超临界火电机组水化学工况特性分析

黄　静

(广州粤能电力科技开发有限公司，广东　广州　510080)



超临界火电机组水化学工况特性分析

黄静

(广州粤能电力科技开发有限公司，广东广州510080)

对超临界机组的三种水工况进行了比较。从三种水工况条件下形成的保护性氧化膜特征分析，发现在氧化性水工况条件下，钢形成的保护膜耐水冲刷，OT(Oxygenated treatment)水工况下系统的结垢和积盐量大大减少，氧化皮在过热器、再热器的沉积少，延长了精处理运行周期，减少了凝结水中铁的含量，因此OT水工况是超临界锅炉最佳的水工况。机组在启动时，需要先进行AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment)水工况运行，再转化为OT水工况，以确保机组安全运行OT水工况。

水工况；AVT(R)；AVT(O)；OT

超临界火电机组是我国火电机组发展的趋势。发展超临界及超超临界火电机组，机组的参数等级及容量等级是超临界机组进一步发展需要探讨的问题[1]。蒸汽参数的提高，机组的效率增大，对蒸汽品质的要求越高，对给水要求的品质也越高[2]。影响蒸汽品质主要有炉管表面状态、给水品质等，而不同水工况可以减轻炉管表面状态的劣化，提高给水品质。超临界给水处理方式有三种，分别是AVT(R)、AVT(O)、OT。这三种给水处理方式各自存在优缺点。

1　超临界给水处理方式的优化

1.1三种水工况简介

AVT(R)(Reducing all-volatile treatment)是指采用氨和除氧剂(如N2H4)联合处理，此时给水的氧化还原电位(ORP)通常<-200 mV，适用于水汽系统严密的有铜系统。氨具有较强的挥发性，随着炉管升温和炉水浓缩，氨逐渐挥发，并被蒸汽携带，因此不会局部浓缩为浓碱造成碱蚀，不会使炉水的含盐量增加；不会出现盐类隐藏现象[3]。在AVT(R)水工况下，给水系统的局部在水流条件恶化时易发生流动加速腐蚀(FAC)，加速锅炉腐蚀和结垢的速率[4]。AVT(R)水处理工况下的锅炉在首年的水冷壁结垢速率要大于正常运行，且汽轮机积盐现象明显，盐类成分复杂，其中Fe、Cu、Na、Mn的盐垢主要源于运行期，P、Ca等成分杂质源于基建期。

AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment)是只加氨但不加除氧剂，氧化还原电位在0～+80 mV左右，适用于水汽系统严密的高纯给水系统。在氧化性水工况环境下，钢铁的表面易形成和维持一层致密的更耐蚀的Fe2O3/Fe3O4氧化膜，以此减轻金属的腐蚀速度[5]。AVT(O)处理时，机组负荷变化对水汽品质没有明显的影响。

OT(Oxygenated treatment)，此时加氨和氧，氧化还原电位通常>+100 mV[6]，适用于水汽系统严密，具备加氧条件的高纯给水全铁系合金系统。OT工况减少了系统的腐蚀产物迁移，降低了锅炉的压损，延长了凝结水精处理的运行周期，延长了锅炉的化学清洗周期，减轻了凝汽器中铜的腐蚀。采用OT水工况时，钢表面会形成致密的α-Fe2O3，FeOOH，将充填外层的Fe3O4的间隙并覆盖在其表面上，耐水流的冲击[6]。

1.2三种水工况的对比

我国超临界机组最初给水处理方式都采用AVT水工况，在AVT工况下机组运行时不同程度的出现了这些问题：给水中铁浓度较高；锅炉炉管的结垢速率快；锅炉的运行压差上升速度快；锅炉清洗频率高；部分水相的节流调节阀结垢严重，难调节；由于流动加速腐蚀导致高压加热器和省煤器管发生破损引起泄漏；汽机易结垢、结盐；凝结水精处理再生频率高等。将三种水工况的对比如下[3,7]：

(1)化学清洗间隔：AVT(R)每年进行两次化学清洗；加氧后，4年无需进行化学清洗；

(2)氨蚀：AVT(R)水汽系统中含铜部件易出现氨蚀，AVT(O)和OT较难出现氨蚀；

(3)给水氢电导率：AVT(O)小于AVT(R)；

(4)饱和蒸汽氢电导率：AVT(O)与AVT(R)相当；

(5)炉水中铁含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(6)饱和蒸汽中铁含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(7)给水中铁含量：AVT(O)小于AVT(R)；

(8)省煤器管内垢量：基本相同；

(9)水冷壁管内垢量：AVT(O)小于AVT(R)；

(10)结垢成分： AVT(R)水工况的还原性较强，OT水工况的氧化性较强，AVT(O)水工况处于两者之间。因此AVT(R)条件下钢铁表面形成的氧化物为致密性较差的磁性铁垢，且氧化物中Fe2+产物具有一定的溶解度；在OT工况下氧化铁化合物(FeOOH)在金属表面及其内部的细孔覆盖及填充，形成致密的磁性铁垢且溶解度低；AVT(O)工况下金属表面的磁性铁垢致密性介于两者之间；

(11)水冷壁管状态：AVT(R)氧化膜呈波纹状，AVT(O)管壁平滑。

从上述的对比来看，OT水工况是最佳的水处理方式，AVT(O)次之，而AVT(R)水工况相对其他两种水工况，产生的腐蚀和结垢要多。超临界机组对水的纯度要求高，采用加氧处理，氧在高纯度水中可以将金属材料钝化，降低了给水中铁含量并抑制了炉前系统(特别是锅炉省煤器人口管和高压加热器管的流动加速情况下)腐蚀(flow accelerated corrosion，简称FAC)，降低水冷壁管氧化铁的沉积速率和延长化学清洗周期[8]。

1.3AVT水工况转换成OT水工况的优势

将AVT改成OT处理后，能将给水指标控制在非常好的范围内，系统的铁含量将有一定幅度的下降；OT水工况解决了AVT水工况下节流孔被磁性Fe3O4堵塞的问题，机组在正常检修时不需要进行特别清理；采用OT后，省煤器管和水冷壁管的结垢速率大大的下降，锅炉化学清洗周期可延长至10年以上；AVT工况运行时的锅炉的压差上升速率较快，采用OT运行后压差随着锅炉持续运行时间的延长逐渐降低，在接近锅炉的设计运行压差时逐渐趋于稳定；OT工况下，给水pH值控制在8.5左右，给水中氨含量在60 μg/L左右，可提高凝结水精处理混床的工作环境，也降低了混床中阳树脂的负担，使混床的处理效果提高并其使其运行周期延长了3～7倍。

在AVT(R)水工况条件下，由Fe3O4内层和疏松多孔的Fe3O4外延层构成的双层Fe3O4氧化膜在钢铁表面形成。当局部水流动条件恶化时，由于疏松的外延层不耐水冲击，脱落后形成氧化皮，导致管道的故障。AVT(O)水工况下，钢铁的表面易形成和维持一层致密的更耐蚀的不易脱落的Fe2O3/Fe3O4氧化膜，减缓了金属的腐蚀速度[9]。OT水工况时，钢铁表面会形成致密的α-Fe2O3，FeOOH，将充填外层的Fe3O4的间隙并覆盖在其表面上。

1.4机组给水处理方式的优化

国内外超临界机组的运行经验告诉我们，OT是超临界机组的最佳水处理方式。直流锅炉采用OT能有效地防止给水系统水流加速腐蚀(FAC)、减少锅炉受热面结垢，延长锅炉化学清洗周期。机组在运行初期，一般不具备实施加氧处理(OT)的条件，若采用氨+联氨的还原性全挥发处理(即AVT(R))，会出现给水含铁量偏高的现象。而AVT(O)处理时给水含铁量远低于AVT(R)处理时的含量，因此可将AVT(O)作为这一过渡阶段的给水处理方式，以弥补还原性处理的不足。

1.5给水加氧条件

给水加氧首要条件为：全铁系合金系统，已酸洗或水冷壁结垢量小于200 g/m2；精处理后的凝结水，在精处理混床出口的电导率小于0.15 μS/cm，省煤器入口给水氢电导率小于0.15 μS/cm。此外两种不同的加氧处理也存在的差别。

(1)AVT(O)处理的水质控制

① pH值的控制：给水pH值越高，磁性氧化铁垢的溶解度越低，因此pH控制在9.0～9.6；

② 氢电导率的控制：严格控制小于0.2 μS/cm，最好小于0.15 μS/cm；

③ 氧含量的控制：省煤器入口的氧含量≤10 μg/L。

(2)OT处理时水汽质量标准

OT处理时，水汽质量要求的标准[10]如表1所示。

表1　OT水处理水汽质量标准Table 1　qualitative criteria of water and steam for Water treatmen

为防止水质恶化，系统中的氧将导致腐蚀加剧，需要随时在线监测水汽质量。

1.6机组加氧期间的设备运行与监督

机组加氧运行期间，运行和监督主要是控制氢电导率和氧浓度[8]：

(1)氢电导率的控制

给水的氢电导率是限制 AVT(O)转化为OT水工况的最重要因素。在加氧的初期，机组的给水指标控制在AVT水工况的范围内，机组的化学水工况稳定(即给水的氢电导率恢复到小于0.15 μS/cm)后将给水的pH由9.2～9.6逐步降低至8.5～9.0。

(2)氧浓度的控制

系统氧质量浓度可以依据省煤器进口水的氢电导率进行的控制。在转换初始，可以加大氧的投入量，控制在0.15～0.3 mg/L。在转化的过程中，给水的氢电导率大于0.15 μS/cm时应该降低氧的注入浓度；直到氢电导率低于这个限值时，方可以继续增加氧的注入浓度。

1.7故障处理

因OT水工况对水质要求很严格，在运行过程中，水质因泄露、腐蚀、水质不格等原因都会造成腐蚀加剧，因此需要采取应对措施。水质异常时的处理措施如表2所示。

表2　水质异常时处理措施Table 2　treatment measures for abnormal water quality

2　结　论

氧化性水工况条件下，钢在超临界条件下形成的保护膜耐水冲刷，减少了FAC的发生，OT水工况对水质的严格要求使系统的结垢和积盐量大大减少，氧化皮的沉积减少，延长了精处理运行周期，减少了凝结水中铁的含量，因此OT水工况是超临界锅炉最佳的水工况。机组在启动时，需要先进行AVT(O)水工况运行，再转化为OT水工况，以确保机组安全运行OT水工况，OT水工况条件下需要实时监测系统的水汽指标，防止水汽不合格而加速系统的腐蚀。

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Water Operation Conditions Characterization Analysis of Supercritical Thermal Power Plant

HUANG Jing

(Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510080, China)

Three water operation conditions in supercritical power plant were compared in this work. The protective oxide film characterizations at each of the three water operation conditions were analyzed. The results showed that the protective film on steel was water-erosion-resistant in supercritical condition at oxidizing operation conditions, OT (Oxygenated treatment) condition had so strict water quality requirement that fouling and salt deposition in system were greatly reduced, oxide scale in superheater and repeater deposition rate was decreased, the condensate polishing system running cycle was prolonged, the iron content in condensed water was reduced. So OT condition was optimal condition for supercritical boiler. When startup, AVT(O)(Oxidizing all-volatile treatment) operation condition was the first operated condition and then should be transformed with OT condition, to ensure the safe operation of boiler.

water operation conditions; AVT(R); AVT(O); OT

黄静(1986-)，女，硕士，主要从事电力环境保护工作。

TM621.8

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1001-9677(2016)09-0160-03