力發(fā)電廠機組大修化學檢查導則》（DL/T 1115—2009）達到了熱力設(shè)備腐蝕二類。該機組的給水處理采用的是AVT（O），主要是為了減少水冷壁的結(jié)垢量，減輕腐蝕。此機組投運時間不到一年，結(jié)垢腐蝕如此之快，實屬異常。

2 分析與討論

2.1 垢樣元素分析及其物相分析

2021年10月，采用掃描電鏡對水冷壁垢樣成分進行元素分析，分析結(jié)果如圖2及表2所示；采用XRF對水冷壁成分進行物相分析，分析結(jié)果如圖3及表3所示。

表3 樣品主要物相組成及含量

從表2中可以看出，水冷壁主要成分包括O、Mg、Si、P、Ca、Fe，與正常運行時水冷壁垢樣主要成分為鐵的氧化物情況并不相同，說明機組確實存在運行異常的情況，需要進一步排查。

表2 垢樣元素分析結(jié)果

從垢樣物相組成成分來看，主要含有32.2%的鎂鐵氧化物、11.2%的三氧化二鐵、18.7%的羥基磷酸鈣及37.9%的硅鎂氧復合物，物相分析結(jié)果與元素分析結(jié)果吻合，表明水冷壁上的垢除了正常運行產(chǎn)生外，還有額外帶入水汽的情況，鎂、硅、鈣極可能是循環(huán)水中的成分在水冷壁高溫及爐水加磷酸鹽的高溫堿性環(huán)境下形成了鎂鐵氧化物、硅鎂氧復合物及羥基磷酸鈣，進一步懷疑可能有循環(huán)水漏入水汽系統(tǒng)。

2.2 水汽質(zhì)量分析

2020年12月機組投運后采用的是給水加氨、爐水加磷酸鹽的處理方式，目的是減少水冷壁、汽包等水汽系統(tǒng)的結(jié)垢量，但上述垢量分析和物相分析顯示水冷壁在不到一年的運行時間內(nèi)產(chǎn)生了大量的難溶垢成分，并已達到酸洗標準，另外，垢樣成分并非常規(guī)的鐵的氧化物，懷疑給水品質(zhì)惡化[11]。

查閱水汽運行監(jiān)督報表，發(fā)現(xiàn)自投運以來至2021年7月，水汽各項指標合格率高于99%，給水的pH值控制在9.5～9.8，給水溶解氧小于20 μg/L，無精處理裝置，凝結(jié)水出口水質(zhì)合格。2021年7月14日起，凝結(jié)水、給水、爐水中的二氧化硅突然上升，尤其是高壓給水的硅含量從9.5 μg/L升至303.7 μg/L，高壓汽包的爐水硅由7月初的164.4 μg/L升至841.4 μg/L，凝結(jié)水泵出口二氧化硅含量由3.4 μg/L升至166.1 μg/L，如表4所示。

表4 部分水汽指標

凝結(jié)水泵、給水、爐水硅在短時間內(nèi)快速上升，考慮為凝汽器發(fā)生了泄漏，但凝結(jié)水氫電導和硬度在8月12日之前并沒有凝汽器泄漏的明顯特點，后經(jīng)核實發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)水出口在線氫電導表由于未及時更換離子交換樹脂，前期顯示氫電導并不準確，凝結(jié)水硬度由于檢測人員選用的檢測方法有誤，導致實際數(shù)據(jù)是前期顯示數(shù)據(jù)的1 000倍，實際在2021年7月凝結(jié)水硬度已達到5 μmol/L，結(jié)合水冷壁結(jié)垢量及垢樣成分組成分析，可以判定凝汽器存在大的漏點。

3 凝汽器檢查

停機對凝汽器進行抽管檢查，發(fā)現(xiàn)凝汽器汽側(cè)有一塊不銹鋼塊未焊接牢固，在機組運行振動的過程中，鋼塊松動掉落在臨近的凝汽器管上，經(jīng)過初期的砸傷和后期的擠壓，三根凝汽器管破損，出現(xiàn)三個大的泄漏點，如圖4所示。由此可知，該廠水汽品質(zhì)異常主要是因凝汽器管泄漏，循環(huán)水漏入系統(tǒng)導致。按照凝結(jié)水硬度值的變化情況可知，7月初已經(jīng)開始泄漏，8月上旬時發(fā)展為大漏點。停機后凝汽器汽側(cè)底部有明顯的泥沙堆積，汽側(cè)支柱及底部有明顯的浮銹。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）該廠水汽指標異常主要是因為凝汽器泄漏，循環(huán)水漏入凝結(jié)水導致凝結(jié)水、給水、爐水全面超標。

（2）水冷壁結(jié)垢異常主要是因為鍋爐水中漏入了循環(huán)水，導致鈣、鎂、鐵、硅等含量增加，在水冷壁高溫堿性的環(huán)境中沉積成了難溶物，且垢量達到鍋爐酸洗要求。

（3）從水汽數(shù)據(jù)來看，凝汽器泄漏從7月中旬已經(jīng)開始，由于電廠硬度、氫電導檢測不準確，未及時判斷出凝汽器大漏點的存在，導致水冷壁垢量快速增長。

（4）從水冷壁沉積物物相分析成分來看，磷酸鹽參與了水冷壁上水垢濃縮結(jié)晶析出的反應。

（5）從水冷壁垢下腐蝕情況來看，水冷壁存在輕微的垢下堿性腐蝕。

4.2 建議

（1）對泄漏的凝汽器管進行堵漏處理，對凝汽器汽側(cè)進行清理，防止再次啟機后凝結(jié)水受到汽側(cè)殘留污染源的影響。

（2）對水冷壁進行化學清洗，并對化學清洗后的水冷壁管進行腐蝕情況的檢查及驗收。

（3）后續(xù)運行中應至少保證凝泵出口氫電導的準確性，結(jié)合鈉離子、硬度及其他相關(guān)指標，第一時間判斷凝汽器是否存在泄漏并及時處理。

（4）如果凝汽器堵漏后，在加藥量充足的情況下，高壓汽包高負荷磷酸根低、pH值高、爐水硅居高不下，不排除在前面的運行中發(fā)生了磷酸鹽隱藏，酸洗水冷壁時也應對高壓汽包進行酸洗，后續(xù)以低磷酸鹽方式運行。