浅谈超(超)临界机组给水处理方式的选择

杨春艳

(广州发展南沙电力有限公司，广东广州511400)

0 前言

随着我国电力工业的迅速发展，超(超)临界机组已逐步成为国内投运的主流机组。直流机组不像汽包锅炉可通过排污将杂质除去，随着系统压力和温度升高，进入锅炉主体的杂质被蒸汽携带至汽轮机，或沉积在锅炉炉管内，导致热力设备的腐蚀、结垢和积盐，另外，还会增加给水系统的阻力，增大给水泵的能耗，严重时还会迫使机组降负荷。因此，选择超(超)临界机组给水处理方式变得尤为重要，进而保证机组运行的水汽品质［1］。

1 现状

从目前投运的超(超)临界机组停机检修检查结果来看，由于水汽高温特性及给水处理方式不当等原因，造成过热器和再热器发生氧化皮剥落、爆管、锅炉受热面结垢速率高、汽轮机积盐和腐蚀等问题较为严重［2］，如图1 ～4 所示。

图1 某超临界机组过热器爆口

图2 某超临界机组过热器弯头处取出的氧化皮

图3 某超临界机组投运不到一年，氧化铁沉积

图4 某超超临界机组低压缸严重腐蚀

2 给水处理方式

2.1 给水全挥发性处理(AVT)

从常温到300℃左右的范围内，水与碳钢通过电化学反应生成氧化膜，由于阳极反应受到Schikorr反应的抑制，氧化膜由致密的内伸Fe3O4层和多孔、疏松的Fe3O4外延层构成，溶解度较高，因而导致给水系统铁含量较高。反应式如下:

在300～400℃高温区(化学反应与电化学反应的混合区)，水分子具有能量使二价铁氧化为三价铁，因此在省煤器的出口段到水冷壁的金属表面形成了内层薄而致密、外层也较为致密的四氧化三铁氧化膜。

在400℃以上，水或蒸汽直接与碳钢通过化学反应生成致密的氧化膜。

因此，在全挥发处理(AVT)条件下，中低温段钢铁的表面所形成的双层Fe3O4氧化膜(致密的内伸Fe3O4层和多孔、疏松的Fe3O4外延层)，在局部水流动条件恶化时，由于疏松的Fe3O4外延层不耐水流的冲击，这时给水系统的局部会发生流动加速腐蚀(FAC);同时由于生成的Fe3O4在中、低温条件下溶解度高、不稳定(在150℃时溶解度最高)，给水系统氧化膜释放出的微量铁离子会造成给水含铁量高及使下游热力设备发生氧化铁的污堵和沉积问题。

2.2 给水加氨加氧联合处理(CWT)

在给水联合处理(CWT)工况下，由于不断地向金属表面供氧，水的氧化还原电位(ORP)升高，氧化能力增强，在金属表面形成稳定的Fe3O4内伸层和Fe3O4晶粒组成的外延层。通过内层Fe3O4微孔扩散出来的Fe2+在孔内或在氧化膜表层发生氧化，生成Fe2O3或者水合三氧化二铁(FeOOH将陈化形成α-Fe2O3)，沉积在Fe3O4层的微孔或颗粒的空隙中，封闭了Fe3O4膜的孔口，降低了Fe2+扩散和氧化速度，其结果是在金属表面生成了致密稳定的双层保护膜，从而大大降低了铁的腐蚀溶出。

反应式如下:

3 两种给水处理方式的比较

3.1 AVT与CWT方式下沉积物比较

受热面沉积速率表达式:

式中:AFE—氧化铁垢的形成速度，mg/(cm2·q2);KFE—系数，5.7×10-14～8.3×10-14;SFEG—水中铁含量，mg/kg;q—炉管的局部热负荷，W/m2。

从公式(7)中可以看出，受热面沉积速率与局部热负荷、水中铁含量密切相关。对于采用AVT方式的机组，给水铁含量较高，铁达到饱和溶度积常数而发生沉积的部位提前至省煤器区域，致使省煤器管沉积速率较高;而对于采用CWT方式的机组，由于FAC得到极大的抑制，铁含量明显下降，在相同热负荷下，沉积速率明显下降，主要表现为省煤器沉积速率下降明显［3］。

3.2 AVT与CWT方式下pH控制

给水采用AVT时，其钢铁表面形成的氧化膜的质量不如CWT致密，pH的提高可以在一定程度上弥补这一缺点，如图5所示。在pH低于9.2时所形成的氧化膜质量较差，但会随着pH的升高而逐渐改善。当pH超过9.6以后，其改善效果也不明显。所以，无铜给水系统的机组，pH控制在9.2～9.6为宜;有铜给水系统的机组，pH控制在8.8～9.3 为宜［4-5］。

给水采用CWT时，由于表面生成的氧化膜致密，铁的溶出率极低，pH在较大的范围内其表面氧化膜的组成没有发生变化，其pH下限可以到7.0，上限可以达到10以上。在中性范围内的给水，缓冲性差，抗杂质的干扰能力弱，对安全运行不利。水的pH过高，会增加凝结水精处理的负担，对经济运行不利［6］。从安全和经济两方面考虑，给水的pH控制在8.0～9.0为宜［7］。

图5 300℃下铁-水体系电位-pH平衡图

3.3 不同给水处理方式的流动加速腐蚀(FAC)比较

在电厂实际运行中，不同给水处理方式下，流动加速腐蚀(FAC)情况如表1所示。

表1 不同给水处理方式的流动加速腐蚀比较表

3.4 不同给水处理方式的效果比较

不同给水处理方式的效果比较如表2所示。

表2 不同给水处理方式的效果比较

表3 浙能兰溪发电厂1～4号锅炉受热面垢沉积

3.5 应用实例

浙江浙能兰溪发电厂4×600MW超临界机组投产后均采用AVT方式运行，各台机组在连续运行1年后相继进行了首次A修，4台机组均存在沉积速率高、结垢量大的问题，有的已达到化学清洗标准，结垢数据见表3。

1#机组自168h后曾在AVT(R)状态下，运行10个月后转AVT(O)状态运行。1#机组在AVT(R)和AVT(O)两种处理方式下的给水铁离子含量如图6所示。

图6 两种处理方式下的给水铁离子含量

AVT(R)方式下，给水铁离子基本保持在5～10μg/L，而在AVT(O)方式下，给水铁离子均低于5μg/L，主蒸汽铁离子的含量也有类似结果。

2010年3月开始对4#机加氧处理，除氧器入口、省煤器入口给水、高加疏水等给水中的铁含量维持在很低水平，平均值小于0.5μg/L，表明给水系统、高加疏水系统已形成良好的保护性氧化膜［9］。

4 结论

(1)在AVT工况下，金属表面形成致密的内伸Fe3O4层和多孔、疏松的Fe3O4外延层，易被冲刷，造成给水含铁量较高，进而污堵热力设备。而在CWT工况下，金属表面形成稳定的Fe3O4内伸层和Fe2O3或者水合三氧化二铁表层，致密的保护膜大大减少了铁的溶出。

(2)在AVT工况下，给水铁含量较高，沉积物沉积速率高，而CWT工况，流动加速腐蚀得到了有效抑制，给水含铁量＜1μg/L，沉积物沉积速率低。

(3)当机组为无铜系统时，应优先选用AVT方式，如果给水氢电导率小于0.15uS/cm，且精处理系统运行正常，宜采用CWT方式。

［1］熊兴才.超临界机组给水加氧、加氨联合处理运行方式［J］.东北电力技术，2006，(2):12-14.

［2］黄兴德，周新雅，游喆，等.超(超)临界锅炉高温受热面蒸汽氧化皮的生长与剥落特性［J］.动力工程，2009，(6):602-608.

［3］朱志平，孙本达，李宇春.电站锅炉水化学工况及优化［M］.北京:中国电力出版社，2008:60-66.

［4］DL/T805.4-2004，火电厂汽水化学导则第4部分:锅炉给水处理［S］.

［5］GB/T12145-2008，火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量［S］.

［6］游喆，祝青，黄兴德.给水化学工况优化技术在超临界机组的应用［J］.华东电力，2010，(8):1255-1258.

［7］DL/T805.1-2002，火电厂汽水化学导则第1部分:直流锅炉给水加氧处理［S］.

［8］火电厂蒸汽通流部件高温氧化皮的影响与防治对策研讨会论文集［C］.中国电机工程学会火电分会，2002.

［9］楼新明，刘舟平，关玉芳.600MW超临界机组直流炉给水处理方式方法探讨［J］.浙江电力，2011，(2):42-45.