660 MW超超臨界機組化學水工況優化

王國蓉

(望亭發電廠，江蘇 蘇州 215155)

1 設備概況

望亭發電廠#3機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司設計制造的SG－2024/26.15/605/605－M621型一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風、全鋼架懸吊結構、Π形露天布置、固態排渣、超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流鍋爐。汽輪機由上海汽輪機有限公司制造，是采用德國西門子技術的超超臨界、中間再熱式、四缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機，型號為N660－25/600/600。機組于2009年6月27日完成168 h滿負荷試運行，投入商業運行。

化學補給水的水源為太湖水，預處理系統流程為:原水→澄清池→濾池→超濾(UF)→反滲透(RO)→清水箱。化學補給水處理為二級除鹽，系統流程為:陽床→脫碳器→陰床→混床→除鹽水箱。機組給水處理采用加氨、聯氨的還原性全揮發處理方法(AVT(R))，分別在凝結水精處理出口母管和除氧器出口下降管加氨調節pH值，在省煤器進口加聯氨進行化學除氧。凝結水精處理系統為中壓全流量精處理系統，設有3臺50%凝結水流量的高速混床及全容量旁路系統，在正常情況下2運1備。

超超臨界機組具有熱效率高、運行靈活、負荷適應性強的優點，有節能和改善環境的雙重功效。我國超(超)臨界機組在近幾年呈爆發式增長，但在運行中也逐漸暴露出一些共性問題，如水汽清潔度較差、結垢速率較快、鍋爐壓差上升較快等，望亭發電廠#3機組同樣存在這些問題。究其原因，主要是流動加速腐蝕(FAC)、高溫氧化皮及其引起的固體顆粒侵蝕(SPE)、雜質陰離子(主要是Cl－和)引起的腐蝕以及給水中有機物引起的腐蝕。針對以上問題，筆者結合望亭發電廠的實際情況分別進行探討。

2 影響機組腐蝕、結垢的因素及處理方法

2.1 補給水總有機碳分布及處理

有機物在高溫高壓下會分解成羧酸、二氧化碳和水，羧酸能降低水汽的pH值，羧酸與鐵形成的復合物會加速腐蝕，促進汽輪機葉片氯離子應力腐蝕。#3機組水汽系統中的總有機碳(TOC)主要來源于化學補給水，其根本來源為電廠的工業原水——太湖水。近年來，太湖周邊地區工業發展速度較快，隨之而來的太湖水污染問題也日益突出，太湖水質每況愈下，主要表現為水體有機物含量升高。針對此問題，電廠化學補給水處理系統設計采用預處理+UF+RO+二級離子交換除鹽的處理工藝，可有效去除水中的大部分懸浮物、膠體、病毒、細菌及濁度等有機物及雜質，確保RO進水的污染指數(SDI)值合格。

表1為望亭發電廠補給水系統水汽TOC分布情況。從測試結果可以看出，超濾裝置和反滲透裝置對有機物的去除率分別為5.9%和95.3%。這是由于超濾進水是經過混凝澄清和過濾處理的清水，大部分高分子有機物都已經去除，水中的有機物主要為低分子有機物。超濾裝置對低分子有機物沒有截留能力，而反滲透裝置恰恰能將相對分子質量大于200的有機物全部去除。圖1、圖2分別為補給水系統各測點TOC含量及TOC去除率分布圖。

表1測試結果中的IC即無機碳含量，可表征水中溶解態CO2的質量濃度，換算后可知，脫碳器進、出口CO2質量濃度分別為12.1 mg/L和2.6 mg/L。CO2去除率可達到79%，并且經過二級除鹽后，混床出口CO2質量濃度僅為13.9 μg/L，已基本將補給水中CO2除盡。由此可以判斷，化學補給水處理工藝設計合理，超濾、反滲透、脫碳器等水處理設備運行狀況較好，滿足設計要求;補給水TOC的質量濃度控制在較低水平，完全滿足機組用水要求。以補給水測點為例，TOC的質量濃度遠低于DL/T 912—2005《超臨界火力發電機組水汽質量標準》規定的TOC的質量濃度低于200 μg/L的要求。

表1 補給水處理系統水汽TOC分布

圖1 #3機組化學補給水系統TOC含量分布圖

有關資料顯示，就天然水體而言，反滲透系統存在潛在有機垢趨勢的粗略判斷標準為:TOC的質量濃度大于3mg/L，生化需氧量(BOD)大于5mg/L或者化學需氧量(COD)大于8 mg/L。由此可見，電廠反滲透系統仍有有機物滋生及有機垢沉積的風險。為此，電廠應加強設備運行和維護管理工作，每季度對超濾及反滲透膜管進行化學清洗，保證超濾膜壓差在10 kPa以內，反滲透系統的脫鹽率在98%以上，進、出口壓差控制在0.5 MPa以內。

圖2 化學補給水系統TOC去除率分布圖

2.2 雜質陰離子的控制

雜質陰離子是熱力系統發生腐蝕的重要因素，特別是對汽輪機低壓缸的汽－液相變區有著極大的風險;同時，由于超超臨界機組的奧氏體鋼使用量有較大的增長，加強陰離子的處理及監督對防止奧氏體鋼的晶間腐蝕顯得尤為重要。而精處理混床的運行狀況是控制機組整個水汽系統陰離子含量的關鍵。為此，電廠應加強凝結水精處理設備的運行管理。

(1)凝結水應100%進行處理，確保鍋爐給水品質。

(2)再生裝置采用高塔分離裝置，保證陰、陽樹脂的分離效果，避免交叉污染。

(3)加強運行的監督管理，杜絕混床的失效運行。

(4)加強凝汽器的檢修維護，安裝陰極保護裝置，防止因凝汽器泄漏影響水質。

通過采取以上措施，電廠給水系統的雜質陰離子得到了有效控制，精處理混床出口的主要陰離子含量檢測結果見表2。

#3機組主蒸汽中氯離子的質量濃度僅有0.21 μg/L，遠低于美國電力科學研究院 EPRI(Electric Power Research Institute)2004年提出蒸汽中氯離子的質量濃度不高于2.00 μg/L的標準，達到了較高的水平。

表2 #3機組精處理混床檢測結果

根據陰離子當量電導的理論，超純水中的氫電導率值(25℃)可按以下關系式近似計算

由上述數學關系可知，當給水氫電導率控制在0.10 μS/cm以下時，氯離子、硫酸根離子的質量濃度均在2 μg/L以下。

為此，在陰離子監督上，電廠應定期進行離子色譜的測定。在日常監督中，應加強氫電導率的監督，嚴格控制氫電導率在0.10 μS/cm以下并嚴格控制精處理混床的周期制水量。

2.3 給水流動加速腐蝕的評定與抑制

流動加速腐蝕(FAC)是超(超)臨界機組全揮發工況下普遍存在的問題，主要表現為:鍋爐壓差持續快速上升，鍋爐結垢沉積部位提前，高壓加熱器常疏門及減溫水門堵塞頻繁，節流圈堵塞頻繁，取樣系統部分測點超標、臟污和堵塞頻繁等。影響FAC的主要因素包括:流體溫度、質量傳遞(與流體的整體速度有關)、合金成分、氧化還原電位(ORP)、流體pH值、組件的幾何形狀和上游影響以及蒸汽品質等。

望亭發電廠#3機組設計給水采用AVT(R)處理方式，水汽系統中Fe離子的質量濃度一直居高不下，最高時達13.36 μg/L(見表3);同時，結垢速率最大的部位也由熱負荷最高的水冷壁前移到省煤器進口，取樣系統的省煤器進口等測點的濾芯有明顯的臟污和堵塞現象。

表3 采用AVT(R)處理方式時系統中Cu，Fe離子的質量濃度 μg/L

研究結果表明，影響FAC的化學因素主要有pH值、溶解氧和ORP。單相流FAC最具風險的溫度區間為125～200℃，兩相流FAC最具風險的溫度區間為170～220℃。可見，高壓加熱器水側及汽側的FAC風險較大，這與電廠監督發現的結果相吻合。提高pH值有助于抑制FAC，溶解氧能提供最佳保護，ORP與FAC密切相關。

為解決此問題，電廠改變了給水處理方式，于2010年2月5日起，將#3機組給水處理方式由AVT(R)轉變為只加氨的氧化性全揮發AVT(O)處理方式，而停加化學除氧劑聯氨。目的是使給水在除氧器物理除氧后殘留微量溶解氧，以提升給水中的氧化還原電位，使ORP由低于－200 mV逐漸提升至0 mV以上，進而使給水系統金屬機體表面形成Fe2O3+Fe3O4的鈍化膜，抑制給水系統的FAC，降低給水中Fe離子的質量濃度。表4為給水方式改變后6個月的熱力系統中Cu，Fe離子的質量濃度，最低時省煤器進口Fe離子的質量濃度為3.70 μg/L。圖3為給水化學工況優化前、后水汽中Fe離子質量濃度的變化情況。

表4 采用AVT(O)處理方式時系統中Cu，Fe離子的質量濃度 μg/L

圖3 給水化學工況優化前、后水汽中Fe離子的質量濃度

#3機組給水化學工況由AVT(R)調至AVT(O)后省煤器進口氧化還原電位由－10～－2000 mV升至0～50 mV，水汽系統中Fe離子的質量濃度明顯下降，達到AVT(O)工況的最佳水平，給水系統FAC得到初步抑制。仍可通過給水化學工況的進一步優化降低水汽系統中Fe離子的質量濃度，進一步抑制給水及疏水系統的FAC。為了更有效地抑制AVT(O)工況下的FAC，電廠將給水pH值的控制標準從9.2～9.6調整到9.3～9.6，并盡量控制在指標的上限;實施給水加氧處理(OT)是更加有效抑制給水及疏水系統FAC的最佳途徑之一。

3 結論

(1)電廠所采取的綜合措施對提高#3機組水汽品質是有效的，針對性地解決了超超臨界機組存在的問題。

(2)化學補給水系統運行情況良好，可以保證補給水品質。#3機組熱力系統水汽TOC、陰離子含量均控制在較低水平，但必須嚴格控制凝結水精處理混床運行周期制水量，即確保精處理混床氫型運行，以確保出水品質。

(3)將給水處理方式從AVT(R)工況調整到AVT(O)工況后，水汽系統氧化還原電位上升，水汽系統中Fe離子的質量濃度下降趨勢明顯。隨著運行時間的延長，AVT(O)工況的優越性將得到更加明顯的體現。

(4)2011年，#3機組大修時發現省煤器結垢速率仍偏高，因此，進一步抑制給水及疏水系統的FAC并降低爐管結垢速率的有效途徑唯有采用給水加氧處理。給水加氧處理對于高溫氧化皮的影響程度如何，望亭發電廠正與科研單位合作開發有效利用溶解氧的正面作用、避免溶解氧的負面影響的多方面兼顧的新工藝，以進一步提升機組運行的安全性及經濟性。

［1］黃興德，王安寧，趙泓，等.超(超)臨界鍋爐給水疏水系統流動加速腐蝕特征和風險辨識［J］.中國電力，2011(2):37－42.

［2］畢法森，孫本達.采用給水加氧處理抑制流動加速腐蝕［J］.熱力發電，2005(2):52 －53.

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