全保护加氧工艺在超超临界1 000 MW机组上应用

宁 志，李健博，李俊菀，王文虎，李 焱

全保护加氧工艺在超超临界1 000 MW机组上应用

宁 志1，李健博2，李俊菀2，王文虎1，李 焱1

（1.安徽安庆皖江发电有限责任公司，安徽 安庆 246000；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

加氧处理因可以有效抑制给水系统、高压加热器（高加）疏水系统的流动加速腐蚀，而成为超（超）临界机组优选的水处理措施。全保护加氧处理工艺通过向给水、高加疏水同时加氧，明显降低了给水、高加疏水铁质量浓度，其中给水采用精确加氧的低氧处理，加氧前后蒸汽基本无氧，不存在促进氧化皮集中脱落的风险，该加氧工艺安全可靠。在安徽安庆皖江发电有限责任公司（神皖安庆电厂）超超临界1 000 MW机组上采用全保护加氧处理工艺，应用效果良好，能够对水汽系统起到全面保护的作用，理论和实践证明以空气为介质的全保护加氧工艺不会影响给水水质。

超（超）临界；水汽系统；流动加速腐蚀；加氧处理；给水；高加疏水；全保护加氧

超（超）临界机组给水系统采用全挥发处理时，会在金属表面形成Fe3O4保护膜，其质地疏松、溶解度高、保护性差，从而导致如水汽中腐蚀产物铁含量较高，水冷壁结垢速率高，锅炉压差上升快，水冷壁节流孔和高加疏水调节阀堵塞，精处理运行周期短，混床再生频繁等[1-4]一系列问题，严重影响了机组运行的安全性和经济性。为此，给水系统采用加氧处理工艺[5-7]，使金属表面形成致密的Fe2O3保护膜，该保护膜对水汽系统管道及热力设备具有非常强的钝化保护作用，已广泛用于超（超）临界机组[8-9]。

全保护加氧工艺通过向给水系统中加入低浓度溶解氧，实现给水系统的防腐钝化，而蒸汽中基本无氧，避免了蒸汽中较高浓度氧可能促进过热器及再热器管道氧化皮剥落的风险，同时向高压加热器（高加）汽侧单独加氧，以解决高加疏水系统腐蚀问题，实现对所有易发生腐蚀热力设备的全面保护。全保护加氧装置采用西安热工研究院有限公司的稳压工艺及控制理念，实现了给水气态精确加氧。本文介绍了全保护加氧工艺及其在安徽安庆皖江发电有限责任公司（神皖安庆电厂）超超临界1 000 MW机组上的应用效果。

1 全保护加氧

1.1 全保护加氧工艺

由于传统给水高氧处理技术存在促进氧化皮剥落的风险[10]，而低氧处理技术又无法兼顾解决给水和高加疏水系统流动加速腐蚀的问题，为此西安热工研究院有限公司提出了全保护加氧工艺。全保护加氧工艺分别向给水侧及高加疏水侧进行加氧，兼顾解决了给水系统和高加疏水系统的腐蚀问题，同时，由于给水采用低氧处理（神皖安庆电厂给水溶解氧量控制在10~30 μg/L），过热蒸汽中基本无氧，不会增加过热器、再热器氧化皮集中脱落的风险。

1.2 全保护自动加氧装置

全保护自动加氧装置具有如下特点。

1）全保护自动加氧装置采用高压空气压缩机将空气升压、净化、贮存到储气瓶，并配备自动供气控制系统。该自动供气控制系统具有自动启停和超压保护功能，无需人工更换气瓶，降低了运行工作量，避免了更换氧气瓶过程中的安全隐患[11]。

2）该装置采用压力和节流协同控制、前馈调节、反馈修正的方法，可实现给水气态精确加氧，给水溶解氧量波动范围不超过±2 μg/L。

3）该装置采用空气作为加氧介质。当供气压力达到10~13 MPa，氧气分压仍然小于3 MPa，满足《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》（GB 16912—2008）的规定[12]，使得高压氧气能够安全、连续地加入高压加热器汽侧。

2 全保护加氧对给水水质的影响

2.1 全保护加氧引入CO2对给水水质的影响

全保护加氧使用空气作为加氧介质，空气中含有一定的CO2，CO2溶入水可能会对给水的氢电导率及pH值产生影响。空气中各组分见表1[13]。由表1可知，空气中O2与CO2质量比为23.150:0.046= 503:1。一般情况下，全保护加氧控制给水溶解氧量为10~20 μg/L，计算得到给水采用全保护加空气方式后引入的CO2质量浓度见表2。全保护加氧带入的CO2对水质氢电导率影响（25 ℃，ASTM D4519 —2010）见表3[14]。

表1 空气中各组分

Tab.1 The components in the air

表2 全保护加氧带入CO2质量浓度计算结果

Tab.2 The calculated mass concentration of CO2 brought by fully protection oxygenated treatment

表3 全保护加氧带入CO2对氢电导率的影响

Tab.3 Effect of CO2 brought by fully protection oxygenation on hydrogen conductivity

由表2、表3可知：使用空气作为全保护加氧介质，带入CO2质量浓度小于0.04 μg/L，其含量极低无法对水汽系统产生影响；带入CO2使得氢电导率的增加值不到0.000 14 μS/cm，小于目前电厂在线氢电导率表检测限0.001 μS/cm，即仪表无法监测到由加氧带入CO2对氢电导率产生的影响。因此，以空气作为全保护加氧介质带入的CO2不会导致水质氢电导率升高。

通常加氧后省煤器入口给水pH值需控制在9.0以上，加氨量大于300 μg/L，则氨水的质量浓度远大于CO2质量浓度，其反应方程式为

设加氨量为300 μg/L，计算得到0.04 μg/L CO2消耗氨量0.030 9 μg/L，则剩余氨质量浓度为299.969 1 μg/L。纯水条件下，pH值与氨质量浓度关系式为

式中，为氨的质量浓度，mg/L。

使用空气作为加氧介质时，将=299.969 1 μg/L代入上式计算得到，pH值为9.036 8。若未使用空气作为加氧介质，则氨质量浓度为300 μg/L，代入式(2)计算得到，pH值为9.036 9。可见以空气为介质，加氧带入的CO2使pH值减小了0.000 1，小于目前电厂在线pH表检测限0.01，因此加氧带入CO2对pH值基本无影响。

2.2 空气严重污染对给水水质的影响

当空气严重污染（即空气质量指数AQI＞300）时，本文以AQI=300为例进行计算，此时对应的PM2.5、SO224 h平均质量浓度[16]分别为250 μg/m3和1 600 μg/m3。250 μg/m3PM2.5是1 m3空气质量的0.000 019 3%。由表1可知，空气中O2与PM2.5质量比为23.15:0.000 019 3=1 199 482:1。一般情况下，全保护加氧控制给水溶解氧量为10~20 μg/L，计算得到由加氧带入PM2.5质量浓度见表4。

表4 加氧带入PM2.5质量浓度

Tab.4 The calculated mass concentration of PM2.5 brought by oxygenated treatment

由表4可知，空气严重污染时由加氧带入PM2.5的质量浓度为0.000 008 3~0.000 016 6 μg/L，比《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》（GB 12145—2016）规定给水SiO2标准值≤10 μg/L小105数量级。因此，空气严重污染时加氧带入的PM2.5不会对给水水质产生影响。

同理，1 600 μg/m3SO2是1 m3空气质量的 0.000 124%，空气中O2与SO2质量比为23.15: 0.000 124=186 694:1。一般情况下，全保护加氧控制给水溶解氧量为10~20 μg/L，由加氧带入的SO2质量浓度计算结果见表5。

表5 加氧带入SO2质量浓度

Tab.5 The calculated mass concentration of SO2 brought by oxygenated treatment

由表5可知，空气严重污染时由加氧带入的SO2质量浓度为0.000 053 6~0.000 107 0 μg/L，这比GB 12145—2016规定的给水氯离子标准值≤1 μg/L小104数量级。因此，空气严重污染时加氧带入的SO2不会对给水水质产生影响。

综上所述，采用压缩空气作为气源的全保护加氧工艺对给水水质基本无影响。

3 全保护加氧工艺应用效果

3.1 机组概况

在神皖安庆电厂燃煤发电4号超超临界1000MW机组上，应用全保护加氧工艺。该机组锅炉是由东方锅炉股份有限公司生产的DG2910/29.15-Π3型超超临界压力直流锅炉，采用一次中间再热、平衡通风、前后墙对冲燃烧方式，锅炉本体为单炉膛、尾部双烟道结构、露天布置、固态排渣、全钢悬吊结构Π型布置，额定蒸发量 2 910.1 t/h。4号机组于2015年6月正式投产，机组设计给水处理方式为启动时弱氧化性全挥发 处理（AVT(O)）和正常运行时加氧处理（OT）。 2018年4月份对该机组开始实施全保护加氧处理。

3.2 应用效果

3.2.1给水铁质量浓度

全保护加氧运行后，在合适的pH值条件下，整个水汽系统的铁质量浓度稳定在较低水平，这是全保护加氧处理最具代表性的特点[17-19]，有利于降低锅炉受热面的结垢速率。4号机组省煤器入口、高加疏水加氧转化前后铁质量浓度变化趋势如图1所示。由图1可知，在正常全保护加氧处理运行工况下，给水、高加疏水铁质量浓度均在1 μg/L以下。这表明全保护加氧在热力系统形成的氧化膜保护性良好，能够有效抑制给水系统、高加疏水系统的流动加速腐蚀[20]。

3.2.2凝结水精处理系统运行周期

实施全保护加氧处理后，主要是靠适量的溶解氧维持对给水系统的保护，因此可将水汽系统的pH值适当降低，给水pH值控制范围由原来9.3～9.4降至9.0～9.2，系统原加氨量约为900 μg/L，全保护加氧后系统加氨量约为400 μg/L，加氨量明显减少。凝结水精处理氢型运行周期显著变长，约为全保护加氧前的2.3倍。

3.2.3给水溶解氧量

实施全保护加氧处理后，给水溶解氧量如图2所示。由图2可见，全保护加氧处理后给水溶解氧量稳定。在6 h内，机组负荷从1 000 MW降低到805 MW，再升高到934 MW，给水溶解氧量波动＜2 μg/L（图3）。

3.2.4过热蒸汽溶解氧量

4号机组实施全保护加氧处理前（AVT(O)工况），过热蒸汽溶解氧量小于5 μg/L（图4）。全保护加氧处理后，控制给水溶解氧量10~30 μg/L，过热蒸汽溶解氧量仍小于5 μg/L（图5）。蒸汽中基本无氧，有效避免了过热器和再热器因给水加氧引起氧化皮脱落的风险[21]。

3.2.5高加疏水溶解氧量

采用全保护加氧处理后，高加疏水溶解氧量如图6所示。图6中，高加疏水溶解氧及机组负荷数据均取自当日各自平均值。由图6可见，高加疏水溶解氧量控制为10~150 μg/L，高加疏水多余的氧通过除氧器除掉，全保护加氧工艺安全可靠。

3.2.6加氧不影响给水水质

采用空气作为全保护加氧介质，加氧前、后，省煤器入口氢电导率变化如图7所示。由图7可知，全保护加氧前、后省煤器入口水样氢电导率在0.060～0.064 µS/cm之间，无较大变化。实际运行结果表明，由全保护加氧带入的CO2不会导致水质氢电导率升高。

全保护加氧运行后，在给水溶解氧量为10~ 30 μg/L时，记录在线表的给水电导率（）及给水实际pH值，在纯水+氨的条件下给水理论pH值可以按照pH=8.566+lg计算，给水pH值的理论计算结果及实际值见表6。由表6可见，给水理论计算pH值与给水实际pH值相当，实际运行结果表明全保护加氧带入的CO2对pH值基本无影响。

表6 全保护加氧后给水pH值

Tab.6 The pH values of feed water after oxygenated treatment

注：为确保实际测量值准确，全保护加氧前给水pH表已校准无误。

4 结 语

1）全保护加氧工艺已在神皖安庆电厂超超临界1 000 MW燃煤发电机组成功应用。该机组全保护加氧前后过热蒸汽溶解氧量基本无变化，不会导致过热器、再热器氧化皮集中脱落。

2）采用QBH-3型全保护加氧设备后，给水溶解氧量波动范围不超过±2 μg/L，且该设备安全可靠、自动供气，无需更换气瓶，设备维护量非常小，可保证高加汽侧安全加氧。

3）理论分析和实际运行结果证明，采用空气作为全保护加氧介质对给水氢电导率、pH值无明显影响，当空气中PM2.5及SO2严重超标时，其对给水水质也无影响。

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Application of full protection oxygenated technology in an ultra-supercritical 1 000 MW unit

NING Zhi1, LI Jianbo2, LI Junwan2, WANG Wenhu1, LI Yan1

(1. Anhui Anqing Wanjiang Power Generation Co., Ltd., Anqing 246000, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

The oxygenated treatment can effectively prevent flow accelerated corrosion in feed water system and high pressure heater drain system, which becomes the optimal water treatment measure for (ultra) supercritical units. By simultaneously oxygenating to both the feed water and high pressure heater drain, the fully protection oxygenated treatment technology can significantly reduce the mass concentration of iron in feed-water and high pressure heater drain. The feed water is treated with precise aerobic hypoxia, the steam basically contains no dissolved oxygen before and after the oxygenation, so there is no risk in promoting the concentrated shedding of oxide scale in the steam system. This oxygenated process is safe and reliable. Application of this fully protection automatic oxygenated treatment technology in ultra-supercritical 1 000 MW units in Shenwan Anqing Electric Power Plant shows that, the application effect is good, the water vapor system can be fully protected, the theory and the practice prove that the this fully protection automatic oxygenated treatment process with air as the medium does not affect the water quality of the feed water.

(ultra) supercritical, water-vapor system, flow accelerated corrosion, oxygenated treatment, feed water, high pressure heater drain, full protection oxygenation

TM621.8

B

10.19666/j.rlfd.201901018

2019-01-01

宁志(1972)，男，本科，高级工程师，主要研究方向为汽轮机技术，ningzhi_2001-2001@163.com。

宁志, 李健博, 李俊菀, 等. 全保护加氧工艺在超超临界1 000 MW机组上应用[J]. 热力发电, 2019, 48(10): 122-127. NING Zhi, LI Jianbo, LI Junwan, et al. Application of full protection oxygenated technology in an ultra-supercritical 1 000 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 122-127.

（责任编辑 杨嘉蕾）