发电机组给水加氧处理技术研究

申震

摘 要：本文针对发电厂给水全挥发处理机组普遍存在的给水系统流动加速腐蚀严重、锅炉结垢速率高、锅炉压差升高较快、凝结水精处理混床运行周期短和汽轮机积盐快等问题，通过机理分析、理论计算、实例分析等方法阐述了给水加氧处理的技术经济优势，并结合目前相关标准要求，提出给水全挥发处理机组在有条件的情况下进行给水加氧转化的必要性。

关键词：给水处理;全挥发处理;加氧处理;腐蚀;结垢

中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）31-0123-03

Study on Oxygenation Treatment Technology for Feed Water of Generator Set

SHEN Zhen

（China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co.， Ltd. Huazhong Branch， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Aiming at the common problems of feed water system flow accelerated corrosion， high scaling rate of boiler， fast rise of boiler pressure difference， short operation period of condensate refined treatment mixing bed and fast salt accumulation of steam turbine in power plant， this paper expounded feed water by means of mechanism analysis， theoretical calculation and example analysis. Combining with the technical and economic advantages of oxygen treatment and the requirements of current standards， the necessity of oxygen conversion of feed water by total volatilization treatment unit under conditional conditions was put forward.

Keywords： water supply;total volatilization;oxygenation;corrosion;scaling

发电机组给水全挥发处理通过在给水中加氨，并且进行热力除氧的方式改变水汽品质，缓解水汽系统腐蚀、结垢、积盐等问题。由于其不发生局部浓缩和“隐藏”现象而被广泛应用[1]。但是，随着锅炉参数不断提高，以下几方面问题仍未得到有效解决：①给水管道流动加速腐蚀严重，造成管壁減薄甚至发生泄露事故[2，3];②锅炉管道（特别是水冷壁）结垢速率高，锅炉压差上升速度快，酸洗频繁，水冷壁受热面（尤其是向火侧）爆管事故时有发生;③凝结水精处理混床失效快，再生频率高，给运行人员增加了很多工作量，同时产生大量的再生废液;④汽轮机叶片仍有积盐现象。这些问题威胁着机组的安全经济运行。研究发现，氧在水中具有双重作用，在给水水质不良的情况下，氧能促进金属腐蚀，但在高纯水中，氧能使金属表面形成保护膜，抑制金属腐蚀。实践证明，给水加氧处理是解决上述问题的有效方法。

1 给水系统流动加速腐蚀问题

给水全挥发处理时，钢铁在水中发生腐蚀，水作为氧化剂将铁氧化成高价离子或氧化物。根据Fe-H2O体系的电位-pH图，提高给水pH值有利于使金属进入钝化区，形成钝化膜，在一定程度上减缓金属的腐蚀，给水全挥发处理要求给水pH值为9.2～9.6，有利于在金属表面形成钝化膜。由于水的氧化能力有限，与铁的反应只能生成Fe3O4，反应过程中的化学反应如下。

分步反应：

Fe-2e=Fe2+                                    （1）

2H2O+4e =2OH-+H2                             （2）

Fe2++2OH-=Fe（OH）2                            （3）

3Fe（OH）2=Fe3O4+2H2O+H2                     （4）

总反应：

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2                        （5）

不同温度条件下，由于反应速度不同，所形成的Fe3O4膜结构也不完全相同，或形成单层或形成双层，但多为疏松多孔结构，附着力差，当局部水流动条件恶化时，Fe3O4膜受水流冲刷而脱落。目前，无论是汽包炉还是直流炉，给水全挥发处理工况下给水仍然含有微量溶解氧（ppb级）存在。在此条件下，局部水流动条件恶化的盘管弯头等处将不断生成新的Fe3O4膜，并不断被冲刷而脱落，从而发生流动加速腐蚀[2，3]，管壁逐渐减薄甚至发生泄漏。

黄兴德等人研究了温度对给水管道流动加速腐蚀的影响。研究表明，对于单相流，温度为130～200℃时，内管道流动加速腐蚀最严重;对于两相流，温度为180～210℃时，内管道流动加速腐蚀最严重。根据给水及抽汽在各级加热器中的温度分布情况，给水温度为130～200℃时，加热器为除氧器至3号高压加热器;疏水温度为180～210℃时，加热器为3号高压加热器，因此给水系统3号高压加热器流动加速腐蚀最为严重。

给水加氧处理条件下，由于不断向金属表面均匀供氧，通过Fe3O4层微通道中扩散出来的Fe2+被氧化为Fe2O3 ，反应过程化学反应为：

4Fe2++O2+4H2O=2Fe2O3+8H+                （6）

从Fe-H2O体系电位-pH图可知，在流动的高纯水中添加适量氧，可以使碳钢表面发生极化，提高碳钢的电极电位。通过式（6）反应生成一层Fe2O3氧化膜，沉积在Fe3O4层表面的孔隙和沟槽中，Fe2O3氧化膜溶解度远低于Fe3O4[1]，且更为致密平整、附着力更强，提升了耐水流沖刷性能，从而抑制了流动加速腐蚀。

给水加氧处理要求给水溶解氧含量控制在10～150μg/L，当氧化膜发生破损时，水中溶解氧可通过式（6）反应迅速修复氧化膜[1]。

2 锅炉结垢问题

Fe3O4膜具有较大的溶解度，给水全挥发处理时，给水系统Fe3O4的溶解和部分管道流动加速腐蚀共同导致给水含铁量升高，铁及其氧化物以垢的形式沉积并附着在热负荷较高的省煤器、水冷壁管处，在水流作用下生成表面粗糙的波纹状垢层。该类垢层除降低锅炉受热面的传热效率外，还增加了流体阻力，造成锅炉压差不断上升。此外，铁氧化沉积物下水流不畅，容易引起局部浓缩，形成高浓度酸碱，发生酸碱腐蚀，严重时甚至引发爆管事故。

表1列举了部分采用给水全挥发处理机组的水冷壁结垢情况。从表1可知，以下采用给水全挥发处理的机组水冷壁结垢速率均在100g/（m2·a）左右，高于标准40g/（m2·a）的要求。

某超临界机组给水全挥发处理条件下运行两年多后，锅炉整体压降上升0.47MPa。其中，高压加热器和省煤器压降基本没有改变，水冷壁和过热器压降分别上升0.33MPa和0.16MPa，约占锅炉整体压降上升的70%和30%。

给水加氧处理使流动加速腐蚀受到抑制，同时所形成的Fe2O3膜溶解度远低于Fe3O4膜。这两方面原因使给水含铁量降低，锅炉受热面沉积速率降低，锅炉管道传热效率得到提高。此外，减少了水冷壁进口节流孔、高加疏水调节阀结垢堵塞的现象，提高了锅炉运行的安全性。

表2列举了部分采用给水加氧处理机组的水冷壁结垢情况。从表2可知，以下采用给水加氧处理的机组水冷壁结垢速率均在40g/（m2·a）及以下，满足标准要求。

某超临界机组给水加氧处理工况下运行一年多后，锅炉整体压降上升0.06MPa，各换热器压降基本没有发生变化。

3 精处理混床运行周期问题

凝结水精处理混床氢型运行时，混床树脂主要消耗于水汽系统调节pH值加入的氨。pH控制值越高，加氨量越大，混床消耗越快，周期制水量越小;pH控制值越低，加氨量越小，混床消耗越慢，周期制水量越大。根据氨水电离平衡、水的电离平衡及电荷平衡关系近似处理后，可得到给水pH控制值与理论加氨量的关系。

目前，我国600MW、1 000MW级别超临界机组精处理多采用容积为7m3和8m3的球形混床。其中，阴、阳树脂比例约为1∶1。600MW、1 000MW级别超临界机组蒸发量大约为2 000m3/h和3 000m3/h，按照回热系统抽汽量30%计算，凝结水流量分别为1 400m3/h和2 100m3/h。根据计算，全挥发处理工况下给水pH要求范围内加氨量为29.8～127.9μmol/L;pH取9.4时加氨量为60.2μmol/L;加氧处理工况下给水pH要求范围内加氨量为3.7～42.1μmol/L;pH取8.9时，加氨量为11.4μmol/L。对给水两种处理方式下凝结水精处理混床周期制水量及运行周期的计算结果如表3和表4所示。

实际运行过程中，机组负荷根据电网功率及调度情况呈现出规律性波动，机组蒸发量及凝结水流量不可能始终保持额定流量，混床运行周期将大于上表中的计算结果。此外，凝结水中除氨之外，还含有其他杂质离子，真实周期制水量将会略低于表中计算值。从总体来看，给水加氧处理相比于给水全挥发处理，精处理混床周期制水量和运行周期将增大数倍。

4 汽轮机积盐问题

给水全挥发处理工况下，给水系统流动加速腐蚀及腐蚀产物的溶解使给水中杂质含量较高，直流锅炉给水杂质将全部进入蒸汽，并最终在汽轮机叶片上沉积下来，这是汽轮机积盐的主要来源。给水加氧处理减少了给水系统流动加速腐蚀及腐蚀产物的溶解，从而改善了给水品质。此外，减少了药剂的投加，减少了杂质的引入，使给水品质能长期维持在较高水平，作为下游区域的蒸汽品质同时得到提升，汽轮机积盐将得到有效控制。

5 经济及环保效益

给水加氧处理不仅解决了全挥发处理未解决的问题，同时给机组带来以下经济效益：①加氧处理降低了锅炉结垢速率，延长了锅炉的酸洗间隔，节约了化学清洗费用、酸洗废液处理费用和由于酸洗造成的发电小时减少的损失;②加氧处理减少了机组氨、联氨、磷酸盐等药品的消耗费用;③加氧处理后，给水pH控制值降低，加氨量降低，从而延长了凝结水精处理混床运行周期，节约了再生过程中电耗、再生酸碱的用量、压缩空气用量及除盐水消耗量，减少了再生酸碱废液量;④对于汽包锅炉，加氧处理后，给水、炉水品质得到改善，将减少连排和定排造成的热损失和工质损失;⑤加氧处理除氧器将处于微开状态，减少除氧器排汽热损失;⑥加氧处理有利于降低锅炉结垢速率，减缓锅炉压差的升高，从而降低直流锅炉给水泵动力消耗。

6 讨论

目前，超临界机组普遍采用给水加氧处理，而亚临界机组较少采用，原因有如下几点：①亚临界机组多为汽包炉，超临界机组均为直流炉，两者采用加氧处理对水质的要求基本相同，而汽包炉有炉水浓缩问题，需要严格控制炉水电导率和溶解氧含量，炉水水质相比直流炉给水水质更难控制;②亚临界汽包炉化学清洗垢量要求大于250g/m2，直流炉化学清洗垢量要求大于200g/m2，与直流炉相比，亚临界汽包炉化学清洗垢量要求更为宽松，采用给水全挥发处理仍可满足锅炉化学清洗对垢量的要求;③对比不同机组3号高压加热器给水及抽汽温度分布情况可知，与亚临界机组相比，超临界机组3号高压加热器给水及抽汽温度均较高，流动加速腐蚀风险更高;④亚临界机组给水流速普遍低于超临界机组，给水系统流动加速腐蚀没有直流炉严重，对流动加速腐蚀控制没有直流炉迫切。

7 结论

给水加氧处理改变了钢铁在水中形成的钝化膜，从根本上解决了给水系统流动加速腐蚀严重、水冷壁结垢速率快、凝结水精处理运行周期短及汽轮机积盐快等问题。给水加氧处理是目前解决超临界发电机组水汽系统腐蚀、结垢、积盐问题最有效的方法。此外，随着亚临界机组化学清洗垢量要求和水汽品质要求不断提高，继续采用给水全挥发处理将面临锅炉酸洗频率加快，水汽品质难以控制等问题。因此，目前以给水全挥发处理为主要处理方式的亚临界机组应纠正观念，充分了解给水加氧技术的优势，满足条件的亚临界机组应尽早转换为给水加氧处理。

参考文献：

[1]谢学军，龚洵洁，许崇武.热力设备的腐蚀与防护[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]荣幼澧.流动加速腐蚀的危害及其防止[J].华东电力，2003（3）：50-51.

[3]毕法森，孙本达，李德勇.采用给水加氧处理抑制流动加速腐蚀[J].热力发电，2005（2）：52-53，64.