燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐化學水系統(tǒng)工況特點分析

姚勇，黃興德，祝青，費劍影

(1．上海奉賢燃機發(fā)電有限公司，上海 201403;2．華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437)

1 聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐概況

某公司安裝4×180MW燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，由Q1097/555－181(31) －6．1(0．63)/532(256)型三壓無補燃強制循環(huán)余熱鍋爐和與之相匹配的PG9171E型燃機組成，主要承擔上海電網(wǎng)尖峰負荷和調(diào)峰任務。單臺余熱鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為181．5 t/h，出口蒸汽壓力為6．1MPa，出口蒸汽溫度為532℃。余熱鍋爐水汽品質(zhì)依據(jù) GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質(zhì)量》和設備商標準GEK 72281c—2004《電站汽輪機蒸汽純度建議》進行控制。化學補給水處理流程為:工業(yè)水→超濾→反滲透→連續(xù)電除鹽(EDI)→除鹽水箱，該工況為先進的全膜處理工藝。給水采用加氨和聯(lián)胺的全揮發(fā)處理，爐水為磷酸鹽處理。

目前國內(nèi)對聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐尚未出臺針對性的水汽導則，主要參照同參數(shù)的電站鍋爐，如DL/T 805—2004《火電廠汽水化學導則》、GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質(zhì)量》。由于聯(lián)合循環(huán)機組設計為頻繁啟、停及帶尖峰負荷運行特征，給保持鍋爐化學水工況的平衡和機組水汽品質(zhì)的穩(wěn)定性帶來了一定難度。在該公司4臺余熱鍋爐熱化學試驗的基礎上，總結(jié)和分析了調(diào)峰方式下余熱鍋爐水汽品質(zhì)特點，探討了合理的運行方式和水質(zhì)監(jiān)控指標。

2 余熱鍋爐水汽氫電導率指標的安全性評估

氫電導率(Cation Conductivity)是貫穿水汽系統(tǒng)的核心化學控制指標，對于確保汽輪機設備安全、降低水汽系統(tǒng)雜質(zhì)沉積和腐蝕、凝汽器泄漏的判斷等具有重要的意義。4臺余熱鍋爐水汽品質(zhì)指標明顯高于控制標準規(guī)定的氫電導率指標(見表1)。凝結(jié)水、給水和蒸汽等測點的指標均超過GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質(zhì)量》規(guī)

表1 水汽系統(tǒng)氫電導率與脫氣氫電導率

定的0．30μS/cm的控制標準。在正常工況下，水汽系統(tǒng)各測點氫電導率保持在0．40μS/cm左右。因此，針對該指標的安全性進行深入分析。

氫電導率反映雜質(zhì)陰離子的綜合含量，如Cl－，等。然而，不同雜質(zhì)陰離子的危害程度是有差異的，其中氯離子危害最大，同時也是凝汽器泄漏的重要特征。低分子有機酸離子其次，具有誘發(fā)和加劇應力腐蝕等危害，這主要與補給水水質(zhì)有關(guān)。二氧化碳對熱力系統(tǒng)危害相對較小，其來源既可能是真空嚴密性不良所導致的空氣泄漏，也可能是有機物在熱力系統(tǒng)中的降解。單一的氫電導率無法分辨其真正的構(gòu)成究竟是危害較大的雜質(zhì)污染物(如氯離子)，還是相對無害的雜質(zhì)(如二氧化碳)。

從測試方法來看，若能消除或降低CO2對氫電導率的影響，會使水汽系統(tǒng)運行狀況的判斷更加精確。脫氣氫電導率(Degassed Cation Conductivity)就是基于這種考慮而提出的概念，利用一定的物理化學方法，將水汽中分布的CO2去除，然后對脫氣后水汽的氫電導率進行測量。脫氣氫電導率指標表征不揮發(fā)性陰離子雜質(zhì)和有機酸離子的總量，真正反映出對設備具有危害的雜質(zhì)陰離子含量，具有更好的指導意義和監(jiān)控效果。通過特定的定量模型，可根據(jù)脫氣前、后的氫電導率指標計算水汽中二氧化碳含量，結(jié)合總有機碳(TOC)和陰離子的定量測試，系統(tǒng)反映水汽品質(zhì)的深度構(gòu)成，為確定水汽品質(zhì)的綜合風險提供評估依據(jù)。常規(guī)電導率(Specific Conductivity)、氫電導率以及脫氣氫電導率之間的關(guān)系如圖1、圖2所示。

鑒于該公司4臺余熱鍋爐水汽氫電導率指標的超標現(xiàn)象，對凝結(jié)水、給水和蒸汽指標進行了深度分析(具體包括氫電導率、脫氣氫電導率、TOC和氯離子等)并計算二氧化碳含量。在此基礎上，進行氫電導率的安全性評估。

(1)GEK 72281c—2004《電站汽輪機蒸汽純度建議》規(guī)定蒸汽總有機碳(TOC)質(zhì)量濃度低于100 μg/L。機組水汽系統(tǒng)各測點TOC基本保持在40 μg/L以下，一方面體現(xiàn)了補給水全膜處理工藝(超濾+反滲透+EDI)的優(yōu)勢，另一方面也表明汽輪機系統(tǒng)不存在低分子有機酸的腐蝕風險。

(2)各測點水樣脫氣前、后的氫電導率指標差異較大，表明其中有豐富的揮發(fā)性CO2的存在。通過定量計算，系統(tǒng)各測點二氧化碳質(zhì)量濃度普遍保持在80μg/L左右。揮發(fā)性CO2扮演了重要角色，較大地提升了系統(tǒng)各測點氫電導率水平。

(3)水汽系統(tǒng)中微量氯離子含量符合 GEK 72281c—2004《電站汽輪機蒸汽純度建議》規(guī)定的指標，機組水汽系統(tǒng)各測點TOC質(zhì)量濃度基本保持在40μg/L以下，脫氣氫電導率均保持在 0．14 μS/cm左右，水汽系統(tǒng)中微量氯離子含量應符合GEK 72281c—2004《電站汽輪機蒸汽純度建議》的要求，在現(xiàn)有蒸汽條件下，不存在氯離子和硫酸根離子、低分子有機酸等不揮發(fā)性有害雜質(zhì)風險，即凝結(jié)水、給水和蒸汽品質(zhì)是安全的。

(4)綜上所述，余熱鍋爐蒸汽的氫電導率形成于不揮發(fā)性陰離子、低分子有機酸以及CO2的過量存在等因素的共同作用，其中揮發(fā)性二氧化碳是最重要的構(gòu)成因素。因此，應嚴格控制給水pH值，以防止凝結(jié)水和低溫給水系統(tǒng)的腐蝕。

(5)該公司聯(lián)合循環(huán)機組承擔尖峰負荷和調(diào)峰任務，在試驗期間，機組為兩班制運行，此運行方式對余熱鍋爐水汽品質(zhì)有一定的影響，其中，二氧化碳含量是最主要的影響因素。

(6)凝結(jié)水氫電導率是反映凝汽器嚴密性的重要指標，是余熱鍋爐化學監(jiān)督最重要的監(jiān)控指標之一。當凝結(jié)水氫電導率存在異常時，可以采用脫氣氫電導率表測試，計算和判斷陰離子成分組成，以確定凝汽器是否存在泄漏。

3 余熱鍋爐蒸汽帶水現(xiàn)象的識別及原因分析

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在2005—2007年發(fā)展迅猛，在此期間，設備水平良莠不齊的狀況給安全運行留下了隱患。上海地區(qū)聯(lián)合循環(huán)新機組投運后熱化學試驗顯示，11臺(套)燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中就有4臺余熱鍋爐存在不同程度的汽包帶水現(xiàn)象，見表2和表3。

表2 4臺余熱鍋爐蒸汽品質(zhì)比較 μg/L

蒸汽鈉離子超標現(xiàn)象 μg/L

表3 上海地區(qū)某燃機電廠余熱鍋爐飽和

在該公司的4臺余熱鍋爐中，#2鍋爐的汽包帶水現(xiàn)象極其明顯，#3鍋爐有一定程度的帶水現(xiàn)象，其余2臺鍋爐則正常。

該公司#2，#3余熱鍋爐和上海某燃機電廠#3，#4余熱鍋爐均存在過熱蒸汽基本合格但飽和蒸汽鈉離子嚴重超標的現(xiàn)象。表明過熱器部位存在鹽類沉積現(xiàn)象。

該公司#2余熱鍋爐帶水最為嚴重，過熱蒸汽二氧化硅含量也接近控制標準。一旦爐水水質(zhì)控制不當，過熱蒸汽可能會出現(xiàn)二氧化硅含量超標，加劇汽輪機系統(tǒng)積鹽。

通過熱化學試驗確認(如圖2所示)飽和蒸汽鈉離子含量與爐水含鹽量相關(guān)性好。在穩(wěn)定工況下，繼續(xù)進行鍋爐負荷及其變化影響、汽包水位影響試驗，作者認為，爐水含鹽量是影響鍋爐運行的最主要的影響因素，而汽包水位、鍋爐負荷及壓力波動也會加劇該影響。以上狀況表明，通過熱化學試驗進一步驗證汽包汽水分離器存在缺陷或分離效果不佳。

該公司#2，#3余熱鍋爐和上海某燃機電廠#3，#4余熱鍋爐均為同一公司產(chǎn)品，后者通過熱化學試驗發(fā)現(xiàn)該問題后，利用機組檢修的機會對汽包汽水分離器進行了檢查，檢查結(jié)果是波紋板本身不存在缺陷，但在拆卸元件后發(fā)現(xiàn)分離器殼體與鍋筒內(nèi)壁多處焊縫存在嚴重積鹽的問題。清理焊縫后，發(fā)現(xiàn)有較多貫穿性焊接氣孔及焊接裂紋。因為存在這些缺陷，鍋筒內(nèi)部分濕蒸汽不通過波形板分離器而直接經(jīng)飽和蒸汽引出管進入過熱器，造成蒸汽帶水。該公司#2，#3鍋爐計劃利用機組檢修機會進行檢查和消缺。

由于#2余熱鍋爐存在著較為嚴重的帶水問題，#3鍋爐飽和蒸汽品質(zhì)也不夠穩(wěn)定，為了盡可能減少蒸汽污染的途徑，需要對爐水加藥方式和質(zhì)量標準進行優(yōu)化。由于該公司化學補給水工藝先進，除鹽水質(zhì)量優(yōu)良，凝汽器嚴密性較可靠，給水水質(zhì)符合更高等級鍋爐要求，所以，爐水控制方式和要求應該向更高標準看齊，即采用低磷酸鹽處理。在保證pH值要求的基礎上，降低爐水含鹽量，減少蒸汽污染的途徑并采取以下措施:

(1)爐水采用低磷酸鹽處理，磷酸根的質(zhì)量濃度控制在1～3mg/L，爐水 pH 值控制在 9．2～9．5，電導率控制在低于20μS/cm，切實降低爐水含鹽量。

(2)加強凝結(jié)水水質(zhì)監(jiān)測，當凝汽器存在微量泄漏時，給水有一定的硬度，適當提高爐水磷酸鹽質(zhì)量濃度(應達到5mg/L以上)。

(3)排污閥不可以完全關(guān)閉。以鍋爐設計排污率為基準，合理調(diào)整加藥量，保持爐水水質(zhì)穩(wěn)定，避免水質(zhì)大幅度波動。

(4)利用檢修的機會，從根本上消除#2，#3余熱鍋爐汽水分離裝置中的缺陷，解決汽包帶水的問題，以提高設備的安全運行水平。

4 聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐水汽凈化過程及特點

聯(lián)合循環(huán)機組的調(diào)峰特性決定了其啟動過程與常規(guī)火電機組有著較大的差異，如兩班制、季節(jié)性調(diào)峰，甚至是兩者相結(jié)合。這種無規(guī)律的頻繁啟、停，打破了系統(tǒng)水工況體系的平衡，這是水汽品質(zhì)較難控制的薄弱環(huán)節(jié)。通過多次記錄和跟蹤余熱鍋爐啟動過程中的水質(zhì)凈化過程，對其水工況特性、變化規(guī)律有了一定的認識。圖3～圖5記錄了2009年迎峰度夏期間#2機組在兩班制運行方式下，余熱鍋爐水汽品質(zhì)變化過程。

圖3 啟動及運行中水汽品質(zhì)變化曲線1

(1)兩班制運行方式對余熱鍋爐水汽品質(zhì)影響較大。分析了1 d運行的水汽品質(zhì)變化曲線，鍋爐在啟動2 h以后，水汽品質(zhì)(氫電導率、銅、鐵含量等)逐漸趨于平穩(wěn)。在此期間，確保排污閥開度100%，降低腐蝕產(chǎn)物的沉積。而2 h后，可以將排污閥開度調(diào)低。

(2)機組啟動階段水質(zhì)的變化過程，也是系統(tǒng)平衡逐步建立的過程。在機組啟動初期，凝結(jié)水氫電導率和溶解氧分別達到1．0μS/cm和75μg/L以上，隨著機組工況穩(wěn)定和真空泵的持續(xù)運行，系統(tǒng)中的溶解性氣體逐步減少，氫電導率指標和溶解氧含量趨于下降并最終穩(wěn)定，熱力系統(tǒng)各測點氫電導率也趨于穩(wěn)定。在此過程中，作者建議給水pH值保持上限水平，降低由于二氧化碳和溶解氧含量的增加對凝結(jié)水系統(tǒng)及低壓給水系統(tǒng)的腐蝕影響。

(3)#2余熱鍋爐汽包存在較為嚴重的爐水機械攜帶現(xiàn)象，爐水中的各種鹽類雜質(zhì)進入飽和蒸汽，導致飽和蒸汽氫電導率明顯高于過熱蒸汽。

5 結(jié)束語

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電大規(guī)模集中發(fā)展的歷史及其在電網(wǎng)中的職能定位和運行方式以及余熱鍋爐單元的設備特點，決定了余熱鍋爐水汽品質(zhì)具有復雜性和特殊性，需要通過針對性的熱化學試驗、大量的數(shù)據(jù)積累和深入分析評估，制訂安全有效的化學工況標準和靈活的監(jiān)控體系，為機組設備監(jiān)控和安全性奠定堅實基礎。

［1］David M Gray．pH and CO2Determinations Based on Power Plant Conductivity Measurements［J］．Power Plant Chemistry，2005，7(4):214 －218．

［2］任其智．燃氣輪機的檢修［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2011．

［3］趙勇．S109FA燃機余熱鍋爐高壓過熱器泄漏原因分析及處理［J］．華電技術(shù)，2010，32(5):65 －67．