9E燃氣－蒸汽聯合循環調峰機組停(備)用保養技術研究

蘇保興，姚勇

(上海奉賢燃機發電有限公司，上海 201403)

0 引言

某公司燃氣－蒸汽聯合循環機組的燃氣輪機為美國GE公司生產的PG9171E型燃氣輪機，余熱鍋爐為杭州鍋爐集團生產的三壓無補燃強制循環余熱鍋爐，型號為 Q1097/555 －181(31) －6．1(0．63)/532(256)，采用露天塔式布置全懸吊結構，分高、低壓2個強制循環系統。高壓系統最大蒸發量為181．5 t/h，壓力為6．10MPa;低壓系統最大蒸發量為30．8 t/h，壓力為0．63MPa，爐內采用低磷酸鹽處理。配套汽輪機為上海汽輪機有限公司生產的LZN55－5．60/0．65型雙壓凝汽式汽輪機，鍋爐補給水系統選用全膜法水處理技術。

電網調峰用燃氣－蒸汽聯合循環機組運行方式與常規發電廠不同，具有啟、停頻繁，停(備)用時間不確定等特點;冬季機組停運時間長，夏季機組啟、停次數多，且計劃停運和備用頻繁交替。由于該公司地處海濱，距離東海20 km左右，空氣中的鹽霧對預熱鍋爐煙氣側有較大腐蝕，這些因素給機組停(備)用保養方式的選擇增加難度，在選擇停(備)用防銹蝕技術時候所要考慮的因素和面對的邊界條件遠比常規火電廠復雜。

1 聯合循環機組保養技術及存在的問題

國內目前沒有出臺針對燃氣－蒸汽聯合循環機組水汽控制和停用保養的導則，現有商業運行的燃氣－蒸汽聯合循環機組均套用燃煤火電廠相關水汽控制標準，其適用性和運行效果有諸多不盡如人意之處。我國于2005年修訂實施的DL/T 956—2005《火力發電廠停(備)用熱力設備防銹蝕導則》并未對調峰用聯合循環機組熱力設備(燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機等)單元的停(備)用防銹蝕問題進行規定。

而在國際上，基于聯合循環(HRSG)水汽循環化學的研究已成為熱點，美國電力研究會(EPRI)于2001年組織了題為“鍋爐爐管失效、HRSG爐管失效及其檢查”的國際學術會議，制訂了一項過渡性的HRSG水汽循環化學導則。2003—2004年，美國電力研究協會正式推出完整的HRSG水汽循環可靠性計劃并逐年加以擴充和延伸。具體包括HRSG循環化學導則，聯合循環/HRSG循環化學專家診斷系統，針對 HRSG的停機、保養(Shutdown/Layup)導則，HRSG爐管失效及壽命評估，HRSG檢查及無損檢驗(NDE)技術，HRSG應用服務及培訓。而國內對調峰用的燃氣－蒸汽聯合循環機組，尚無成熟的全面保養技術和標準。

首先，熱力設備的停(備)用保養不當會在短時間內發生大面積的金屬腐蝕，在金屬表面留下面積較大的腐蝕坑和針狀蝕孔;其次會加劇熱力設備重新投入運行時的腐蝕，這是因為熱力設備停(備)用時所產生的腐蝕，會成為機組再啟動后正常運行時危害極大的局部腐蝕的源點，是目前大容量鍋爐失效的主要原因之一;同時，熱力設備停(備)用時的腐蝕產物如果沒有清除，則在啟動時一方面會延長啟動時間和鍋爐排污量，另一方面會使爐管結垢速率增大，從而促進和加劇鍋爐運行中的腐蝕，機組運行時的二次結垢往往是停用腐蝕造成的。因此，熱力設備的停(備)用引起的腐蝕會帶來間接和直接的巨大經濟損失，極大地危及機組的安全、經濟運行。

用于電網調峰的燃氣－蒸汽聯合循環機組因燃氣輪機頻繁快速啟、停并帶尖峰負荷運行，增加了熱疲勞和腐蝕疲勞損害的可能性。熱力設備(余熱鍋爐、汽輪機等)的頻繁啟、?；蜷L期停(備)用，未執行有效的停(備)用期間的保養保護措施，氧的侵入會導致點(坑)蝕。因停(備)用保養不當造成的設備事故時有發生，機組檢修時的化學監督檢查結果堪憂，如圖1～圖4所示。

該公司4臺聯合循環機組自2005年6月投入商業運行以來，定位于調峰機組，根據其運行和停(備)用時的特點，機組在停用期間每月進行1次熱爐帶壓放水保養。機組歷次啟動的化學監測數據顯示停用腐蝕較為嚴重，大量的腐蝕產物污染水汽系統，必將加劇熱力設備的結垢腐蝕速率。因未采用有效的停用保護措施，汽輪機葉片隔板和凝汽器銅管外側已出現了銹蝕現象(如圖5～圖7所示)。另外，機組停用較長時間后首次啟動時，煙氣中攜帶有

圖4 低壓汽包腐蝕產物淤積

大量的腐蝕物，表明機組在停用過程中煙氣側也存在較為明顯的腐蝕(如圖8～圖9所示)。

2 熱力設備停(備)用腐蝕的理論及實踐依據

2．1 腐蝕的機制和特征

停用腐蝕是由于有水和氧在金屬表面同時存在，因此，熱力設備停用腐蝕實際上是一種氧腐蝕。氧和水或水蒸氣存在時引起的金屬腐蝕屬電化學腐蝕，形態為點狀腐蝕。

由于鍋爐停(備)用時氧的濃度較大，而且會隨空氣不斷進入各個部位，腐蝕面積廣，因此，停(備)用鍋爐的氧腐蝕往往比運行鍋爐的氧腐蝕嚴重。汽輪機停(備)用期間腐蝕形態是點蝕，通常在噴嘴和葉片上出現，有時在轉子本體上也會發生。余熱鍋爐煙氣側的腐蝕主要是露點腐蝕。

2．2 腐蝕的控制技術

通常影響停(備)用腐蝕的因素有濕度、金屬材質、含鹽量、金屬表面清潔程度、介質pH值等。

發生停用腐蝕的必要條件是水、氧氣與金屬表面接觸，為抑制腐蝕發生，從熱力設備系統中除去氧和水或其中之一，就可達到控制腐蝕的目的。

2．3 防腐蝕試驗方案

根據熱力設備停(備)用腐蝕的控制技術，結合該公司設備結構和運行技術特點，在進行停(備)用防銹蝕試驗時應考慮以下因素:

(1)機組的參數和類型。

(2)停(備)用所采用的化學條件與運行期間的化學水工況之間的兼容性。

(3)機組給水、爐水處理方式不會破壞運行中所形成的保護膜。

(4)停(備)用時間的長短和性質。

(5)現場條件、可操作性和經濟性。

(6)不影響機組按電網要求隨時啟動運行。

(7)氣候的影響，如凍結的可能性、海濱電廠的鹽霧環境。

(8)不影響檢修工作、人員安全、廢液排放及環境等。

聯合循環機組運行方式存在多樣化和不確定性，在選擇停(備)用防銹蝕技術時所要考慮的因素和面對的邊界條件遠比常規火電廠復雜。針對該公司機組運行及(停)備用的特點，結合上述各因素，確定該公司聯合循環機組防腐蝕試驗方案:

(1)余熱鍋爐和汽輪機系統備用、臨修且備用時間不確定時選擇的保養方法是熱風吹干法。

(2)余熱鍋爐和汽輪機系統大修且適用時間范圍較大時的保養方法為成膜胺法。

(3)余熱鍋爐系統備用且適用時間范圍較大時的保養方法為充氮法。

3 防腐蝕試驗研究和應用

3．1 充氮保護技術

充氮保護的原理是隔絕空氣，該公司充氮保護采用密封法。鍋爐停運放水后，當壓力降至0．5 MPa時，開始向鍋爐充氮排水，在排水和保護過程中，保持氮氣壓力為 0．01～0．03MPa。

2009年10 月，利用#3機組大修機會安裝充氮保護系統，開展充氮保護試驗。此次試驗分為3個系統充氮，分別為鍋爐高壓系統、低壓系統和除氧系統。充氮口分別在高、低壓循環泵，除氧器循環泵，高、低壓給水泵等5臺泵進口疏水一次門和二次門之間接入。#3機組充氮保護系統流程如圖10所示。

充氮保護試驗結果表明:對余熱鍋爐高壓、低壓循環系統進行充氮保護試驗時，每個系統充至規定壓力和濃度需2格氮氣裝置(15瓶，14MPa左右);系統中氮氣壓力為0．01～0．05MPa的情況下，1格氮氣裝置只能維持8 h(如圖11所示)，表明系統滲漏嚴重。

充氮保護范圍包括了高壓給水泵、低壓給水泵、循環水泵等設備，這些設備采用機械密封結構，密封處泄漏嚴重。實施停用充氮保護時氮氣消耗大，致使充氮保護費用較高，試驗結果也表明該技術不適合該公司聯合循環機組的停用保護。

圖10 #3機組充氮保護系統流程

圖11 高壓系統充氮保護試驗氮氣壓力變化

3．2 成膜胺保養技術

成膜胺保養技術是在機組滑參數停機過程中，當鍋爐壓力、溫度降至合適條件時，向熱力系統加入成膜胺(一種長鏈有機胺類物質)，在熱力設備內表面形成一層單分子或多分子的憎水保護膜，從而達到阻止金屬腐蝕的目的。

該公司聯合循環機組依據成膜胺保養的工藝要求，在給水加氨裝置出口和凝汽器液位計處安裝了十八胺加藥口。成膜胺保護技術工藝要求:機組在運行過程中，當余熱鍋爐高、低壓汽包過熱蒸汽溫度處于430℃左右時，給水流量應保持在50 t/h以上，從凝汽器就地液位計排污口開始加藥(備用加藥口為除氧器給水加氨口)。加藥后，維持高、低壓汽包過熱蒸汽溫度在450℃左右1 h后，機組開始停運并進行熱爐放水。成膜胺保養系統流程如圖12所示。

存在的問題是:9E聯合循環機啟動時，監測中發現凝結水中十八胺的質量濃度要10 h以后才能低于0．5mg/L，導致在線化學儀表無法及時投運;

另外，該技術操作復雜，需使用化學藥品，對環境不友好，僅適用于大修機組停運前的保養。

3．3 熱風吹干法

根據DL/T 956—2005《火力發電廠停(備)用熱力設備防銹蝕導則》，碳鋼在大氣中的腐蝕速度與相對濕度有相關性。當熱力設備所處環境空氣濕度高于60%臨界值時，碳鋼腐蝕速率急劇增大，高濕度(60%～100%)下碳鋼的腐蝕速度是低濕度(30%～55%)下的100～1 000倍。熱風吹干法原理是通過向熱力設備內部吹入熱干空氣，將熱力設備內濕度維持在60%以下，可有效抑制停(備)用期間的設備腐蝕。

3．3．1 熱風吹干系統設計

該公司熱風吹干系統是利用蒸汽輪機房內壓縮空氣，通過揚中市華能電力設備有限公司生產的YGB系列加熱裝置對冷風進行加熱，產生的熱風分為3路，要使進入的帶壓熱空氣在各系統內形成一個完整的對流系統。利用空氣壓力將系統中的殘余水分吹出，以達到干燥保護的目的(如圖13所示)。

一路向空排氣，另一路接至汽輪機疏水集塊至本體疏擴氣動疏水門前，對汽輪機本體及凝汽器進行熱風吹干。還有一路接至余熱鍋爐并分為4路:第1路分支與凝結水加熱器進口門相連，第2路分支接至高壓蒸汽集汽集箱反沖洗一次門、二次門之間，第3路分支從低壓蒸汽集汽集箱反沖洗一次門、二次門之間接入，第4路分支與充氮裝置集汽聯箱連接。

3．3．2 熱風吹干法工藝

當機爐確定放水備用時，先進行熱爐帶壓放水。在過熱器管箱、蒸發器管箱、省煤器管箱、加熱器管箱內僅余少量積水并有較高爐膛余熱的情況下，以機房空氣壓縮機為動力源，使用特制的熱風吹干停爐保養裝置將壓縮空氣進行脫水、脫油、濾塵，升溫至80～180℃，及時從放空氣門吹出。

缸內為室溫狀態時保持連續盤車，從疏水集塊吹入熱空氣(高于室溫80℃)，干燥熱風通過高、低壓缸通流部分從凝汽器真空破壞門排出，對蒸汽輪機系統進行干燥。

3．3．3 熱風吹干技術實施過程

在技術實施過程中，首先按順序依次對高壓過熱器、高壓蒸發器、低壓過熱器、低壓蒸發器、除氧系統、凝結水加熱器吹入干燥冷空氣，鍋爐整個系統進氣流量為21m3/min，干燥裝置出口集氣箱壓力為0．4MPa，確保裝置出氣量能夠滿足鍋爐整體用氣需要。然后開始對系統進行溫升試驗，設置熱風干燥裝置出口集氣箱溫度為100℃，觀察低壓過熱器、低壓汽包、高壓過熱器、高壓汽包、除氧器溫度。在上述設備不超過規定溫度的情況下，開始設置熱風干燥裝置出口集氣箱溫度(150℃和180℃)進行試驗。在裝置出口壓力為0．62MPa，出氣流量為24．6 m3/min，溫度為180．0℃的情況下，鍋爐各設備溫度為:低壓過熱器，59．6℃;低壓汽包，75．2 ℃;高壓過熱器，33．0℃;高壓汽包，35．0 ℃;除氧器，29．7 ℃。在此狀況下再吹干4h，測定各測點濕度，低于40%，對應環境濕度為90%，則達到試驗規定要求(如圖14所示)。同時觀察鍋爐煙道內換熱器外表溫度，除高壓二級蒸發器、高壓一級蒸發器、高壓一級過熱器溫度接近室外溫度外，其余均高于室外溫度5℃以上(如圖15所示)，滿足保養技術要求。

汽輪機熱風吹干技術在實施過程中，由于汽輪機汽封漏汽，大約2 d后吹干汽缸的濕度與環境濕度相同(如圖16所示)。

3．3．4 試驗結果討論

(1)在環境濕度為90%、余熱鍋爐冷態條件下，熱風吹干裝置熱風吹送4 h后，各系統濕度可降至40%以下，滿足設備內濕度低于環境濕度且低于60%的有效防銹蝕濕度條件。

(2)在停運熱風吹干裝置5 d后，余熱鍋爐各系統測點濕度上升至60%左右，雖低于環境濕度，但為達到更好的保養效果，需再次啟動熱風吹干裝置進行吹干操作。

(3)汽輪機系統熱風吹干技術實施過程中，受汽輪機汽封漏汽和凝汽器熱井積水影響，汽缸和凝汽器濕度下降較慢且停送熱風后濕度回升較快。在環境濕度約為90%的條件下，熱風吹送6 h后，汽缸濕度降至40%以下，凝汽器真空破壞門濕度降至60%左右，停送熱風2 d后，汽缸和凝汽器濕度上升至接近環境濕度。

3．3．5 熱風吹干保養技術效果評估

熱風吹干保養技術具有運行操作簡單、費用低、適用范圍廣、適用時間靈活的特點，具有良好的熱力設備停用防銹蝕效果。該公司9E聯合循環機組實施熱風吹干保養后，機組啟動監測數據顯示:余熱鍋爐水汽系統中鐵的含量明顯下降，縮短了機組啟動時間，提高了水汽品質，初步顯示出熱風吹干技術良好的防銹蝕效果(如圖17～圖18所示)。

3．3．6 各種保養方法的經濟性評價

通過監測機組啟動過程中的水汽品質變化可初步看出:采用有效的停用保養技術后，長期防銹蝕效果還將反映在提高熱力設備的清潔度和機組效率、延長機組使用壽命、取得較好的經濟效益等方面。

表1為不同停(備)用保養方式的經濟性比較，由表1可以看出，與成膜胺法、充氮法、熱爐放水余熱烘干相比，熱風吹干法的實施費用較低，設備系統簡單，操作方便，工作量小，而且不使用化學藥品，沒有任何環境污染(包括熱污染)，該保養方法表現出較好的經濟效益和社會效益。

表1 不同停(備)用保養方式的經濟性比較

4 停(備)綜合保養技術的應用

根據調峰用燃氣－蒸汽聯合循環機組現場實際情況，制訂停機保養防銹蝕措施，共分為計劃性停機和備用保養2大類。其中計劃性停機根據停運時間長短分為3類:低于一周，一周至30 d，30 d以上。

因機組有冷、熱備用方式，根據機組停(備)用保養技術的試驗結果，制訂機組不同的停(備)用狀態適用的保養方式，見表2。

表2 機組不同停(備)用狀態的保養方式

5 結論

(1)國內目前還沒有出臺針對燃氣－蒸汽聯合循環機組水汽控制和停用保養的相關標準，通過試驗，結合調峰用聯合循環機組運行和(停)備用特點，有針對性地找出了以熱風干燥法為主的停(備)用綜合保養技術策略。

(2)以熱風吹干法為主的(停)備用綜合保養技術策略有以下優點:使停爐保護設備的范圍擴大到最大限度;適應性廣，無論是停機檢修還是備用，任何季節都可應用;實施方便、操作簡單。

(3)該保養技術在保證余熱鍋爐和汽輪機停用時防銹蝕效果的同時，通過提高煙氣側熱交換器表面的溫度，對煙氣側熱交換器也具有一定的防銹蝕效果。

(4)停(備)用綜合保養技術實施過程中，受汽輪機系統嚴密性影響，汽輪機系統干燥度維持時間較短。可結合汽輪機抽真空法，以達到更佳的汽輪機系統停用保養效果。

［1］上海明華電力技術工程有限公司．9E燃氣蒸汽聯合循環機組停(備)用保養技術研究報告［R］．上海:上海明華電力技術工程有限公司，2010．

［2］DL/T956—2005，火力發電廠停(備)用熱力設備防銹蝕導則［S］．

［3］竇照英．電力工業的腐蝕與防護［M］．北京:化學工業出版社，1995．