超(超)临界直流锅炉给水加氧处理技术

Posted 2023-01-13 机组

篇首语：月缺不改光，箭折不改钢。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了超(超)临界直流锅炉给水加氧处理技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

随着我国电力建设的发展，新建机组多为具有循环热效率高，发电煤耗低、节能、环保等诸多优势的高参数、大容量的超（超）临界机组。由于水在超临界压力下为单相流体，锅炉蒸汽系统只能采用直流运行方式。而直流炉在正常运行中没有排污，因此锅炉进水的水质直接影响到进入汽轮机蒸汽的品质，也直接影响机组的安全运行及电厂的经济效益，其处理方式对机组的安全经济运行有着极其重要的意义。加氧处理工艺自20 世纪40 年代问世以来，全世界超过85％的直流炉和5％以上的汽包炉已成功应用了该项技术，同时它对于防止给水系统内的流动加速腐蚀（Flow Accelerated Corrosion，FAC）具有无可比拟的优势，是超（超）临界压力火电机组给水处理的首选工艺。

1 给水加氧原理

在全挥发处理（All Volatile Treatment，AVT）工况下，除高温段（300～400℃）的省煤器出口段到水冷壁外，中、低温段（常温～300℃）的凝结水系统、低压加热器和高压加热器入口的金属氧化膜是不够致密的，锅炉热力系统金属表面会生成外层结构疏松的Fe3O4锈层，伴随水流的冲击，给水系统内产生流动加速腐蚀，造成铁的腐蚀产物不断在热负荷高的部位沉积，生成粗糙的波纹状垢层，从而降低了锅炉受热面的传热效率，增加了流体阻力，造成了锅炉的压差不断上升，增大了给水泵的动力消耗。

给水加氧处理（Oxygenated Treatment，OT）是在纯水的条件下，利用一定浓度的氧使碳钢表面形成一层比磁性Fe3O4保护性更好的Fe2O3＋磁性Fe3O4保护膜。这样，在给水加氧工况下可使碳钢表面膜具有双层结构，而且Fe2O3的溶解度远比Fe3O4低，所以形成的保护膜更致密、稳定，能经受流动加速腐蚀，从而降低给水的铁浓度。

当水中有少量的氧时，在钢的表面上，瞬时进行向内延伸反应：

6 Fe+7/2 O2+6 H+=Fe3O4+3 Fe2++3 H2O （1）

Fe3O4层呈微孔状（1％～15％孔隙率），和钢本身的晶体结构相似，由于晶体之间有空隙，水仍会从空隙中渗入到钢表面，使钢产生腐蚀，如果不能堵塞这些空隙就没有防蚀效果。加氧工况时，通过不断向金属表面均匀供氧，由Fe3O4微孔通道中扩散出来进入水相的铁被氧化，生成Fe2O3的水合物，沉积在Fe3O4膜上面，堵塞了Fe3O4的空隙，使水无法通过膜，在金属表面形成致密的“双层保护膜”，从而钢的腐蚀得到抑制。

2 Fe2++2 H2O+1/2 O2 = Fe2O3+4 H+ （2）

从电化学的角度看，在流动的高纯水中添加适当浓度的氧，可以提高钢的自然腐蚀电位数百毫伏，使金属表面发生极化或使金属的自然腐蚀电位超过钝化电位，金属表面因而生成致密而稳定的氧化性保护膜，从而起到了抑制钢铁腐蚀的作用。

2 直流锅炉给水加氧处理的条件

（1）精处理是保证直流锅炉给水品质的重要手段。首先凝结水系统应配备100％全流量精处理设备，运行中应采取措施保证精处理设备有足够的缓冲能力，避免引起水质波动，同时定期检测树脂特性，保证净化效果。

（2）保证给水水质的高纯度性，使给水的氢电导率小于0．15 μS/cm（25℃）；否则，应尽快查找异常原因，采取措施以恢复正常水汽品质。另外，给水的pH 值也不能过低或过高。pH 值过低时给水的缓冲能力差，特别是当给水的pH 值小于7．0时，碳钢会遭受强烈的腐蚀；而pH 值过高时，则会使凝结水除盐设备的运行周期缩短。一般给水的pH 值控制在8．0～9．0 之间。

（3）防止凝汽器和凝结水系统漏入部分空气。空气中的二氧化碳会使水的pH 值下降，此时加入氧化剂反而会加速金属的腐蚀。除凝汽器冷凝管外，水汽循环系统中各设备均应为钢制元件。考虑到铜及铜合金在加氧条件下被氧化，加快了铜及铜合金材料的腐蚀，影响进入汽轮机的蒸汽品质，从而造成汽轮机叶片在高温下被金属铜离子点蚀，进而影响机组的安全稳定运行，因此，对于水汽系统有铜加热器的机组，应通过专门试验，在确定加氧后水汽系统中铜的浓度不会增加后，才能采用给水加氧处理工艺。

（4）定期维护选择腐蚀性材料部件。给水加氧后，使用在汽水、疏水管道上含钨、铬、钴合金材料的调节阀易发生选择性腐蚀，造成水质污染或阀门卡涩，需对相关设备加强检测和缩短检修维护周期，确保无缺陷运行［3］，同时也应选用抗氧化性能和抗脱落性能更好的材料。

（5）新机组投运3～6 个月后，待机组运行稳定、水质满足加氧要求时，应尽早考虑实施给水加氧处理的转换；高参数、大容量锅炉系统较为复杂，机组工况急剧变化或低负荷时容易发生个别炉管内介质流动不良，形成闭塞区，给水加氧会加重闭塞区腐蚀，因此，控制较低的加氧量（30～150μg/L）可以有效降低腐蚀。

（6）已经投运数年的机组，应割管检测锅炉系统的结垢情况，锅炉水冷壁管内的结垢量应小于250 g／m2，否则，必须在进行锅炉（包括炉前给水系统）的化学清洗后，才可转入给水加氧处理。

（7）过热器和再热器高温氧化层检查。加氧前，检查过热器和再热器高温氧化层厚度，掌握氧化皮剥落的情况，防止剥落的氧化皮堵塞对流受热面管弯头。

（8）在线化学仪表满足加氧处理工艺所要求的检测能力。

（9）加氧工况下除氧器及加热器的排气门应微开或定期开启。机组在进行给水加氧后，除氧器成为混合式加热器，起到水箱的作用，其排气门一般关闭。当凝汽器或凝结水系统不严密，可能造成系统内渗入空气，出现不凝结气体超标和二氧化碳酸性腐蚀的现象。因此，必须根据化验结果适时微开或定期开启除氧器排气门，除去水汽系统中部分不凝结气体和微量二氧化碳，当然这种排放会造成一定程度上的水汽损失。为维持疏水足够的含氧量，高、低压加热器的排汽门开度也应根据实际情况具体确定。

3 加氧处理技术实施

3．1 加氧系统

加氧系统由氧气贮存设备、汇流排、氧气流量控制设备和氧气输送管线组成。加氧处理系统如图1 所示。

由高压氧气瓶提供纯度大于99％的氧气经减压阀针形流量调节阀加入系统，系统中选用精密的逆止阀防止发生给水倒流。加氧控制方式采用手动调节和自动调节并联控制。一般以除氧器下降管（即给水泵吸入侧）加氧点为自动控制点，自动控制参数由给水流量、除氧器下降管氧的浓度和省煤器入口氧的浓度共同决定。

3．2 转换方式

机组在AVT 运行工况下启动，转化为加氧方式前，应提前1 个月停止加联氨。期间加强对凝结水和给水溶解氧浓度、铁和铜浓度的监测，直至水质稳定达到加氧处理的条件。当运行负荷增加并达到正常运行负荷时，将AVT 运行转换到OT 运行工况。

为加快循环回路中溶解氧浓度恢复到平衡，加氧初期可提高给水中的氧的浓度，控制除氧器入口和省煤器入口氧的质量浓度为150～300 μg/L，更高的浓度可能会使给水和蒸汽的电导率难以控制，产生局部腐蚀的危险，在整个加氧转化过程中保持平稳加氧状态，中间过程停氧有可能使铁的含量上升。同时应监测各取样点水样的氢电导率、铁和铜浓度的变化情况。在实施加氧处理时，为了中和微量酸性物质，增加水汽系统的缓冲性，也需要加少量的氨，将给水pH 值控制在8．0～9．0 之间（有待通过试验进一步明确）。

加氧过程中，若给水和蒸汽的氢电导率均超过0．2 μS/cm，则应适当减小加氧量，以保持给水和蒸汽的氢电导率小于0．2 μS/cm。当蒸汽中的溶解氧的质量浓度达到30～150 μg/L 时，调节加热器的排汽门，监测且维持高压加热器疏水系统的溶解氧质量浓度为10～30 μg/L。

4 给水加氧处理效果评价

4．1 热力系统含铁量

给水处理采用加氧方式后，由于热力系统形成的双层氧化保护膜使金属表面处于完全钝化状态，有效抑制了FAC，给水系统铁的浓度明显降低。另外随着水汽系统的循环，加热器疏水系统的氧浓度得到上升，水相金属表面生成氧化保护膜，使疏水系统也得到保护。

4．2 精处理的运行周期及系统加药量

OT 工况下，以600 MW 超临界机组为例，凝结水精处理系统的制水量由加氧前的约15 万t 提高到80 万t，运行周期延长了5 倍，精处理的再生次数明显减少，再生酸碱用量及水耗节约效果显著。由于OT 工况下pH 值维持在8．0～9．0，较AVT 工况的9．0～9．6 明显降低，精处理出口的加氨量由约1 000 μg/L 降低至200 μg/L，氨水消耗量大大减少。

4．3 锅炉的结垢速率

机组采用给水加氧后，金属表面形成的保护膜使热力系统内铁的浓度大幅度降低，铁的氧化物在热负荷区的沉积速率随之减小，水冷壁结垢情况得到改善，同时也延长了锅炉化学清洗的周期。在机组大修水冷壁、省煤器等部位割管检查中发现，热力系统表面已形成良好的钝化膜。在停炉大修不保养45 d 的情况下，机组启动冷、热态冲洗，很快达到机组启动的水质要求，比机组加氧前约省一半的时间。

4．4 锅炉压差及给水泵动力消耗

随着给水加氧处理运行时间的延长，给水系统及水冷壁表面附着的双层氧化膜变得致密而光滑，水流动力条件得到改善，锅炉流动阻力减小。某电厂AVT 工况下运行2 a来，锅炉压差从4．4 MPa 上升至7．6 MPa，而转为OT 工况下仅半年时间，压差就由7．6 MPa 下降至6．1 MPa，满负荷时给水泵的转速由4 425 r/min 下降至4 222 r/min，运行压差逐渐下降，给水泵动力消耗降低，机组的效率从而得到提高。

5 停运保护

机组停运时，可提前4 h 停止加氧，并打开除氧和高压加热器排气门，加大凝结水精处理出口的加氨量，尽快提高给水pH 值至9．3～9．6，不允许加入联氨，因为在停运时联氨的存在会增加腐蚀产物的浓度，对已形成的钝化膜有破坏作用。此外在停运期间也不应采用成膜胺保养（如十八胺等保护药品），锅炉机组进行OT 处理所形成的水合氧化铁表面膜就有停用保护作用。。

6 结语

给水加氧技术在超（超）临界直流锅炉的应用具有优良的安全及经济价值，对于新建机组，应根据实际情况，尽早开展加氧技术的相关试验，如最优加氧量和最优pH 值的确定、除氧器及加热器排气门的开度、氧化还原电位的控制等环节，这对于汽水品质的优化，乃至机组的长期稳定运行具有重要意义。