600MW亞臨界汽包爐過熱器預膜技術研究

吳利寧 張久龍 劉 忠 楊金生

（1. 陜西德源府谷能源有限公司，陜西 府谷 719400；2. 北京蕊奧博科技開發有限責任公司，北京 100095）

0 引言

府谷電廠#2機組在2021年大修期間更換了全部過熱器管道，機組啟動后，存在一個預膜過程。

本文介紹了一種基于水汽系統痕量溶解氫含量測定的新型過熱器預膜技術，通過實時監督過熱器中痕量溶解氫的含量，調節給水、爐水pH，在較短時間內在過熱器管內表面形成保護膜，完成預膜工作。

1 技術介紹

1.1 化學原理

在高溫環境下，水蒸汽管道表面水分子與金屬元素發生反應，生成鐵氧化物的過程，稱為蒸汽氧化。反應式如下：

從上述反應式可看出，金屬表面形成了Fe3O4后，阻擋了鐵和水汽的接觸，反應速度就取決于氫和鐵離子的擴散速度，隨著Fe3O4膜的增厚，擴散速度便隨著降低，氫的析出量就隨著降低。因此可根據氫的析出量變化，間接地檢測Fe3O4膜的形成 情況。

鐵氧化物和氫氣都是金屬在高溫高壓下的腐蝕產物，鐵氧化物絕大部分沉積在設備表面，而氫氣絕大部分溶解在水汽中，因此，測量溶解氫更有代表性。

隨著國內高參數大容量機組的不斷投入運行，電廠對機組熱力系統水汽品質及在線監測技術提出了更高要求，常規的監控技術已經不能滿足高參數大容量現代機組熱力系統腐蝕監測的技術要求，而溶解氫監測優點體現在以下方面：

（1）實時性。常規采用測量鐵離子濃度來表征設備腐蝕狀況，由于沒有在線鐵表，一般是實驗室定期采樣分析，做不到在線實時測量。而安裝的溶解氫表是在線儀表，能夠進行實時測量；

（2）準確性。通常化驗室采用分光光度法測量鐵離子濃度，此種方法5μg/L以下測量不準確；若采用離子色譜或者原子吸收法分析鐵離子濃度，分析方法繁瑣、對操作人員技能要求較高，一般電廠沒有配備這類設備。本項目安裝的在線溶解氫表測量精度達到±0.25μg/L，完全滿足痕量級測量的準確性要求；

（3）代表性。金屬腐蝕產生的鐵氧化物大部分沉積在管道內表面，能夠采樣到的只是水中的少部分鐵離子；而腐蝕產物氫氣幾乎都溶解在水汽中，因此監測水中的溶解氫氣含量更靈敏，更有代 表性。

1.2 溶解氫在線監測

1.2.1 傳感器原理

在線溶解氫分析儀采用經典的熱導法原理分析水汽中的溶解氫含量。熱導池組成惠斯頓電橋（如圖1所示），因為氫氣導熱系數更大，測量池電阻發生改變，檢測電橋的輸出信號，經CPU處理后得到水中的溶解氫含量。

圖1 惠斯頓電橋原理圖

1.2.2 儀器分析過程

被測水樣經恒壓穩流調整，以恒定的流量進入檢測器，通過運行文丘里管產生恒定的負壓，水樣中的溶解氫氣按恒定的比率從水中分離出來，擴散進入測量池，由于氫氣的傳熱，測量池熱敏電阻阻值發生變化，電橋輸出相應的毫伏值，此毫伏值經CPU的計算處理，儀表顯示水樣中的溶解氫含量數值。

1.2.3 儀器的工作原理

采用專利的水氣分離方法，氫氣按一定比例從水中分離出來后進入熱導檢測器，熱導檢測器為一惠斯通電橋，是由四個電阻組成的電路，在氫氣的作用下，測量臂電阻值發生改變，輸出電壓相應也發生變化（△R）；在一定條件下，輸出電壓V=k·△R ，△R正比于流經可變電阻的氫氣濃度CH2，CH2又正比于水中的溶解氫濃度DH2，由此可以推導出V=K·DH2，所以，CPU采集電橋輸出電壓進行處理后，即可直接顯示水中的溶解氫濃度。

1.2.4 保證測量準確而采取的技術措施

（1）采用專利技術保持氫氣從水中分離比率 恒定；

（2）采用高精度電橋，精準測量電阻的微小變化產生的電位信號；

（3）采用濕飽和空氣作為載氣，消除水中氧和濕度的干擾；

（4）熱導池恒溫，消除環境溫度變化的影響；

（5）儀表具有高精度的法拉第電解池，能夠實現在線校準。法拉第電解池能夠產生精準含量的痕量級氫氣濃度，作為儀表校準的標準。

2 溶解氫的監測

溶解氫在線儀表安裝在府谷電廠#2機組化學儀表間，實時測量過熱蒸汽中的痕量溶解氫含量。

2.1 啟動初期過熱器溶解氫曲線

#2機于2021年6月28日啟機，投運在線溶解氫儀表，2021年7月1日正常投運。過熱器預膜期間溶解氫監測趨勢如圖2所示，從圖2可見，機組啟動初期，由于更換了管道，蒸汽流通面被蒸汽腐蝕，水樣中溶解氫含量較高，隨著腐蝕的進行，在管道內表面逐漸形成氧化膜，隔絕了水汽與金屬的進一步反應，起到保護膜的作用，水樣中的溶解氫含量也逐步降低，當水樣中的溶解氫含量很低并長時間穩定時，可以認為保護膜已完整致密，預膜工作結束。

圖2 過熱器預膜趨勢圖（2021.07.01-2021.07.27）

2.2 工況對設備腐蝕的影響

2.2.1 預膜后pH值與溶解氫含量

預膜結束后，但pH值會影響保護膜的完整致密性，因此在機組運行中，應重視水汽pH值的調控，維持保護膜的“保護”功能。

表1是預膜一段時間后過熱器溶解氫含量及pH值的數據記錄，圖3是pH與溶解氫的曲線圖。從圖3可以很直觀看出，當pH值升高時，相應的溶解氫含量降低，當pH值降低時，溶解氫有上升趨勢，這種狀態表明，過熱器受熱面保護膜受到破壞；當保護膜修補完整后，pH值的升高和降低對水中的溶解氫含量幾乎沒有影響。

表1 預膜后過熱器溶解氫值

圖3 pH與H2關系圖

2.2.2 負荷-溶解氫

負荷的變化會引起燃燒工況變化、蒸汽流量的沖刷等，會導致保護膜的脫落，因此機組運行中應關注機組負荷變化時對過熱器保護膜的影響。

圖4所示機組負荷在250～600MW，給水溶解氫小于0.6μg/L并穩定，爐水溶解氫1～2μg/L，過熱器溶解氫1.0μg/L左右，再熱器溶解氫2.5～4.5μg/L，由此可見，負荷的變動與水汽中溶解氫相關性不大，說明給水系統、水冷壁、過熱器保護膜完整、致密；如果負荷變動引起水樣中溶解氫的升高，則表明保護膜被破壞，此時應提高給水、爐水pH，加快保護膜的修補。

圖4 負荷-溶解氫

2.2.3 過熱器溫度-過熱器溶解氫

圖5所示過熱蒸汽溫度530℃左右，變化不大，且未超溫，過熱蒸汽中溶解氫含量也相對穩定，基本上在2μg/L以下。從上圖可知，過熱蒸汽溫度不超溫情況下，對過熱器保護膜影響不大。

圖5 過熱T-過熱H2（2021.09.29～2021.09.30）

3 結語

在過熱器換管、機組啟動初期，受熱面預膜期間通過溶解氫的實時監督，能夠更直觀評價預膜效果。

在機組預膜完成后，通過過熱蒸汽溶解氫含量的實時監督，能夠判斷蒸汽流通面保護膜狀態，當溶解氫含量升高，表明保護膜被破壞，應及時提高水汽pH值，加速保護膜的修復。保護膜受pH、溫度、負荷的影響，在機組正常運行時，通過水中溶解氫含量的實時監督能夠及時指導設備的操作和水汽指標的調整。