基于数据挖掘技术的国内锅炉化学水工况选择

石荣雪，张适宜，张胜寒（华北电力大学环境科学与工程学院，河北 保定 07000；华北电力大学电气与电子工程学院，北京 006）

随着经济的发展，国民生活水平的提高，国家对电力的需求越来越大。面对各种复杂情况，我国克服种种困难，发电设备装机容量稳步增长，压力等级从亚临界向超临界、超超临界发展[1]。截至2014年底，我国发电装机容量136019 万千瓦，同比增长8.7%。其中火电机组为91569 万千瓦（含煤电82524 万千瓦、气电5567 万千瓦），占全部装机容量的67.4%。并且，在所有火电机组中，燃煤机组高达91.12%，稳居我国发电行业的主导地位[2-4]。然而，燃煤电厂汽水系统的工作环境大多处于高温高压环境，因此，在此环境下的汽水系统面临苛刻的腐蚀环境，为保证机组的正常运行，对锅炉的水汽质量有严格要求，机组蒸汽参数越高，水汽质量标准越严格[5]。为了防止因锅炉水质不良引起的故障，提高锅炉安全运行效率，选择合适的锅炉水化学工况成为关键[6-9]。然而，在众多锅炉水工况中，针对某类型机组，究竟哪种水工况更适合，依然存在争议。汪岚等[10-17]指出，为了保证蒸汽品质，预防汽轮机积盐，建议采取磷酸盐处理。马玉萍等[18-25]认为氢氧化钠处理可以提高锅炉水缓冲性和pH值稳定性，防止氯离子对氧化膜的破坏。王国蓉等[26-32]通过实际应用，指出氧化性全挥发处理可以降低水汽系统铁含量。茅玉林等[33-49]提出加氧处理在抑制锅炉压差上升，延长锅炉化学清洗周期和降低水处理药剂消耗等诸多方面占优势。然而，以上均是针对各自电厂进行研究，各有各的道理，没有提出一个具有普遍适用性的结论。DANIELS等[50-51]指出，国外也存在同样的问题，寻找一个较合适的给水处理方式迫在眉睫。目前，国内对于综合分析各化学水工况，解决化学水工况选择方面问题的文章还很欠缺。本文即通过文献数据挖掘的方法，研究各锅炉水化学工况的实际运行情况，对常用锅炉机组提出了最佳锅炉水处理方法。虽然实地调查结果比较全面，但耗时耗力，完成起来比较有困难，相比而言，文献调查的方法具有可操作性。并且，数据库中各文献经原作者深思熟虑，对事故原因的分析更深入、更准确，结论更可靠。该研究对解决由于锅炉水工况选取不当而产生的事故具有指导意义，工程上也具有一定的参考价值。



基于数据挖掘技术的国内锅炉化学水工况选择

石荣雪1，张适宜2，张胜寒1
（1华北电力大学环境科学与工程学院，河北 保定 071000；2华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

摘要：通过对文献进行数据挖掘，归纳因锅炉化学水工况选取不当而造成事故情况，确定了一些常见锅炉机组

议采取平衡磷酸盐处理（equilibrium phosphate treatment，EPT）；对于机组功率在200～600MW（不含200MW）

范围内的亚临界直流炉，建议采取给水加氧处理（oxygenated treatment，OT）；对于机组功率在600～1000MW

（不含600MW）范围内的超临界以及超超临界直流炉，建议采取给水加氧处理（OT）。

关键词：数据挖掘；火电厂；化学水工况；汽包锅炉；平衡磷酸盐处理；直流炉；加氧处理

phosphate treatment（EPT）；once-through boilers；oxygenated treatment(OT)

随着经济的发展，国民生活水平的提高，国家对电力的需求越来越大。面对各种复杂情况，我国克服种种困难，发电设备装机容量稳步增长，压力等级从亚临界向超临界、超超临界发展[1]。截至2014年底，我国发电装机容量136019 万千瓦，同比增长8.7%。其中火电机组为91569 万千瓦（含煤电82524 万千瓦、气电5567 万千瓦），占全部装机容量的67.4%。并且，在所有火电机组中，燃煤机组高达91.12%，稳居我国发电行业的主导地位[2-4]。然而，燃煤电厂汽水系统的工作环境大多处于高温高压环境，因此，在此环境下的汽水系统面临苛刻的腐蚀环境，为保证机组的正常运行，对锅炉的水汽质量有严格要求，机组蒸汽参数越高，水汽质量标准越严格[5]。为了防止因锅炉水质不良引起的故障，提高锅炉安全运行效率，选择合适的锅炉水化学工况成为关键[6-9]。然而，在众多锅炉水工况中，针对某类型机组，究竟哪种水工况更适合，依然存在争议。汪岚等[10-17]指出，为了保证蒸汽品质，预防汽轮机积盐，建议采取磷酸盐处理。马玉萍等[18-25]认为氢氧化钠处理可以提高锅炉水缓冲性和pH值稳定性，防止氯离子对氧化膜的破坏。王国蓉等[26-32]通过实际应用，指出氧化性全挥发处理可以降低水汽系统铁含量。茅玉林等[33-49]提出加氧处理在抑制锅炉压差上升，延长锅炉化学清洗周期和降低水处理药剂消耗等诸多方面占优势。然而，以上均是针对各自电厂进行研究，各有各的道理，没有提出一个具有普遍适用性的结论。DANIELS等[50-51]指出，国外也存在同样的问题，寻找一个较合适的给水处理方式迫在眉睫。目前，国内对于综合分析各化学水工况，解决化学水工况选择方面问题的文章还很欠缺。本文即通过文献数据挖掘的方法，研究各锅炉水化学工况的实际运行情况，对常用锅炉机组提出了最佳锅炉水处理方法。虽然实地调查结果比较全面，但耗时耗力，完成起来比较有困难，相比而言，文献调查的方法具有可操作性。并且，数据库中各文献经原作者深思熟虑，对事故原因的分析更深入、更准确，结论更可靠。该研究对解决由于锅炉水工况选取不当而产生的事故具有指导意义，工程上也具有一定的参考价值。

第一作者：石荣雪（1989—），女，博士研究生。E-mail srxdyx1234@ 163.com。联系人：张胜寒，教授，研究方向为金属腐蚀与防护。E-mail zhang-shenghan@163.com。

1 研究方法

本文采用文献调查的方法，利用文献数据库，进行大数据分析，研究了近五年来已发表的国内文献中火电厂锅炉水化学工况的实际应用情况以及反馈情况。

具体的文献搜索方法是选定数据库后，在全文范围内进行关键词检索。选用的数据库为CNKI中国知网、万方数据资源系统（综合平台）、万方（期刊全文）、万方（学位论文全文）和维普数据库。检索词依次为：炉水*锅炉*工况，锅炉水化学工况，锅炉*给水处理，锅炉*水化学工况，磷酸盐处理（PT），氢氧化钠处理（CT），全挥发处理（AVT）和加氧处理（OT）等。时间范围是：2010.01.01—2015.07.10。最终选定符合要求的文章103篇。对这103篇文章进行分析，由于文献中调整为新的化学水工况后问题得到了解决，因此，定义事故发生时的水工况为不适合的水工况，调整后的水工况为建议采取的水工况。统计不适合的水工况类别以及建议采取的水工况类别。从炉型、压力、机组功率3个方面分别确定最佳锅炉水工况。

2 研究结果及讨论

2.1 锅炉水工况理论分析

水化学工况也称为水规范，是指锅炉的给水与炉水处理方式及所维持的主要水质指标。目前水工况主要分为两大类：还原性水工况和氧化性水工况。其中，还原性水工况又包括全挥发处理（all-volatile treatment，AVT）、加磷处理、氢氧化钠处理（caustic treatment，CT）和低氢氧化钠低磷酸盐处理（low caustic treatment + low phosphate treatment，LCT + LPT）；氧化性水工况即加氧处理（OT）。进一步细分，全挥发处理（AVT）又分为还原性全挥发处理[all-volatile treatment (reduction)，AVT(R)]和氧化性全挥发处理[all-volatile treatment (oxidation)，AVT(O)]；加磷处理分为普通磷酸盐处理（phosphate treatment，PT），协调pH-磷酸盐处理（coordinate pH-phosphate treatment，CPT），平衡磷酸盐处理（EPT）和低磷酸盐处理（low phosphate treatment，LPT）。综上所述，目前常见的锅炉水工况共有9种。每种水工况的原理分别列举如下。

（1）还原性全挥发处理[AVT(R)] 通过热力除氧和加除氧剂进行化学辅助除氧。锅炉给水加氨和联氨，炉水不再加任何药剂的处理[52]。其优点为不向锅炉中加入任何固体药剂，不存在浓缩、蒸干、隐藏等现象。并且，给水含铜量及汽轮机铜垢沉积量较低，然而，其给水含铁量及省煤器和水冷壁管结垢速率较高，容易发生给水和湿蒸汽系统流动加速腐蚀，炉水缓冲性能小[53]。

（2）氧化性全挥发处理[AVT(O)] 通过热力除氧，但不加除氧剂进行化学辅助除氧。锅炉给水加氨，炉水不加任何药剂的处理[54]。优点也是不存在浓缩、蒸干、隐藏等现象，相对于AVT(R)来说，其给水含铁量及省煤器和水冷壁管的结垢速率均有所降低，然而，其给水含铜量及汽轮机铜垢沉积量却升高[55]，炉水缓冲性能也较小。

（3）普通磷酸盐处理（PT） 为了防止炉内生成钙、镁水垢和减少水冷壁管腐蚀，向炉水中加入适量Na3PO4的处理[56]。其优点是可消除炉水中的硬度，提高水的缓冲能力，还能改善蒸汽品质、改善汽轮机沉积物的化学性质和减缓汽轮机腐蚀。但如果蒸汽带水，则其中会携带大量的炉水盐分，磷酸盐在蒸汽中溶解携带，发生磷酸盐暂时消失现象。

（4）协调磷酸盐处理（CPT） 除向汽包内添加Na3PO4外，还添加其他适当的药品，使锅炉水既有足够高的pH值和维持一定的PO43−含量，又不含有游离NaOH的处理[57]。优点是减小水冷壁管的碱性腐蚀。缺点为炉管沉积率较大，易溶盐与管壁上其他沉积物发生反应，生成复杂难溶水垢，加剧腐蚀。

（5）平衡磷酸盐处理（EPT） 维持炉水中Na3PO4含量低于发生磷酸盐隐藏现象的临界值，同时允许炉水中含有不超过1mg/L游离氢氧化钠，以防止水冷壁管发生酸性磷酸盐腐蚀以及防止炉内生成钙镁水垢的处理[50]。其优点为：炉水pH值稳定，化学加药量与排污量减少，蒸汽品质提高，锅炉更干净，所需清洗次数减少。缺点有：要兼顾pH值、PO43−、钠磷比R值、电导率，控制较麻烦。

（6）低磷酸盐处理（LPT） 为了防止炉内生成钙镁水垢和减少水冷壁管腐蚀，向炉水中加入少量Na3PO4的处理[58]。优点为：炉水的缓冲性大，适应性强，炉管沉积物较少。缺点为：炉水pH值调节效果不理想，给水加氨过多，会对后续环节造成很多不利影响。

（7）氢氧化钠处理（CT） 为了防止锅炉腐蚀，向炉水中加入适量的氢氧化钠，在溶液中保持适量的OH−，抑制因炉水中氯离子、机械力和热应力对氧化膜的破坏作用的处理[59]。其优点为：降低了水冷壁酸性腐蚀的风险，允许炉水有较高浓度的氯化物，可减缓水冷壁的结垢现象。缺点为：不能消除炉水中的硬度成分，可能发生苛性脆化，对给水水质要求严格。

（8）低氢氧化钠低磷酸盐处理（LCT+LPT）

将Na3PO4和 NaOH按比例配成混合溶液，通过磷酸盐加药装置进行炉水加药，目的是在保持一定磷酸根浓度的情况下，略微降低给水pH值，提高炉水pH值至期望值范围内[60]。优点为：具有防水垢能力，加药量减少，蒸汽品质提高，有利于精处理床体运行周期。缺点有：对给水品质要求较高，即必须满足以二级除盐水作为锅炉补给水、机组配置凝结水精处理系统等条件。

（9）加氧处理（OT）：除向给水中添加过氧化氢（H2O2）或纯氧（O2）外，还添加氨调节pH值的处理[50]。其优点突出体现在，锅炉的腐蚀速度下降，降低了锅炉和给水加热器的压降，提高了锅炉运行的安全性，延长了锅炉清洗的间隔时间，使给水系统的低温部分得到保护。然而，其对水工况的要求较高，要求系统配置凝结水精处理设备，给水电导率应小于0.15μS/cm，Cl−<0.1mg/L，pH值控制在7.3～8.0。系统除凝汽器外无铜合金材料的设备。一些老式的电厂很难达到这些要求，因此，需要综合考虑。

2.2 锅炉水工况失效类型以及建议采取的水工况类型

通过查阅近五年内锅炉由于化学水工况选取不当、发生腐蚀、积盐结垢、爆管等事故方面的文献，总结归纳了造成事故的化学水工况排名以及针对问题建议采取的化学水工况排名，结果如图1、图2所示。

图1 不同锅炉水工况的事故率比较

图2 建议采取的锅炉水工况排名

图1显示，由于化学水工况选取不当引起的锅炉事故中，几乎有一半是由AVT(R)造成的。分析认为，一方面，碳钢表面形成磁性Fe3O4保护膜，该保护膜在高温水中溶解度较高，易造成碳钢材质的高压加热器、给水管、省煤器以及输水系统等的流动加速腐蚀（FAC）；另一方面，还存在给水和疏水的含铁量较高、锅炉受热面结垢速率偏高、锅炉化学清洗周期缩短、炉水缓冲性能小等问题[61]。目前采用AVT(R)的机组应引起重视。

图2显示，排名比较靠前的几种建议采取的锅炉水工况也恰好是上述图1中发生事故情况排名比较靠后的，进一步验证了统计的合理性。其中LCT+LPT在图1 发生事故的水工况统计中没有出现，说明采用该处理方式的机组较少，或者该锅炉水处理方法造成的事故比较少，几乎为零。对于AVT(O)，其在事故发生率中排名第二，而在建议采用的锅炉水工况中竟然也排名第二，这跟原工况有关，如原工况为AVT(R)，改为AVT(O)是最容易想到的选择，当AVT(O)出现问题后，再考虑OT。对于这种情况，本统计中在建议采取的水工况中，AVT(O)也有统计，于是造成了上面这种矛盾。据不完全统计，从AVT(R)转换为AVT(O)，又转换为OT的机组占所有OT机组的30%左右。详细内容将在后续研究中展开讨论。因此，综合考虑，AVT(O)应该为不建议采取的水工况。

综上可知，全国范围内，综合评价比较好的锅炉水工况为：给水加氧处理（OT），炉水平衡磷酸盐处理（EPT），炉水氢氧化钠处理（CT），炉水低氢氧化钠低磷酸盐处理（LCT+LPT）。综合评价较差的有：给水还原性全挥发处理[AVT(R)]，炉水低磷酸盐处理（LPT），炉水普通磷酸盐处理（PT），炉水协调磷酸盐处理（CPT），给水氧化性全挥发处理[AVT(O)]。

2.3 不同炉型的锅炉水工况分析

目前较为常见的两种炉型为汽包锅炉和直流炉。因此，分别对这两种炉型的水工况进行分析。

2.3.1 汽包锅炉水工况分析

选取由于水工况选取不当引起锅炉事故的文献中炉型为汽包锅炉的文献进行统计分析，结果分别如图3、图4所示。

图3 不同汽包锅炉水工况的事故率比较

图4 建议采取的汽包锅炉水工况排名

综合分析图3和图4，可以得出比较适合汽包锅炉的水工况依次为EPT、CT、AVT(O)、OT和LCT+LPT；比较不适合应用于汽包锅炉的水工况依次为AVT(R)、PT、LPT和CPT。另外，汽包炉虽然对给水的品质进行了严格的质量控制，但给水中微量溶解盐类、悬浮物、胶体以及溶解气体等各种杂质进入锅炉后，经高温、高压蒸发，炉水不断浓缩，某些杂质浓度可达到给水的50～300倍。有必要进行除垢等处理，这方面磷酸盐处理最好，同时，需要保证饱和蒸汽中钠含量不可超标[62]。单从图3来看，EPT造成汽包锅炉事故比较少，可能是采用该水工况的机组比较少，并不能代表其效果好，但结合图4，建议采取EPT的比例最多，综上，汽包锅炉的最适水工况为炉水平衡磷酸盐处理（EPT）。2.3.2 直流锅炉水工况分析

选取由于水工况选取不当引起锅炉事故的文献中炉型为直流炉的文献进行统计分析，结果分别如图5、图6所示。

图5和图6显示，全国范围内，应用于直流炉的水处理方式只有OT、AVT(O)和AVT(R)。结果显示，最适合直流炉的水处理方式为加氧处理(OT)。

图5 不同直流炉水工况的事故率比较

图6 建议采取的直流炉水工况排名

2.4 不同压力的锅炉水工况分析

锅炉按照主蒸汽压力不同，又可分为超超临界锅炉、超临界锅炉、亚临界锅炉以及超高压以内的锅炉。下面就是从这4个方面对锅炉水工况进行统计分析。

2.4.1 超超临界锅炉水工况分析

随着节能减排的需要，我国使用的高参数、大容量机组越来越多[63]。超超临界机组以其较高的可靠性、运行灵活性和机组寿命等特点已经越来越受到人们的关注。和亚临界机组相比，其具有显著的节能和改善环境的效果[64-65]。因此，近年来，超超临界机组已经被确定为我国火电机组的主要发展方向。研究其锅炉水工况具有重要意义。图7和图8给出了超超临界锅炉水工况分类情况。

图7和图8显示超超临界机组的最适化学水工况为OT。由于超超临界机组一般都为直流炉，该结果也与直流炉的结果一致。因此，得出结论，超超临界直流炉的最适化学水工况为加氧处理（OT）。

2.4.2 超临界锅炉水工况分析

图7 不同超超临界机组锅炉水工况的事故率比较

图8 建议采取的超超临界机组化学水工况排名

图9 不同超临界机组锅炉水工况的事故率比较

图10 建议采取的超临界机组化学水工况排名

图9显示，由化学水工况选取不当引起的事故中，有一半以上是由AVT(R)引起的，AVT(R)是为高压系统开发出来的，只要仔细监测和紧密遵循有关原则，在高压范围内应用，问题不大，但在超临界机组上使用时，一些弊端就会凸显出来。综合分析图9、图10得出，超临界机组的最适化学水工况为OT。而超临界机组一般也都为直流炉，因此总结得出，超临界直流炉的最适化学水工况为加氧处理（OT）。

2.4.3 亚临界锅炉水工况分析

由于亚临界机组既有汽包锅炉，又有直流炉，因此分开来讨论。图11和图12展示了亚临界汽包炉的水工况情况。其中CPT可能是在亚临界机组中采用的比较少，所阅读文献中也比较少，因此，在以上两图中排名都比较靠后，CPT还有待进一步研究。综合分析，比较适合亚临界汽包炉的化学水工况为平衡磷酸盐处理（EPT）。

图11 不同亚临界机组汽包锅炉水工况的事故率比较

图12 建议采取的亚临界汽包机组化学水工况排名

图13 不同亚临界机组直流锅炉水工况的事故率比较

图14 建议采取的亚临界直流机组化学水工况排名

图13、图14显示，对于亚临界直流炉，由化学水工况选取不当引起的锅炉事件中，大约三分之二都是由AVT(R)引起的，而大约五分之四的机组改用OT处理后，情况好转。综上，对于亚临界直流炉的水工况OT为首选。

2.4.4 超高压以内的锅炉水工况分析

图15和图16是对于主蒸汽压力比较低的在超高压以内的机组，其比较适合的化学水工况为EPT，比较不适合的化学水工况为PT、CPT。综合分析两图不难发现，超高压以内锅炉的最适水工况为平衡磷酸盐处理（EPT）。

图15 超高压以内机组锅炉水工况的事故率比较

图16 建议采取的压力在超高压以内机组化学水工况排名

2.5 不同机组功率的锅炉水工况分析

2.5.1 机组功率在0～200MW范围内的锅炉水工况分析

0～200MW功率范围内机组一般压力也都在超高压范围内，该段统计结果比较分散，说明该功率范围内的机组比较少。这是由于国家为了提高发电效率，降低煤耗，实行拆除小机组的政策，大容量、高参数、高效率、低排放逐渐成为火电设备发展的主流，小机组的数量较小，报道的文献也较少。总体分析，平衡磷酸盐处理（EPT）比较适合于0～200MW功率范围内机组。

2.5.2 机组功率在200～600MW（不含200MW）范围内的锅炉水工况分析

通过图19和图20可以看出，PT在这两个表中所占的比例均比较小，可能是该功率范围机组采用PT的比较少，这有待进一步研究。而给水AVT(O)的情况同前面2.2节所述。综上所述，200～600MW（不含200MW）功率范围内机组的最适化学水工况为给水加氧处理（OT）。

图17 0～200MW功率范围内机组锅炉水工况的事故率比较

图18 建议采取的0～200MW功率范围内机组化学水工况排名

图19 200～600MW（不含200MW）功率范围内机组锅炉水工况的事故率比较

图20 建议采取的200～600MW（不含200MW）功率范围内机组化学水工况排名

2.5.3 机组功率在600～1000MW（不含600MW）范围内的锅炉水工况分析

图21中LPT事故率低的原因为该范围内几乎都是直流炉，采用LPT的机组比较少。综合图21、图22可以得出，600～1000MW（不含600MW）功率范围内机组的最适化学水工况为给水OT。该结果与超超临界直流炉、超临界直流炉的结果均一致。因此，600～1000MW（不含600MW）功率范围内的超超临界、超临界直流炉的最适化学水工况为加氧处理（OT）。

图21 600～1000MW（不含600MW）功率范围内机组锅炉水工况的事故率比较

图22 建议采取的600～1000MW（不含600MW）功率范围内机组化学水工况排名

3 结 论

通过综合分析机组功率范围、压力、炉型三方面的结果，确定了几种常见机组的最佳化学水工况。结果如下所述。

（1）对于机组功率在0～200MW范围内，主蒸汽压力小于等于超高压范围的汽包锅炉，建议采取平衡磷酸盐处理（EPT）。

（2）对于机组功率在200～600MW（不含200MW）范围内的亚临界直流炉，建议采取给水加氧处理（OT）。

（3）对于机组功率在600～1000MW（不含600MW）范围内的超临界以及超超临界直流炉，建议采取给水加氧处理（OT）。

参 考 文 献

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综述与专论

Selection of the chemical water condition in domestic power plant boiler by data exploitation

SHI Rongxue1，ZHANG Shiyi2，ZHANG Shenghan1
（1Department of Environment Science and Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，Hebei，China；2School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Abstract：Through the method of literature data exploitation，this paper summarized the power plant accident caused by the inappropriate chemical water treatment and also summarized the advised chemical water treatment. After analyzing the data，the most suitable chemical water condition was chosen for the common unit. Firstly，for the drum boilers with a unit range of 0—200MW and main steam pressure below 15.7MPa，the advised condition is equilibrium phosphate treatment(EPT). Secondly，for the subcritical once-through boilers with a unit range of 200—600MW(excluding 200MW)，the advised condition is oxygenated treatment(OT). Thirdly，for the supercritical and ultra-supercritical once-through boilers with a unit range of 600—1000MW（excluding 600MW），the advised condition is oxygenated treatment(OT).

Key words：data exploitation；power plant；chemical water condition；drum boiler；equilibrium

收稿日期：2015-09-22；修改稿日期：2015-11-15。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.003

中图分类号：TK 223.5

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）03–0671–08

的最适化学水工况：对于机组功率在0～200MW范围内、主蒸汽压力≤15.7MPa（超高压范围）的汽包锅炉，建