600 MW超臨界機組直流爐給水處理方式探討

樓新明，劉舟平，關玉芳

（浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江 蘭溪 321100）

浙江浙能蘭溪發電廠4×600 MW超臨界機組鍋爐為北京巴威公司按美國B&W公司SWP系列鍋爐技術標準，結合工程燃用的設計、校核煤質特性和自然條件設計的超臨界參數SWUP鍋爐。汽輪機為東方汽輪機廠制造的超臨界、一次中間再熱、沖動式、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機。

機組爐內加藥系統設置加氨、加聯胺和加氧裝置，加藥點設在精處理出口母管和給水泵進口管，機組正常運行時鍋爐給水采用加氨、加氧聯合處理（OT），機組啟、停期間采用加氨和聯氨處理方式（AVT）。

凝結水精處理系統采用中壓水處理工藝，每臺機組設置2×50%管式前置過濾器和3×50%球形高速混床，機組正常運行時，2臺前置過濾器并聯運行、不設備用，2臺混床并聯運行、1臺備用，可滿足每臺機組100%凝結水量處理要求。混床在樹脂分離度和再生度達到氨化運行要求時，可按銨型方式運行，配套再生系統為常壓三塔體外再生系統，2臺機組共用1套再生裝置，采用U．S FILTER的高塔法分離技術。

1 主要熱力設備技術規范

鍋爐主要設計參數為：最大連續蒸發量1 903 t/h，主汽壓力24.2 MPa，主汽溫度566℃，再熱蒸汽壓力4.17 MPa，再熱蒸汽溫度566℃，給水溫度286℃。三級高壓加熱器管材為碳鋼，四級低壓加熱器管材為不銹鋼，凝汽器管材為不銹鋼。

汽輪機主要設計參數為：主蒸汽壓力/溫度24.2 MPa/566℃，再熱蒸汽壓力/溫度3.976 MPa/566℃，主蒸汽流量1 705.2 t/h，最大蒸汽流量1 903.2 t/h。

2 存在問題

首臺機組于2006年4月投產，其余3臺機組每隔4個月投產1臺，各臺機組連續運行1年后，相繼進行了首次A修。分析省煤器、水冷壁結垢情況后發現，4臺機組均存在沉積速率高、結垢量大等問題，有的已達到化學清洗標準，結垢量數據見表1。

表1 1-4號鍋爐受熱面垢沉積

此外，各機組均存在過熱器減溫水調節閥閥芯易堵、熱電偶有黑色沉積物等現象，清理減溫水調節閥閥芯，發現有黑色磁狀粉末沉積，經分析主要成份為四氧化三鐵。

雖然凝混床氫型運行出水水質優于氨化運行出水水質，但其周期制水量較小，只有7萬t左右，且該廠精處理混床再生控制得當，凝汽器泄漏量較小，滿足實現氨化運行、增大混床出水量的條件，所以只能采用氨化運行。

3 原因分析

新建機組從開始化學清洗到投入商業運行的過程較長，調試期間水質往往達不到正常運行水質要求，而直流爐的鍋爐結構影響其有效排污，導致基建階段的鍋爐水冷壁結垢速率遠高于正常運行期。新建鍋爐水冷壁管在首次處于高溫、高壓環境時，不可避免會產生一定量的氧化物，成為水冷壁結垢的來源之一。

傳統給水還原性全揮發處理即AVT（R）處理方式是盡可能降低給水的含氧量，通過加入氨來提高水汽系統的pH值，同時加入聯氨除去給水剩余的氧，使水汽系統處于還原性條件下。給水采用AVT（R）處理時，碳鋼表面形成磁性四氧化三鐵保護膜，該氧化膜在高溫水中有較高的溶解度，且不耐流動加速腐蝕 （FAC），易造成碳鋼制高壓加熱器、給水管、省煤器以及疏水系統等的流動加速腐蝕。給水、疏水的含鐵量一般較高，由此帶來鍋爐受熱面結垢速率偏高、鍋爐化學清洗周期縮短等問題。

提高水汽系統的pH值至9.5左右，能夠在一定程度上降低碳鋼的腐蝕和給水的含鐵量，此時凝結水含氨量大約在800～1 000 μg/L，但會明顯縮短凝結水精處理氫型方式的運行周期。

采用給水氧化性全揮發處理即AVT（O）方式時，凝結水中的微量氧使給水系統處于弱氧化狀態，給水系統的流動加速腐蝕現象得到一定程度的抑制。但疏水系統的鐵含量仍然相對較高，精處理混床的氫型運行周期制水量少的問題也仍然存在。根據國內外有關電廠的運行經驗，給水加氧處理是解決以上問題的有效方式。

該廠4臺機組的給水處理目前均采用AVT（O）方式，其中，1-3號機組自168 h后曾在AVT（R）狀態下分別運行10個月、5個月、2個月，4號機自168 h后即采用AVT（O）的運行方式。在前3臺機組采用AVT（R）方式運行之初，即發現存在給水鐵離子偏大現象，于是1號機于2006年10月停加聯氨，跟蹤給水和主蒸汽水質，發現停加聯胺后鐵離子下降，說明FAC得到了一定程度的抑制，爐管結垢量高與給水處理方式有關。圖 1是 1號機組在 AVT（R）和AVT（O）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 5～10 μg/L， 而在 AVT （O）方式下，給水鐵離子均低于5 μg/L，主蒸汽鐵離子的含量也有類似結果。

圖1 兩種處理方式下的給水鐵離子含量

雖然采用 AVT（O）方式能比 AVT（R）降低給水、主蒸汽的含鐵量，但其含量仍未達到標準規定的小于3 μg/L的要求，對超臨界機組而言，給水、主蒸汽的含鐵量應盡量控制在1 μg/L以下，且由于給水中加入了大量的氨，凝混床的氫型樹脂主要用于氨的交換，既不經濟且出水水質也不理想。根據國內、外大機組給水加氧工況的運行狀況，以及國內眾多超臨界機組實施給水加氧處理的成功經驗，決定在4號機組實施加氧（OT）試驗。

4 給水加氧（OT）處理工藝的實施

4.1 加氧機理

給水加氧處理技術的原理是在給水中加入氧之后，鐵水體系的氧化還原電位從原來加聯胺時的-300/400 mV上升至+100/150 mV，根據鐵水體系的電位-pH圖，當給水的pH值為8.0～8.5時，鐵將進入鈍化區。只要給水的氫電導率小于0.2 μs/cm，鐵就能夠進入鈍化狀態，鐵表面的氧化物由不夠致密的四氧化三鐵膜轉變成均勻致密的三氧化二鐵和磁性四氧化三鐵雙層結構的保護膜，從而抑制碳鋼制高壓加熱器、給水管、省煤器以及疏水系統的流動加速腐蝕。

4.2 加氧前的準備工作

（1）4號機組給水加氧設備中匯流排高壓部分（≥10 MPa）的管路和閥門均為不銹鋼，不符合GB 50030-91《氧氣站設計規范》中氧氣管道管材的選用要求，同時加氧控制柜也無法滿足給水加氧自動控制要求，因此將加氧設備改造成給水自動加氧裝置。

（2）4號機組給水加氧點有4個，分別為精處理混床出口母管1個，除氧器水箱出口3根下降管上各1個。4個加氧點均安裝就地截止閥，由于原加氧管道的管徑太粗，加氧點壓力波動時會影響系統氧含量，因此將原有的加氧管道改造成Φ10×2.5不銹鋼管，同時將加氧點由除氧器下降管改至前置泵入口濾網前的給水管路。

（3）由于機組未設置主蒸汽氧表，因此利用除氧器出口氧表監測主蒸汽氧含量。將除氧器出口在線氧表改為在主蒸汽儀表取樣閥后取樣。

（4）《火電廠汽水化學導則第1部分：直流鍋爐給水加氧處理》中規定：鍋爐水冷壁管內的結垢量達到200～300 g/m2時，在給水采用加氧處理前宜進行化學清洗。考慮到機組結垢量已達到酸洗標準，為了加氧轉化順利進行，在加氧前對鍋爐省煤器、水冷壁等進行了化學清洗。

4.3 加氧實施

4.3.1 熱力系統加氧轉換及氧量的平衡過程

4號機組168 h后未加聯氨運行，鍋爐酸洗后1個月開始加氧試驗，于2010年3月上旬開始向除氧器出口和精處理出口母管手動加氧，維持除氧器出口初始加氧量100～200 μg/L，精處理出口初始加氧量30～100 μg/L。同時關閉高加疏水連續排氣門，并調整除氧器連續排氣門至微開，圖2是4號機組加氧試驗期間各取樣點的氧濃度變化情況。

圖2 加氧試驗期間各取樣點氧量變化圖

由圖2可以看出，加氧后，短時間內除氧器入口氧含量明顯升高；3月13日主蒸汽氧含量開始升高；3月16日省煤器入口給水監測到有氧；3月25日高加疏水監測到有氧，至此表明整個水汽系統的氧化膜轉換基本完成。隨著加氧的進行，除氧器入口溶氧短時間內升高，隨后省煤器入口溶氧也慢慢增大，接著檢出主蒸汽溶氧，給水與主蒸汽氫導電率慢慢下降。由于取樣管的氧化膜轉換也要消耗氧，而取樣流量一般很低，攜帶的溶解氧量很少，因此取樣管的氧化膜轉換需要較長時間，即實際熱力系統氧化膜轉換時間應該少于檢測到有氧的時間。而主蒸汽取樣點檢測到氧要早于省煤器入口取樣點，在時間上與熱力系統流程不符，主要是取樣管長度、材質、氧化膜狀態、取樣流量及溫度等存在差異，導致轉換過程中取樣管消耗的氧量也不一樣。此外，高加汽側部分排汽門關閉不嚴，導致氧氣部分損失，因此疏水系統氧含量偏低，鈍化時間延長。

4.3.2 試驗過程水汽系統鐵含量的變化

給水加氧處理后，即使水汽pH值降低至8.75～9.00，除氧器入口、省煤器入口給水、高加疏水等給水中的鐵含量仍然維持在很低水平，平均值小于0.5 μg/kg，表明給水系統、高加疏水系統已形成良好的保護性氧化膜。

鍋爐給水加氧處理前后，凝結水鐵含量變化不明顯，維持在3.0 μg/L左右。降低pH值后，低壓疏水的鐵含量稍有上升。由于5，6號低加疏水側運行排氣門未關，7，8號低加疏水與凝汽器汽側聯通，低加疏水不可能有氧，由于低加換熱管為不銹鋼材質，其耐腐蝕性能不會受到明顯影響。低加疏水、凝結水全部經過精處理系統，這部分鐵不會進入鍋爐受熱面而產生沉積。

4.3.3 加氧轉換過程中水汽系統氫電導率的變化

4號機組給水加氧轉換過程中水汽系統氫電導率變化如圖3所示。從圖3可以看出，開始加氧后，省煤器入口給水、主蒸汽、高溫再熱蒸汽、高加疏水的氫電導率均有升高，省煤器入口給水、主蒸汽的氫電導率超過0.3 μs/cm，高加疏水的氫電導率超過0.45 μs/cm，而整個加氧轉換過程中除氧器入口的氫電導率基本在0.06 μs/cm左右。加氧轉換完成后，熱力系統水汽氫電導率均恢復正常水平，小于0.10 μs/cm。

圖3 加氧轉化過程水汽氫電導率變化趨勢

5 實施加氧運行后的現象

（1）前置過濾器的反洗周期縮短。原來4臺機組的前置過濾器每周進行1次定期反洗，但4號機自加氧后，前置過濾器運行不到1周，壓差已升至上限，運行周期縮短。分析主要原因為：4號機給水中主要腐蝕產物為三氧化二鐵，其顆粒小于四氧化三鐵，更容易深入濾芯內部，反洗時不易徹底清除，久而久之，就會導致正常運行周期縮短。解決方法是將過濾器濾芯精度由5 μm改為3 μm，并注意材料的化學穩定性。

（2）凝結水、低加疏水中鐵離子含量升高。加氧后由于pH值降低，導致凝結水、低加疏水中鐵離子含量增大。

（3）精處理混床氫型運行周期延長。加氧前氫型運行周期制水量約為6～7萬t，加氧處理后，混床周期制水量上升至50萬t左右，而氫電導率未超過0.07 μs/cm。累積制水50萬t后，混床出水電導率會緩慢升高。目前以混床出口電導率小于0.2 μs/cm、凝結水精處理母管氫電導率小于0.07 μs/cm雙重指標控制，任何一個指標超標均需撤出運行進行再生。

（4）過熱器減溫水調節閥結垢現象緩解。加氧前4臺機組的過熱器減溫水調節閥閥芯均有結垢，分析其成份主要為四氧化三鐵，該位置之前管道FAC比較嚴重，導致水中含鐵過高，經過減溫水閥芯后由于壓力及流速下降，鐵的氧化物在閥芯沉積，從而影響調節閥的靈活性。4號機實施加氧處理后，過熱器減溫水調節閥未出現調節失靈問題，而其它3臺未加氧的機組過熱器調節閥問題仍存在，這說明過熱器減溫水調節閥結垢現象有所緩解與加氧有關。

6 結語

鍋爐給水加氧處理（OT）是一種優化的氧化性處理工藝，通過向弱堿性水中加入氧氣，促使金屬表面生成更加致密、溶出率更低的保護性氧化膜。給水加氧轉換處理后，即使將水汽pH值降低至8.7～9.0，水汽系統的含鐵量仍會穩定在較低水平，鍋爐受熱面的結垢速率將明顯降低。與AVT（O）工況相比，OT處理后由于給水和疏水系統的保護主要是靠適量的溶解氧，精處理出口的加氨量可大幅度降低，因此凝結水精處理混床氫型運行周期明顯延長，混床出水水質更好。

[1]超臨界火電機組研究資料匯編[G].西安：國電熱工研究院，2003.

[2]中國電力企業聯合會.GB/T 12145-2008火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量[S].北京：中國標準出版社，2009.