全保護加氧工藝在超超臨界1 000 MW機組上應用

寧 志，李健博，李俊菀，王文虎，李 焱

全保護加氧工藝在超超臨界1 000 MW機組上應用

寧 志1，李健博2，李俊菀2，王文虎1，李 焱1

（1.安徽安慶皖江發電有限責任公司，安徽 安慶 246000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

加氧處理因可以有效抑制給水系統、高壓加熱器（高加）疏水系統的流動加速腐蝕，而成為超（超）臨界機組優選的水處理措施。全保護加氧處理工藝通過向給水、高加疏水同時加氧，明顯降低了給水、高加疏水鐵質量濃度，其中給水采用精確加氧的低氧處理，加氧前后蒸汽基本無氧，不存在促進氧化皮集中脫落的風險，該加氧工藝安全可靠。在安徽安慶皖江發電有限責任公司（神皖安慶電廠）超超臨界1 000 MW機組上采用全保護加氧處理工藝，應用效果良好，能夠對水汽系統起到全面保護的作用，理論和實踐證明以空氣為介質的全保護加氧工藝不會影響給水水質。

超（超）臨界；水汽系統；流動加速腐蝕；加氧處理；給水；高加疏水；全保護加氧

超（超）臨界機組給水系統采用全揮發處理時，會在金屬表面形成Fe3O4保護膜，其質地疏松、溶解度高、保護性差，從而導致如水汽中腐蝕產物鐵含量較高，水冷壁結垢速率高，鍋爐壓差上升快，水冷壁節流孔和高加疏水調節閥堵塞，精處理運行周期短，混床再生頻繁等[1-4]一系列問題，嚴重影響了機組運行的安全性和經濟性。為此，給水系統采用加氧處理工藝[5-7]，使金屬表面形成致密的Fe2O3保護膜，該保護膜對水汽系統管道及熱力設備具有非常強的鈍化保護作用，已廣泛用于超（超）臨界機組[8-9]。

全保護加氧工藝通過向給水系統中加入低濃度溶解氧，實現給水系統的防腐鈍化，而蒸汽中基本無氧，避免了蒸汽中較高濃度氧可能促進過熱器及再熱器管道氧化皮剝落的風險，同時向高壓加熱器（高加）汽側單獨加氧，以解決高加疏水系統腐蝕問題，實現對所有易發生腐蝕熱力設備的全面保護。全保護加氧裝置采用西安熱工研究院有限公司的穩壓工藝及控制理念，實現了給水氣態精確加氧。本文介紹了全保護加氧工藝及其在安徽安慶皖江發電有限責任公司（神皖安慶電廠）超超臨界1 000 MW機組上的應用效果。

1 全保護加氧

1.1 全保護加氧工藝

由于傳統給水高氧處理技術存在促進氧化皮剝落的風險[10]，而低氧處理技術又無法兼顧解決給水和高加疏水系統流動加速腐蝕的問題，為此西安熱工研究院有限公司提出了全保護加氧工藝。全保護加氧工藝分別向給水側及高加疏水側進行加氧，兼顧解決了給水系統和高加疏水系統的腐蝕問題，同時，由于給水采用低氧處理（神皖安慶電廠給水溶解氧量控制在10~30 μg/L），過熱蒸汽中基本無氧，不會增加過熱器、再熱器氧化皮集中脫落的風險。

1.2 全保護自動加氧裝置

全保護自動加氧裝置具有如下特點。

1）全保護自動加氧裝置采用高壓空氣壓縮機將空氣升壓、凈化、貯存到儲氣瓶，并配備自動供氣控制系統。該自動供氣控制系統具有自動啟停和超壓保護功能，無需人工更換氣瓶，降低了運行工作量，避免了更換氧氣瓶過程中的安全隱患[11]。

2）該裝置采用壓力和節流協同控制、前饋調節、反饋修正的方法，可實現給水氣態精確加氧，給水溶解氧量波動范圍不超過±2 μg/L。

3）該裝置采用空氣作為加氧介質。當供氣壓力達到10~13 MPa，氧氣分壓仍然小于3 MPa，滿足《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》（GB 16912—2008）的規定[12]，使得高壓氧氣能夠安全、連續地加入高壓加熱器汽側。

2 全保護加氧對給水水質的影響

2.1 全保護加氧引入CO2對給水水質的影響

全保護加氧使用空氣作為加氧介質，空氣中含有一定的CO2，CO2溶入水可能會對給水的氫電導率及pH值產生影響。空氣中各組分見表1[13]。由表1可知，空氣中O2與CO2質量比為23.150:0.046= 503:1。一般情況下，全保護加氧控制給水溶解氧量為10~20 μg/L，計算得到給水采用全保護加空氣方式后引入的CO2質量濃度見表2。全保護加氧帶入的CO2對水質氫電導率影響（25 ℃，ASTM D4519 —2010）見表3[14]。

表1 空氣中各組分

Tab.1 The components in the air

表2 全保護加氧帶入CO2質量濃度計算結果

Tab.2 The calculated mass concentration of CO2 brought by fully protection oxygenated treatment

表3 全保護加氧帶入CO2對氫電導率的影響

Tab.3 Effect of CO2 brought by fully protection oxygenation on hydrogen conductivity

由表2、表3可知：使用空氣作為全保護加氧介質，帶入CO2質量濃度小于0.04 μg/L，其含量極低無法對水汽系統產生影響；帶入CO2使得氫電導率的增加值不到0.000 14 μS/cm，小于目前電廠在線氫電導率表檢測限0.001 μS/cm，即儀表無法監測到由加氧帶入CO2對氫電導率產生的影響。因此，以空氣作為全保護加氧介質帶入的CO2不會導致水質氫電導率升高。

通常加氧后省煤器入口給水pH值需控制在9.0以上，加氨量大于300 μg/L，則氨水的質量濃度遠大于CO2質量濃度，其反應方程式為

設加氨量為300 μg/L，計算得到0.04 μg/L CO2消耗氨量0.030 9 μg/L，則剩余氨質量濃度為299.969 1 μg/L。純水條件下，pH值與氨質量濃度關系式為

式中，為氨的質量濃度，mg/L。

使用空氣作為加氧介質時，將=299.969 1 μg/L代入上式計算得到，pH值為9.036 8。若未使用空氣作為加氧介質，則氨質量濃度為300 μg/L，代入式(2)計算得到，pH值為9.036 9。可見以空氣為介質，加氧帶入的CO2使pH值減小了0.000 1，小于目前電廠在線pH表檢測限0.01，因此加氧帶入CO2對pH值基本無影響。

2.2 空氣嚴重污染對給水水質的影響

當空氣嚴重污染（即空氣質量指數AQI＞300）時，本文以AQI=300為例進行計算，此時對應的PM2.5、SO224 h平均質量濃度[16]分別為250 μg/m3和1 600 μg/m3。250 μg/m3PM2.5是1 m3空氣質量的0.000 019 3%。由表1可知，空氣中O2與PM2.5質量比為23.15:0.000 019 3=1 199 482:1。一般情況下，全保護加氧控制給水溶解氧量為10~20 μg/L，計算得到由加氧帶入PM2.5質量濃度見表4。

表4 加氧帶入PM2.5質量濃度

Tab.4 The calculated mass concentration of PM2.5 brought by oxygenated treatment

由表4可知，空氣嚴重污染時由加氧帶入PM2.5的質量濃度為0.000 008 3~0.000 016 6 μg/L，比《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》（GB 12145—2016）規定給水SiO2標準值≤10 μg/L小105數量級。因此，空氣嚴重污染時加氧帶入的PM2.5不會對給水水質產生影響。

同理，1 600 μg/m3SO2是1 m3空氣質量的 0.000 124%，空氣中O2與SO2質量比為23.15: 0.000 124=186 694:1。一般情況下，全保護加氧控制給水溶解氧量為10~20 μg/L，由加氧帶入的SO2質量濃度計算結果見表5。

表5 加氧帶入SO2質量濃度

Tab.5 The calculated mass concentration of SO2 brought by oxygenated treatment

由表5可知，空氣嚴重污染時由加氧帶入的SO2質量濃度為0.000 053 6~0.000 107 0 μg/L，這比GB 12145—2016規定的給水氯離子標準值≤1 μg/L小104數量級。因此，空氣嚴重污染時加氧帶入的SO2不會對給水水質產生影響。

綜上所述，采用壓縮空氣作為氣源的全保護加氧工藝對給水水質基本無影響。

3 全保護加氧工藝應用效果

3.1 機組概況

在神皖安慶電廠燃煤發電4號超超臨界1000MW機組上，應用全保護加氧工藝。該機組鍋爐是由東方鍋爐股份有限公司生產的DG2910/29.15-Π3型超超臨界壓力直流鍋爐，采用一次中間再熱、平衡通風、前后墻對沖燃燒方式，鍋爐本體為單爐膛、尾部雙煙道結構、露天布置、固態排渣、全鋼懸吊結構Π型布置，額定蒸發量 2 910.1 t/h。4號機組于2015年6月正式投產，機組設計給水處理方式為啟動時弱氧化性全揮發 處理（AVT(O)）和正常運行時加氧處理（OT）。 2018年4月份對該機組開始實施全保護加氧處理。

3.2 應用效果

3.2.1給水鐵質量濃度

全保護加氧運行后，在合適的pH值條件下，整個水汽系統的鐵質量濃度穩定在較低水平，這是全保護加氧處理最具代表性的特點[17-19]，有利于降低鍋爐受熱面的結垢速率。4號機組省煤器入口、高加疏水加氧轉化前后鐵質量濃度變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，在正常全保護加氧處理運行工況下，給水、高加疏水鐵質量濃度均在1 μg/L以下。這表明全保護加氧在熱力系統形成的氧化膜保護性良好，能夠有效抑制給水系統、高加疏水系統的流動加速腐蝕[20]。

3.2.2凝結水精處理系統運行周期

實施全保護加氧處理后，主要是靠適量的溶解氧維持對給水系統的保護，因此可將水汽系統的pH值適當降低，給水pH值控制范圍由原來9.3～9.4降至9.0～9.2，系統原加氨量約為900 μg/L，全保護加氧后系統加氨量約為400 μg/L，加氨量明顯減少。凝結水精處理氫型運行周期顯著變長，約為全保護加氧前的2.3倍。

3.2.3給水溶解氧量

實施全保護加氧處理后，給水溶解氧量如圖2所示。由圖2可見，全保護加氧處理后給水溶解氧量穩定。在6 h內，機組負荷從1 000 MW降低到805 MW，再升高到934 MW，給水溶解氧量波動＜2 μg/L（圖3）。

3.2.4過熱蒸汽溶解氧量

4號機組實施全保護加氧處理前（AVT(O)工況），過熱蒸汽溶解氧量小于5 μg/L（圖4）。全保護加氧處理后，控制給水溶解氧量10~30 μg/L，過熱蒸汽溶解氧量仍小于5 μg/L（圖5）。蒸汽中基本無氧，有效避免了過熱器和再熱器因給水加氧引起氧化皮脫落的風險[21]。

3.2.5高加疏水溶解氧量

采用全保護加氧處理后，高加疏水溶解氧量如圖6所示。圖6中，高加疏水溶解氧及機組負荷數據均取自當日各自平均值。由圖6可見，高加疏水溶解氧量控制為10~150 μg/L，高加疏水多余的氧通過除氧器除掉，全保護加氧工藝安全可靠。

3.2.6加氧不影響給水水質

采用空氣作為全保護加氧介質，加氧前、后，省煤器入口氫電導率變化如圖7所示。由圖7可知，全保護加氧前、后省煤器入口水樣氫電導率在0.060～0.064 μS/cm之間，無較大變化。實際運行結果表明，由全保護加氧帶入的CO2不會導致水質氫電導率升高。

全保護加氧運行后，在給水溶解氧量為10~ 30 μg/L時，記錄在線表的給水電導率（）及給水實際pH值，在純水+氨的條件下給水理論pH值可以按照pH=8.566+lg計算，給水pH值的理論計算結果及實際值見表6。由表6可見，給水理論計算pH值與給水實際pH值相當，實際運行結果表明全保護加氧帶入的CO2對pH值基本無影響。

表6 全保護加氧后給水pH值

Tab.6 The pH values of feed water after oxygenated treatment

注：為確保實際測量值準確，全保護加氧前給水pH表已校準無誤。

4 結 語

1）全保護加氧工藝已在神皖安慶電廠超超臨界1 000 MW燃煤發電機組成功應用。該機組全保護加氧前后過熱蒸汽溶解氧量基本無變化，不會導致過熱器、再熱器氧化皮集中脫落。

2）采用QBH-3型全保護加氧設備后，給水溶解氧量波動范圍不超過±2 μg/L，且該設備安全可靠、自動供氣，無需更換氣瓶，設備維護量非常小，可保證高加汽側安全加氧。

3）理論分析和實際運行結果證明，采用空氣作為全保護加氧介質對給水氫電導率、pH值無明顯影響，當空氣中PM2.5及SO2嚴重超標時，其對給水水質也無影響。

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Application of full protection oxygenated technology in an ultra-supercritical 1 000 MW unit

NING Zhi1, LI Jianbo2, LI Junwan2, WANG Wenhu1, LI Yan1

(1. Anhui Anqing Wanjiang Power Generation Co., Ltd., Anqing 246000, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

The oxygenated treatment can effectively prevent flow accelerated corrosion in feed water system and high pressure heater drain system, which becomes the optimal water treatment measure for (ultra) supercritical units. By simultaneously oxygenating to both the feed water and high pressure heater drain, the fully protection oxygenated treatment technology can significantly reduce the mass concentration of iron in feed-water and high pressure heater drain. The feed water is treated with precise aerobic hypoxia, the steam basically contains no dissolved oxygen before and after the oxygenation, so there is no risk in promoting the concentrated shedding of oxide scale in the steam system. This oxygenated process is safe and reliable. Application of this fully protection automatic oxygenated treatment technology in ultra-supercritical 1 000 MW units in Shenwan Anqing Electric Power Plant shows that, the application effect is good, the water vapor system can be fully protected, the theory and the practice prove that the this fully protection automatic oxygenated treatment process with air as the medium does not affect the water quality of the feed water.

(ultra) supercritical, water-vapor system, flow accelerated corrosion, oxygenated treatment, feed water, high pressure heater drain, full protection oxygenation

TM621.8

B

10.19666/j.rlfd.201901018

2019-01-01

寧志(1972)，男，本科，高級工程師，主要研究方向為汽輪機技術，ningzhi_2001-2001@163.com。

寧志, 李健博, 李俊菀, 等. 全保護加氧工藝在超超臨界1 000 MW機組上應用[J]. 熱力發電, 2019, 48(10): 122-127. NING Zhi, LI Jianbo, LI Junwan, et al. Application of full protection oxygenated technology in an ultra-supercritical 1 000 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 122-127.

（責任編輯 楊嘉蕾）