联合循环余热机组停/备用腐蚀防护技术综述

冯礼奎，楼华栋，赖建忠

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.华电浙江龙游热电有限公司，浙江 龙游 324400；3.杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015）

0 引言

热力设备的腐蚀会使金属表面遭到破坏，减损设备寿命，加剧热力设备受热面结垢和运行腐蚀现象，影响热力系统安全性和经济性。由于停运时设备内部氧的浓度大，在没有采取有效防腐蚀措施的情况下，腐蚀严重程度要远高于运行阶段的腐蚀[1-2]，对于经常停运或停运时间较长的热力设备，停运期间的腐蚀防护工作必须高度重视。

1 余热机组停/备用腐蚀现状

燃气-蒸汽联合循环发电机组（简称燃机）因清洁、高效、调度灵活等优势，近十年来在我国京津、华东、华南等电力负荷集中地区发展较快，2016年底全国燃机装机规模已超过7 000万kW。受天然气资源禀赋制约，我国天然气电站普遍面临气源供应无保障、发电成本高的问题，目前主要承担电网调峰调频功能，除少数重点保障区域燃机能做到连续运行，大部分机组主要作为备用电源使用，且以冷备用为主，总体上停多开少[3-5]。以浙江省为例，2015年和2016年燃机年均发电利用小时数在1 300 h左右，年均停备用时间超过7 000 h，其中冷备用时间超过5 000 h。燃机这种停多开少的局面不仅使机组经济性相当差，还带来停运设备维护保养问题，其中热力设备停运腐蚀防护是最重要工作之一。

从近几年燃机发电厂监督检查发现，燃机的热力设备停运腐蚀防护普遍存在两方面问题：

（1）大部分燃机余热机组（也称联合循环余热机组，简称余热机组）停/备用保护措施效果不符合要求，由于燃机启停次数多且停运时间难以确定，为操作方便一般都采取热炉放水烘干法对余热机组进行保护。该方法效果一般，而且经常出现停机时间超出保护措施有效期的情况，这类余热机组停运锈蚀普遍较严重。

（2）对长期停运的余热机组保护措施覆盖范围不全面，通常以余热锅炉本体水汽系统保护为主，对凝汽器、燃汽轮机、锅炉烟气侧等设备缺少针对性的防锈蚀措施。

图1为某9E燃机的余热机组凝汽器热井停运1周（左侧）和1个月（右侧）后的内部检查对比情况，因没有采取合适的防锈蚀措施，1个月时间碳钢材料锈蚀比较严重。图2为某6E燃机的余热锅炉蒸发器管腐蚀，因经常停机在3个月以上，水平蒸发器管道积水部位因长时间腐蚀导致穿孔。

图1 某厂凝汽器汽热井底部停运期间锈蚀

图2 某余热锅炉水平蒸发器管腐蚀穿孔

2 余热机组停/备用腐蚀防护特点

由于材质、运行工质和所处环境的不同，余热机组水汽系统的腐蚀防护是燃机系统中的重点。同样以水汽作为运行工质，余热机组在系统结构、运行方式、启停调度等方面与普通燃煤发电机组有很大区别，余热机组停/备用保护可借鉴燃煤机组的一些方法和经验，但在具体选择和制定防腐蚀措施时还必须考虑适应和满足燃机的特点：

（1）燃机调峰方式多数为启停调峰而非变负荷调峰，具有启停频繁、停/备用时间不确定的特点，停/备用保护方法应考虑不同停机工况，满足任何时长的停机保养需求。有保护期限的方法（如余热烘干法）不适合作为唯一方法，还应考虑长期停运情况下全系统保护的需求。

（2）余热锅炉一般采用多压系统，机、炉组合形式多样，水汽系统较燃煤锅炉复杂，停/备用保护措施应考虑保护范围的全面性，对超过2周的停运，应考虑包括锅炉、汽轮机、凝汽器等所有水汽系统设备以及锅炉烟气侧的大范围保护。

（3）燃机开机速度快，锅炉启动过程水冲洗时间短，停/备用保护方法首先应确保良好的防锈蚀效果，其次不影响机组水汽品质，不影响机组快速启动。

（4）燃机启停次数多，相应的停/备用保护措施投入、撤出次数也多，保护措施应尽量操作简便，能灵活应对随时开机或停机的情况。

（5）在当前燃机停多开少情况下，总的停运保护时间较长，保护措施的经济性是重要参考因素，同时还应考虑保护措施的环保影响。

综合上述特点，余热机组的停/备用保护措施应能够灵活适应各种长、短期停机工况，符合机组快速启停、保护范围全面的要求，同时兼具良好的安全、经济和环保性能。

3 余热机组常用的停/备用保护方法

目前余热机组常用的停/备用腐蚀防护方法主要来自于燃煤机组的应用经验，主要是余热烘干法，也有使用成膜胺法、充氮法、湿法保护，这些方法在燃煤机组都有成熟应用，但在余热机组的实际应用中存在各自局限或不足。

3.1 余热烘干法

余热烘干法（包括碱化烘干法）是在停炉放水后利用炉膛及金属余热使系统内水分蒸发，炉内相对湿度要达到60%以下，使金属表面保持相对干燥，利用金属表面钝化膜耐蚀性能在一定时间内防止锈蚀。该方法操作简便，应用最为普遍，但余热烘干后的干燥状态并不能长久维持，随着炉内相对湿度上升，水分在金属表面凝结，表面保护层在氧气、水分的作用下逐渐被破坏，所以余热烘干法的保护时间有限，实际保护有效期与烘干程度相关。

余热锅炉应用余热烘干法主要存在锅炉余热不足、烘干不彻底的问题。相比燃煤锅炉，余热锅炉炉膛体量一般较小，蓄热量有限，热炉放水很难保证低压汽包、除氧器等低参数设备内部积水蒸发，冷炉后积水现象比较普遍。积水的设备在冷炉后内部相对湿度通常高达90%以上，处于碳钢材料的高腐蚀区，与氧接触后很快发生锈蚀，余热烘干法基本起不到防锈蚀效果，这是一些燃机虽每月开机进行热炉放水保养，但余热机组水汽铁含量仍然很高的主要原因。图3、图4为某9E级燃机余热锅炉执行热炉放水后第28天检查情况，在低压汽包和除氧器内部存在积水和明显锈蚀现象。

3.2 成膜胺法

图3 低压汽包热炉放水后积水锈蚀

图4 除氧器内部积水锈蚀

该方法在停炉前向锅炉加入一定量有机胺类物质（如十八胺、咪唑啉或其衍生物等），使有机胺在水汽系统充分循环后停炉放水，有机胺吸附在金属表面形成一层憎水性保护膜，保护膜起到隔绝水分和氧的作用使金属得到保护。成膜胺使用温度一般控制在300～500℃，最佳温度为450℃，温度过低成膜耐腐蚀效果差，过高则胺类物质分解太快[6-8]。成膜胺法保护效果被广泛认可，保护期限长达3个月，满足大部分余热机组停/备用保护时间要求，操作上也较为简便，保护范围可以覆盖锅炉和汽轮机，比余热烘干法有较大优势。

成膜胺法在余热锅炉应用上有2个难以克服的问题：

（1）余热锅炉部分模块运行温度低于成膜工艺要求，如9F级燃机的余热锅炉中压锅筒设计运行温度约225℃，9E级燃机的余热锅炉低压锅筒设计运行温度约180℃，对应的前级模块温度则更低，低温区的设备成膜保护效果会比较差。

（2）残留的有机胺在机组启动后缓慢溶解释放进入汽水系统，并在高温下分解，分解产物甲酸、乙酸和CO2难以去除，导致汽水TOC（总有机碳）和氢电导率长时间难以合格，造成机组运行腐蚀风险[9-10]。

3.3 充氮法

用纯度大于98%的氮气充满锅炉内部空间或覆盖保养液上部空间，维持氮气纯度和一定压力，阻止氧与金属的接触从而避免氧腐蚀。满足技术要求的充氮法具有良好的防锈蚀效果，对停运时间也没有限制，适合锅炉设备长期停用保护。

余热机组使用充氮法进行锅炉停运保护在技术上是比较好的选择，需要考虑的是机组启停次数较多、停运时间较长的情况下，氮气置换和补充消耗气量较大，经济性相比烘干法、成膜胺法较差。在保护范围方面，充氮法只适合密封性较好的系统，凝汽器、汽轮机等无法密封的设备需采取其他方法进行保护。

3.4 湿法保护

用氨或氨与联胺、二甲基酮肟等还原剂配制的缓蚀溶液充满设备内部空间，抑止金属电化学腐蚀，是比较有效的长期停炉保护方法之一。湿法保护只能适用于无需防冻的季节或地区，保护范围同充氮法一样仅限于可密封的锅炉本体和管道设备。

余热机组应用湿法保护除受到环境温度限制，含大量氨氮和高TOC的保养废液处理对很多燃机发电厂来说是一大难题。

4 余热机组停/备用保护技术进展

4.1 通风干燥法的概况

针对余热机组特点和停运腐蚀防护需求，近年来部分燃机发电厂开展了适合余热机组特点的停炉保护新方法的研究应用。其中一个主要的技术方向是将干燥法与余热机组结构特点相结合，开发出可实用的通风干燥法，通过控制热力系统内部相对湿度来抑制停运腐蚀。通风干燥法的主要原理是以通风方式调控热力系统内部环境相对湿度在金属腐蚀临界相对湿度以下，避免水分在金属表面凝聚形成水膜和电解液，阻断金属发生电化学腐蚀的基本条件，从而阻止氧腐蚀的发生。

4.2 通风干燥法的种类

降低空气相对湿度有两种方法，在常温下除去空气中水分降低空气绝对湿度，或提高空气温度增加空气饱和湿度，通风干燥也相应发展出热风干燥和干风干燥两种方法。

4.2.1 热风干燥法

该方法要点是使用加热的空气对停运放水设备进行强制通风，用相对湿度较低的热风置换内部相对湿度较高的空气，同时高温热风可加速水分蒸发，还能提高金属温度防止金属管内外表面结露。上海某9E燃机的余热机组应用了热风干燥法，针对余热机组系统特点设计通风管道系统，使用专用设备将压缩空气加热到100～180℃后分别送入锅炉各模块和汽轮机本体进行升温降湿。通风合格标准为受保护设备金属温度高于环境温度5℃以上，设备排风口相对湿度降到40%以下，停止通风后监测设备内部相对湿度，当相对湿度回升到60%则再次进行通风干燥。机组启动过程水质分析对比表明，采用热风吹干法保养后水汽铁含量较之前明显下降[11]。

4.2.2 干风联合保护法

图5 干风保护法挂片试验前后示片外观

该方法是在锅炉热炉放水后用经过深度除湿的常温干风以一定风量置换热力系统内部高湿度空气，将内部环境控制在腐蚀临界相对湿度以下，在通风初期配合使用气相缓蚀剂，加强停炉初期高温高湿阶段防腐蚀效果。因输入干风湿度远低于设备内部湿度，具有较强的容湿能力，在通风条件下干风也可以加速内部积水的蒸发。浙江某9F燃机采用干风联合保护法进行余热机组全系统的停备用保护，干风保护设备输出的干风绝对湿度达到5 g/m3以下，相对湿度15%以下，温度为常温-60℃可调，在首次通风时配合使用氨类缓蚀剂。干风从锅炉蒸发器底部进入热力系统，沿水汽流程走向进入凝汽器和汽轮机，从凝汽器和汽轮机轴隙排出，保护期间监测凝汽器内相对湿度并控制在30%～50%。该厂在汽包和凝汽器汽侧进行了45天的腐蚀挂片试验验证保护效果，图5为20号碳钢腐蚀指示片试验前后的外观对比，除中压汽包指示片因汽包人孔门不严密有轻微腐蚀，其他位置指示片表观均无锈蚀，腐蚀速率基本为“0”，保护效果良好。

4.3 通风干燥法的特点

热风干燥和干风联合保护法有以下共同特点：

4.3.1 优点

（1）应用范围广。不受机组材料、水处理工况、气候环境限制，理论上只要能构建通风通道就可以使用，保护范围可覆盖锅炉、汽轮机、凝汽器等完整的热力系统，也可用于机组辅助系统和锅炉烟气侧的防腐蚀保护。

（2）使用灵活。通风干燥法操作简单，可根据需要随时投入或撤出保护设备，不影响随时开机，不影响设备检修，不受停机时间限制，适合长期停运保护。

（3）环保高效。经实际应用验证，两种方法都有良好的防锈蚀保护效果，而且是物理方法为主，对环境友好，也不影响后期机组的水汽品质。

结合前述余热机组对停炉保护的需求特点分析，这几项特点几乎完全满足了当前余热机组停炉保护要求，采用一种方法既可以实现全部热力系统的保护，而且还可向燃机烟气系统延伸应用，相比传统方法，这两种方法更适合于联合循环机组的停备用保护。

4.3.2 缺点

两种方法的共同缺点是都需要配备专用保护设备和通风管道系统，增加设备投资和操作工作量。此外通风干燥方式要求通风系统中的管道不能有U型管道积水阻断通风通道，否则可能无法进行通风保护。

4.3.3 两种方法间的比较

两种方法相比较，热风干燥法运行能耗相对较高，通过热风将冷态热力系统金属温度提高5℃需消耗大量热量，对大型锅炉甚至难以实现。而干风干燥法正常运行只需少量电耗维持设备除湿和送风功能，风量1 200 m3/h设备运行功率平均约为25 kW，且湿度维持期间不需连续运行，上述9F联合循环余热机组保养期间每台机组平均每天运行约2 h，电耗约50 kWh，长期保养成本很低。此外，在安全性方面热风干燥法送风温度和压力较高，有一定安全风险，在通风过程中还要注意控制好汽包壁温差和汽轮机缸温差，干风联合保护法则没有此问题。

5 结语

燃机利用低碳清洁能源发电，其发展前景被看好，但目前部分燃机停多开少的局面预计短期内难以改变，燃机的余热机组停运腐蚀防护问题必须予以足够重视，防止长期腐蚀累积造成设备不可逆的损伤。余热机组停/备用保护措施应结合当前燃机运行特点和余热机组系统特点制定，满足保护时间、保护范围和保护效果的要求。传统的余热烘干法、成膜胺法、充氮法、湿法保护都有各自的缺点或使用限制，单一方法不能完全满足余热机组停运期间全面保护要求。针对余热机组开发的热风干燥法和干风联合保护法在保护范围、使用灵活性方面比较适合机组特点，其中干风联合保护法在经济性和安全性方面更占优势，可作为余热机组停/备用保护推荐方法。