超臨界運(yùn)行機(jī)組熱力系統(tǒng)分段化學(xué)清洗*

史 妮，梅其政，曾小義，王 鋼

(1 重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 400053；2 國電投新昌發(fā)電有限公司，江西 南昌 330117)

近年來，隨著大容量超(超)臨界機(jī)組和新型水處理設(shè)備相繼投入運(yùn)行，鍋爐高溫受熱面多采用鐵素體鋼和奧氏體鋼材料，管壁在高溫水蒸氣作用下生成氧化皮是不可避免，嚴(yán)重時(shí)會造成過熱器管堵塞而導(dǎo)致發(fā)生爆管事故，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-2]。我國電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[3-4]，當(dāng)運(yùn)行機(jī)組過熱器垢量超過400 g/m2，或發(fā)生氧化皮脫落而造成爆管事故時(shí)，可進(jìn)行化學(xué)清洗。隨著化學(xué)清洗技術(shù)水平、清洗介質(zhì)、緩蝕劑、鈍化劑、清洗標(biāo)準(zhǔn)、工藝水平等方面的發(fā)展和提高，相關(guān)單位實(shí)施了很多成功的清洗案例[5-8]。某電廠4×600 MW 機(jī)組2號機(jī)組為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的SG1913/25.4-M957型鍋爐，運(yùn)行時(shí)間近15年，割管檢查發(fā)現(xiàn)過熱器尤其是末級過熱器有很嚴(yán)重氧化皮問題，時(shí)常有氧化皮脫落引起爆管現(xiàn)象。為提高機(jī)組受熱面內(nèi)表面的清潔程度，改善水汽系統(tǒng)的水汽品質(zhì)，增大機(jī)組的傳熱效率，廠方在充分調(diào)研是換管還是進(jìn)行化學(xué)清洗的基礎(chǔ)上，最終選擇進(jìn)行化學(xué)清洗。

1 清洗前準(zhǔn)備

1.1 清洗垢量及成分分析

受熱面垢量測定根據(jù)DL/T 794-2012《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》中的方法測定，根據(jù)管徑大小，確定其截取的長度和管壁加工的厚度，將割下的管段截取長100 mm的一段，在車床上切削其外壁，使管樣壁厚為1.0 mm左右。各材料垢量測定結(jié)果見表1。

表1 受熱面管樣垢量測定結(jié)果

從表1得出所有熱力系統(tǒng)受熱面的垢量都已經(jīng)達(dá)到導(dǎo)則中規(guī)定的清洗要求，能譜分析(EDS)其成份結(jié)果表明受熱面內(nèi)表面垢物成份主要為鐵和鉻的氧化物，其中末級過熱器垢量非常大，清洗時(shí)需要采取合適的清洗工藝和手段保證清洗質(zhì)量。

1.2 清洗工藝的確定

根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行小型靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)確定，檢驗(yàn)清洗效果和緩蝕效果，確定最佳化學(xué)清洗工藝。同時(shí)嚴(yán)格按照GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)方法的規(guī)定進(jìn)行晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)》規(guī)定方法，考察清洗液對敏化的奧氏體鋼是否產(chǎn)生晶間腐蝕。最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與甲方協(xié)商確定了有機(jī)復(fù)合酸(5%～7%)(甲酸+羥基乙酸)+緩蝕劑(0.5%～0.7%)+還原劑(根據(jù)Fe3+含量添加)+助溶劑(0.3%～0.5%)+其它助劑(0.3%～0.5%)的分階段酸洗工藝，此工藝不會對奧氏體鋼(如TP341H、T23、T91)產(chǎn)生晶間腐蝕。

1.3 清洗回路確定

根據(jù)鍋爐和過熱器特點(diǎn)及參數(shù)，滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中大流量沖洗的要求[3-4]，同時(shí)結(jié)合水冷壁、省煤器及過熱器等熱力設(shè)備受熱面垢量的分布情況，沖洗及酸洗回路可劃分為六個(gè)回路，進(jìn)行分階段沖洗和酸洗，有效保證沖洗和清洗質(zhì)量[9]。其中，一、二、三回路為水沖洗回路，四、五、六回路為酸洗回路，具體劃分如圖1～圖6所示。

圖1 一回路(鍋爐本體沖洗-啟動分離器前)

圖2 二回路(鍋爐本體整體沖洗)

圖3 三回路(過熱器沖洗)

圖4 四回路(末級過熱器單獨(dú)酸洗)

圖5 五回路(過熱系統(tǒng)整體酸洗)

圖6 六回路(鍋爐本體及過熱器整體酸洗)

1.4 清洗范圍及清洗期間除鹽水系統(tǒng)要求

化學(xué)清洗范圍包括鍋爐本體(省煤器、水冷壁、啟動分離器等)和過熱器系統(tǒng)，化學(xué)清洗系統(tǒng)(包括臨時(shí)系統(tǒng))的水容積約400 m3。清洗前為保證清洗期間用水要求，所有除鹽水箱貯滿除鹽水，除鹽系統(tǒng)再生好并處于備用狀態(tài)，除鹽水連續(xù)供水能力達(dá)到300～400 t/h，并且能夠連續(xù)供水6～8 h。總個(gè)清洗期間需要用水約10000 m3，期中酸洗廢液約3000 t。

2 化學(xué)清洗過程實(shí)施

臨時(shí)清洗系統(tǒng)安裝完成并進(jìn)行完水壓試驗(yàn)合格，爐膛頂部、煙道內(nèi)腳手架已搭好便于清洗過程中過熱器摸管試驗(yàn)，除鹽水系統(tǒng)、廢水排放系統(tǒng)、安保及通訊系統(tǒng)等清洗前準(zhǔn)備工作就緒后，進(jìn)行化學(xué)清洗。

2.1 化學(xué)清洗工藝步驟與控制要求

表2 熱力系統(tǒng)化學(xué)清洗工藝步驟與控制要求

2.2 化學(xué)清洗過程實(shí)施

2.2.1 鍋爐水沖洗及過熱器注水排空氣

按一、二回路對鍋爐進(jìn)行水沖洗，省煤器和水冷壁沖洗合格后，給鍋爐及過熱器上滿水，及時(shí)排除系統(tǒng)中空氣。

2.2.2 大流量沖洗

沖洗大罐上滿水，啟動沖洗泵按三回路通過臨時(shí)系統(tǒng)管道對系統(tǒng)進(jìn)行大流量沖洗。沖洗的同時(shí)施工人員進(jìn)入爐膛，用橡膠榔頭敲擊過熱器管底部彎頭，過熱器的排空氣門間斷打開，將過熱器內(nèi)的空氣排出，確保過熱器系統(tǒng)內(nèi)U型及W型彎管中的氣塞現(xiàn)象消除；進(jìn)行變流量沖洗，流量最大時(shí)同時(shí)啟動兩臺清洗泵和一臺大流量沖洗泵并聯(lián)運(yùn)行，使大流量沖洗水流量大于4000 m3/h，確保熱器管流速都達(dá)到2 m/s以上，從而保證過熱器管道脫落的氧化皮等沉積物沖出。

2.2.3 升溫試驗(yàn)及末級過熱器摸管檢查

輔助蒸汽加熱，啟動臨時(shí)系統(tǒng)的表面加熱器，按三回路進(jìn)行升溫試驗(yàn)及清洗模擬試驗(yàn)。清洗泵出口溫度達(dá)到50 ℃左右，進(jìn)行摸管試驗(yàn)，采用安裝的臨時(shí)在線壁溫監(jiān)測系統(tǒng)找出溫升有異常的過熱器管，然后人工觸摸復(fù)核，反復(fù)多次確認(rèn)無異常管道，升溫試驗(yàn)及檢查合格方可進(jìn)行酸洗。

2.2.4 末級過熱器單獨(dú)酸洗

摸管結(jié)束后，向清洗箱中均勻加入緩蝕劑，加藥完畢，循環(huán)30 min，再按四回路建立循環(huán)，當(dāng)回液溫度達(dá)60 ℃開始加酸，按比例加入有機(jī)復(fù)合酸和清洗助劑，同時(shí)根據(jù)Fe3+濃度化驗(yàn)情況適當(dāng)添加還原劑，整個(gè)清洗過程嚴(yán)格控制Fe3+<300 mg/L，可根據(jù)泡沫大小情況添加適量消泡劑。維持溫度85±5 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃后開始計(jì)時(shí)，對末級過熱器進(jìn)行單獨(dú)酸洗，啟動另一臺清洗泵，兩臺泵同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，以增加清洗流速。酸洗時(shí)每小時(shí)化驗(yàn)一次清洗液，待出口全鐵離子總量2～3次取樣化驗(yàn)基本不變，出口酸的濃度2～3次取樣化驗(yàn)基本不變，且酸度<3%時(shí)，更換清洗液進(jìn)行下一次酸洗。

2.2.5 過熱系統(tǒng)整體酸洗

末級過熱器單獨(dú)酸洗并沖洗干凈后，建立五回路循環(huán)升溫，回液溫度達(dá)60 ℃時(shí)，向清洗箱中均勻加入緩蝕劑，加藥完畢，循環(huán)30 min，然后開始加有機(jī)復(fù)合酸和清洗助劑，同時(shí)根據(jù)Fe3+濃度化驗(yàn)情況適當(dāng)添加還原劑，整個(gè)清洗過程嚴(yán)格控制Fe3+<300 mg/L，可根據(jù)泡沫大小情況添加適量消泡劑。維持溫度(85±5)℃，當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃后開始計(jì)時(shí)，對過熱系統(tǒng)整體進(jìn)行酸洗。酸洗開始每小時(shí)化驗(yàn)一次清洗液，監(jiān)視管段大部分垢已清除，待出口全鐵離子總量2～3次取樣化驗(yàn)基本不變，出口酸的濃度2～3次取樣化驗(yàn)基本不變，結(jié)束酸洗。

2.2.6 過熱系統(tǒng)整體酸洗后水沖洗

過熱系統(tǒng)整體酸洗結(jié)束后，排空酸洗液迅速向上水沖洗，沖洗過程注意對死區(qū)及盲區(qū)的沖洗，沖洗至出水基本澄清，pH值大于5后即可。

2.2.7 鍋爐本體及過熱器整體酸洗

鍋爐本體沖洗干凈后，啟動分離器上滿水，關(guān)閉啟動分離器空氣門按六回路建立循環(huán)，當(dāng)回液溫度達(dá)60 ℃時(shí)，先向清洗箱中均勻加入緩蝕劑，加藥完畢，循環(huán)30 min，再開始加酸，加酸速度不能太快，應(yīng)按比例均勻加入有機(jī)復(fù)合酸和清洗助劑，同時(shí)根據(jù)Fe3+的情況適當(dāng)添加還原劑，控制Fe3+<300 mg/L，根據(jù)泡沫大小可加適量消泡劑。維持溫度85±5 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃后開始計(jì)時(shí)，對鍋爐本體及過熱器進(jìn)行酸洗。酸洗開始計(jì)時(shí)后，啟動另一臺清洗泵，兩臺泵同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，增加清洗流速。酸洗時(shí)每小時(shí)化驗(yàn)一次清洗液，待出口全鐵離子總量2～3次取樣化驗(yàn)基本不變，出口酸的濃度2～3次取樣化驗(yàn)基本不變，監(jiān)視管段清洗干凈，結(jié)束酸洗。

2.2.8 鈍化前水沖洗

檢查水冷壁及過熱器監(jiān)視管，確認(rèn)已清洗干凈后，先用清洗泵頂出酸洗液，然后沖洗鍋爐本體，再沖洗過熱器系統(tǒng)，最后啟動沖洗泵進(jìn)行鍋爐本體及過熱器整體大流量循環(huán)水沖洗，待沖洗出水pH值大于5，全鐵小于50 mg/L，沖洗結(jié)束。

2.2.9 鈍 化

沖洗合格后，系統(tǒng)循環(huán)升溫，待溫度達(dá)到65 ℃時(shí)加入丙酮肟鈍化劑，用氨水調(diào)節(jié)pH值大于10.5，控制溫度90～95 ℃。回液溫度達(dá)到，85 ℃開始計(jì)時(shí)，循環(huán)12 h結(jié)束。

2.2.10 鈍化后水沖洗

鈍化結(jié)束后，先用保護(hù)液(即用氨水調(diào)pH值9～10)頂出鈍化液，頂排完后進(jìn)行大流量沖洗，直到?jīng)_洗水出口澄清且無雜物，全鐵含量小于1 mg/L。最后對水汽系統(tǒng)取樣、排氣、疏放水、相關(guān)熱工和化學(xué)儀表等熱力系統(tǒng)盲區(qū)管路進(jìn)行水沖洗，縮短機(jī)組水汽品質(zhì)合格時(shí)間，加快機(jī)組啟動。

2.2.11 過熱器再次摸管檢查確認(rèn)

鈍化后水沖洗結(jié)束，加熱沖洗大罐沖洗水，溫度升高60 ℃時(shí)，建立閉式循環(huán)，啟動沖洗水泵，進(jìn)行大流量循環(huán)沖洗過熱器系統(tǒng)。利用在線壁溫監(jiān)測和人工熱成像復(fù)核驗(yàn)證，保證過熱器內(nèi)所有管路沖通。

3 化學(xué)清洗期間主要監(jiān)控指標(biāo)變化

化學(xué)清洗過程主要包括鍋爐本體水沖洗、過熱器大流量沖洗、升溫試驗(yàn)及過熱器摸管、末級過熱器初次酸洗，過熱器整體酸洗，鍋爐本體及過熱器酸洗、酸洗后水沖洗、鈍化、鈍化后水沖洗等步驟。整個(gè)酸洗分為三個(gè)階段共計(jì)84 h，其中末級過熱器初次酸洗用時(shí)36 h，過熱器整體酸洗用時(shí)26 h，鍋爐本體及過熱器酸洗用時(shí)22 h，經(jīng)過理論計(jì)算三次酸洗清除鐵垢(以Fe3O4計(jì))約9噸。各酸洗階段主要監(jiān)控指標(biāo)如圖1所示。

圖7 酸洗階段主要監(jiān)控指標(biāo)

4 清洗結(jié)果評價(jià)

(1)不同材質(zhì)腐蝕指示片平均腐蝕速率何腐蝕總量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DL/T794-2012《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》所規(guī)定的8 g/(m2·h)和80 g/m2，其中為vT23為0.29 g/(m2·h)，vT91為0.38 g/(m2·h)，vTP341H為0.12/(m2·h)，vSA-210C為0.63 g/(m2·h)，v15CrMoG為0.69 g/(m2·h)。

(2)清洗結(jié)束對過熱器管、水冷壁管及省煤器管進(jìn)行了割管檢查，檢查發(fā)現(xiàn)表層氧化皮徹底清除，無沉積物，內(nèi)表面光潔，無鍍銅、無金屬粗晶析出及晶間腐蝕等現(xiàn)象，測得末級過熱器管(T23)的剩余垢量為7.02 g/m2，末級過熱器管(T91)剩余垢量未12.68 g/m2，省煤器管剩余垢量為5.59 g/m2，水冷壁管剩余垢量為7.21 g/m2，除垢率均大于95%。

(3)清洗后的熱力設(shè)備內(nèi)表面形成了完整、均勻、致密的鈍化保護(hù)膜，無二次銹蝕及點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

(4)機(jī)組啟動后，水汽品質(zhì)很快達(dá)到GB/T12145-2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，熱力設(shè)備無超溫過熱等現(xiàn)象，空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙溫降低近15 ℃，明顯提升了鍋爐熱效率，化學(xué)清洗效果顯著。

(5)清洗效果總體評價(jià)為優(yōu)良。

5 工程經(jīng)驗(yàn)及建議

5.1 臨時(shí)系統(tǒng)安裝

(1)化學(xué)清洗系統(tǒng)安裝嚴(yán)格按照國家電力建設(shè)及安裝的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，清洗系統(tǒng)中的焊口應(yīng)符合中壓焊接工藝規(guī)程和技術(shù)要求，每個(gè)焊口至少兩道，并且進(jìn)行氬弧焊打底，并確保清洗介質(zhì)嚴(yán)密不漏。

(2)化學(xué)清洗中，凡與酸液接觸的閥門，特別是臨時(shí)閥門，其內(nèi)部不得有銅部件，防止酸洗過程中出現(xiàn)鍍銅現(xiàn)場，組裝時(shí)應(yīng)確保連接的可靠性；安裝后的閥門應(yīng)靈活可靠，嚴(yán)密不漏且無卡澀現(xiàn)象。

(3)溫度、壓力、流量測點(diǎn)及取樣點(diǎn)、常規(guī)操作的閥門應(yīng)盡量集中，安裝在道路暢通、照明充足的地方。

(4)臨時(shí)系統(tǒng)管道安裝前，管內(nèi)雜物一定要清理干凈，以免損壞清洗泵和閥門。

5.2 熱力系統(tǒng)的隔離

(1)鍋爐及過熱器上的儀表管道、加藥管道、排污管道、取樣管道、疏水管道等凡與清洗系統(tǒng)相連接的管道，其一次門在水壓試驗(yàn)以后用水沖洗干凈并關(guān)死，酸洗后再進(jìn)行沖洗。

(2)化學(xué)清洗系統(tǒng)中凡與其他機(jī)組相連的設(shè)備、管道等都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的隔離，以免酸液竄到其他設(shè)備里去，過熱器減溫水閥門全部關(guān)死。

(3)臨時(shí)系統(tǒng)蒸汽管道、酸洗進(jìn)回液主管道必需進(jìn)行臨時(shí)保溫。

(4)爐膛的封閉要求嚴(yán)密，觀察孔、入孔、煙風(fēng)道等部位在清洗期間必須具備封閉條件，減少散熱損失。

5.3 清洗前藥品及工藝

(1)針對熱力系統(tǒng)材質(zhì)復(fù)雜，多奧氏體鋼，必須進(jìn)行小型靜態(tài)試驗(yàn)和動態(tài)模擬試驗(yàn)，選擇合適的清洗工藝；

(2)所有用到的所有清洗藥品在清洗前必須經(jīng)過相應(yīng)的評價(jià)實(shí)驗(yàn)，確保無引起奧氏體鋼晶間腐蝕的鹵族(如氯離子)離子等的存在。

5.4 清洗過程

(1)過熱器化學(xué)清洗最大的難點(diǎn)是采取有效措施保證過熱器管的暢通和防止氣塞現(xiàn)象出現(xiàn)，必須選擇大流量和高揚(yáng)程的耐腐蝕泵，實(shí)施過程中可選擇電廠凝結(jié)水泵進(jìn)行大流量循環(huán)沖洗，如一些原因選擇不了凝結(jié)水泵，可考慮幾臺泵并聯(lián)運(yùn)行提高流量，串聯(lián)運(yùn)行提高揚(yáng)程，必須保證不出現(xiàn)氣塞和過熱器管堵塞而沒發(fā)現(xiàn)的情況；本次工程根據(jù)過熱系統(tǒng)各部位垢量的差異，選擇大流量的沖洗、分階段酸洗方式，防止了垢量少的部分出現(xiàn)過洗，同時(shí)增大清洗流速使氧化皮迅速溶解和剝落及沖通。

(2)水沖洗和酸洗過程中可能有剝離下來的氧化皮，每次酸洗后的水沖洗結(jié)束后，需拆除臨時(shí)系統(tǒng)上的機(jī)械過濾器，收集過濾器濾下的氧化皮，同時(shí)進(jìn)入清洗箱，人工清掃清洗箱內(nèi)沉積的氧化鐵，防止在鈍化過程中隨鈍化液進(jìn)入到熱力系統(tǒng)中去。

(3)酸洗過程中，需要實(shí)時(shí)采取合適手段進(jìn)行過熱器壁溫監(jiān)控，經(jīng)過溫度復(fù)核如發(fā)現(xiàn)有個(gè)別阻塞或堵死的管子，作出標(biāo)記，并做好記錄，先不做割管處理，等整個(gè)清洗工作結(jié)束后再進(jìn)行割管更換。

5.5 酸洗后廢液采取焚燒法處理

本次酸洗共產(chǎn)生有機(jī)復(fù)合酸洗廢液約2500噸，將有機(jī)酸廢水的pH值調(diào)節(jié)到8.5左右，通過焚燒泵與噴嘴把廢水噴入爐膛內(nèi)焚燒[10]，對鍋爐燃燒和周圍環(huán)境均無不良影響，減少了廢液處理工藝環(huán)節(jié)，大大節(jié)約了整個(gè)清洗成本。