淺談超(超)臨界機組給水處理方式的選擇

楊春艷

(廣州發(fā)展南沙電力有限公司，廣東廣州511400)

0 前言

隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，超(超)臨界機組已逐步成為國內(nèi)投運的主流機組。直流機組不像汽包鍋爐可通過排污將雜質(zhì)除去，隨著系統(tǒng)壓力和溫度升高，進入鍋爐主體的雜質(zhì)被蒸汽攜帶至汽輪機，或沉積在鍋爐爐管內(nèi)，導(dǎo)致熱力設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢和積鹽，另外，還會增加給水系統(tǒng)的阻力，增大給水泵的能耗，嚴(yán)重時還會迫使機組降負荷。因此，選擇超(超)臨界機組給水處理方式變得尤為重要，進而保證機組運行的水汽品質(zhì)［1］。

1 現(xiàn)狀

從目前投運的超(超)臨界機組停機檢修檢查結(jié)果來看，由于水汽高溫特性及給水處理方式不當(dāng)?shù)仍?，造成過熱器和再熱器發(fā)生氧化皮剝落、爆管、鍋爐受熱面結(jié)垢速率高、汽輪機積鹽和腐蝕等問題較為嚴(yán)重［2］，如圖1 ～4 所示。

圖1 某超臨界機組過熱器爆口

圖2 某超臨界機組過熱器彎頭處取出的氧化皮

圖3 某超臨界機組投運不到一年，氧化鐵沉積

圖4 某超超臨界機組低壓缸嚴(yán)重腐蝕

2 給水處理方式

2.1 給水全揮發(fā)性處理(AVT)

從常溫到300℃左右的范圍內(nèi)，水與碳鋼通過電化學(xué)反應(yīng)生成氧化膜，由于陽極反應(yīng)受到Schikorr反應(yīng)的抑制，氧化膜由致密的內(nèi)伸Fe3O4層和多孔、疏松的Fe3O4外延層構(gòu)成，溶解度較高，因而導(dǎo)致給水系統(tǒng)鐵含量較高。反應(yīng)式如下:

在300～400℃高溫區(qū)(化學(xué)反應(yīng)與電化學(xué)反應(yīng)的混合區(qū))，水分子具有能量使二價鐵氧化為三價鐵，因此在省煤器的出口段到水冷壁的金屬表面形成了內(nèi)層薄而致密、外層也較為致密的四氧化三鐵氧化膜。

在400℃以上，水或蒸汽直接與碳鋼通過化學(xué)反應(yīng)生成致密的氧化膜。

因此，在全揮發(fā)處理(AVT)條件下，中低溫段鋼鐵的表面所形成的雙層Fe3O4氧化膜(致密的內(nèi)伸Fe3O4層和多孔、疏松的Fe3O4外延層)，在局部水流動條件惡化時，由于疏松的Fe3O4外延層不耐水流的沖擊，這時給水系統(tǒng)的局部會發(fā)生流動加速腐蝕(FAC);同時由于生成的Fe3O4在中、低溫條件下溶解度高、不穩(wěn)定(在150℃時溶解度最高)，給水系統(tǒng)氧化膜釋放出的微量鐵離子會造成給水含鐵量高及使下游熱力設(shè)備發(fā)生氧化鐵的污堵和沉積問題。

2.2 給水加氨加氧聯(lián)合處理(CWT)

在給水聯(lián)合處理(CWT)工況下，由于不斷地向金屬表面供氧，水的氧化還原電位(ORP)升高，氧化能力增強，在金屬表面形成穩(wěn)定的Fe3O4內(nèi)伸層和Fe3O4晶粒組成的外延層。通過內(nèi)層Fe3O4微孔擴散出來的Fe2+在孔內(nèi)或在氧化膜表層發(fā)生氧化，生成Fe2O3或者水合三氧化二鐵(FeOOH將陳化形成α-Fe2O3)，沉積在Fe3O4層的微孔或顆粒的空隙中，封閉了Fe3O4膜的孔口，降低了Fe2+擴散和氧化速度，其結(jié)果是在金屬表面生成了致密穩(wěn)定的雙層保護膜，從而大大降低了鐵的腐蝕溶出。

反應(yīng)式如下:

3 兩種給水處理方式的比較

3.1 AVT與CWT方式下沉積物比較

受熱面沉積速率表達式:

式中:AFE—氧化鐵垢的形成速度，mg/(cm2·q2);KFE—系數(shù)，5.7×10-14～8.3×10-14;SFEG—水中鐵含量，mg/kg;q—爐管的局部熱負荷，W/m2。

從公式(7)中可以看出，受熱面沉積速率與局部熱負荷、水中鐵含量密切相關(guān)。對于采用AVT方式的機組，給水鐵含量較高，鐵達到飽和溶度積常數(shù)而發(fā)生沉積的部位提前至省煤器區(qū)域，致使省煤器管沉積速率較高;而對于采用CWT方式的機組，由于FAC得到極大的抑制，鐵含量明顯下降，在相同熱負荷下，沉積速率明顯下降，主要表現(xiàn)為省煤器沉積速率下降明顯［3］。

3.2 AVT與CWT方式下pH控制

給水采用AVT時，其鋼鐵表面形成的氧化膜的質(zhì)量不如CWT致密，pH的提高可以在一定程度上彌補這一缺點，如圖5所示。在pH低于9.2時所形成的氧化膜質(zhì)量較差，但會隨著pH的升高而逐漸改善。當(dāng)pH超過9.6以后，其改善效果也不明顯。所以，無銅給水系統(tǒng)的機組，pH控制在9.2～9.6為宜;有銅給水系統(tǒng)的機組，pH控制在8.8～9.3 為宜［4-5］。

給水采用CWT時，由于表面生成的氧化膜致密，鐵的溶出率極低，pH在較大的范圍內(nèi)其表面氧化膜的組成沒有發(fā)生變化，其pH下限可以到7.0，上限可以達到10以上。在中性范圍內(nèi)的給水，緩沖性差，抗雜質(zhì)的干擾能力弱，對安全運行不利。水的pH過高，會增加凝結(jié)水精處理的負擔(dān)，對經(jīng)濟運行不利［6］。從安全和經(jīng)濟兩方面考慮，給水的pH控制在8.0～9.0為宜［7］。

圖5 300℃下鐵-水體系電位-pH平衡圖

3.3 不同給水處理方式的流動加速腐蝕(FAC)比較

在電廠實際運行中，不同給水處理方式下，流動加速腐蝕(FAC)情況如表1所示。

表1 不同給水處理方式的流動加速腐蝕比較表

3.4 不同給水處理方式的效果比較

不同給水處理方式的效果比較如表2所示。

表2 不同給水處理方式的效果比較

表3 浙能蘭溪發(fā)電廠1～4號鍋爐受熱面垢沉積

3.5 應(yīng)用實例

浙江浙能蘭溪發(fā)電廠4×600MW超臨界機組投產(chǎn)后均采用AVT方式運行，各臺機組在連續(xù)運行1年后相繼進行了首次A修，4臺機組均存在沉積速率高、結(jié)垢量大的問題，有的已達到化學(xué)清洗標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)垢數(shù)據(jù)見表3。

1#機組自168h后曾在AVT(R)狀態(tài)下，運行10個月后轉(zhuǎn)AVT(O)狀態(tài)運行。1#機組在AVT(R)和AVT(O)兩種處理方式下的給水鐵離子含量如圖6所示。

圖6 兩種處理方式下的給水鐵離子含量

AVT(R)方式下，給水鐵離子基本保持在5～10μg/L，而在AVT(O)方式下，給水鐵離子均低于5μg/L，主蒸汽鐵離子的含量也有類似結(jié)果。

2010年3月開始對4#機加氧處理，除氧器入口、省煤器入口給水、高加疏水等給水中的鐵含量維持在很低水平，平均值小于0.5μg/L，表明給水系統(tǒng)、高加疏水系統(tǒng)已形成良好的保護性氧化膜［9］。

4 結(jié)論

(1)在AVT工況下，金屬表面形成致密的內(nèi)伸Fe3O4層和多孔、疏松的Fe3O4外延層，易被沖刷，造成給水含鐵量較高，進而污堵熱力設(shè)備。而在CWT工況下，金屬表面形成穩(wěn)定的Fe3O4內(nèi)伸層和Fe2O3或者水合三氧化二鐵表層，致密的保護膜大大減少了鐵的溶出。

(2)在AVT工況下，給水鐵含量較高，沉積物沉積速率高，而CWT工況，流動加速腐蝕得到了有效抑制，給水含鐵量＜1μg/L，沉積物沉積速率低。

(3)當(dāng)機組為無銅系統(tǒng)時，應(yīng)優(yōu)先選用AVT方式，如果給水氫電導(dǎo)率小于0.15uS/cm，且精處理系統(tǒng)運行正常，宜采用CWT方式。

［1］熊興才.超臨界機組給水加氧、加氨聯(lián)合處理運行方式［J］.東北電力技術(shù)，2006，(2):12-14.

［2］黃興德，周新雅，游喆，等.超(超)臨界鍋爐高溫受熱面蒸汽氧化皮的生長與剝落特性［J］.動力工程，2009，(6):602-608.

［3］朱志平，孫本達，李宇春.電站鍋爐水化學(xué)工況及優(yōu)化［M］.北京:中國電力出版社，2008:60-66.

［4］DL/T805.4-2004，火電廠汽水化學(xué)導(dǎo)則第4部分:鍋爐給水處理［S］.

［5］GB/T12145-2008，火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量［S］.

［6］游喆，祝青，黃興德.給水化學(xué)工況優(yōu)化技術(shù)在超臨界機組的應(yīng)用［J］.華東電力，2010，(8):1255-1258.

［7］DL/T805.1-2002，火電廠汽水化學(xué)導(dǎo)則第1部分:直流鍋爐給水加氧處理［S］.

［8］火電廠蒸汽通流部件高溫氧化皮的影響與防治對策研討會論文集［C］.中國電機工程學(xué)會火電分會，2002.

［9］樓新明，劉舟平，關(guān)玉芳.600MW超臨界機組直流爐給水處理方式方法探討［J］.浙江電力，2011，(2):42-45.