超临界机组的两种水工况
超临界机组的两种给水处理方式陈丽娜(动力与机械学院2009202080098)摘要：本文介绍了超临界机组运行时随给水带入锅内的杂质对水汽循环系统中部件的危害，为减缓这种危害性，对锅炉给水进行AVT或OT处理，并阐述了AVT和OT处理的原理和各指标的依据及说明，指出超临界机组在适当的条件选择合适的给水处理方式。关键词：超临界机组AVTOT前言：超临界机组采用直流锅炉，没有汽包和循环的炉水，无法像汽包锅炉那样通过炉水的磷酸盐处理来调整水质，也不能通过锅炉排污方式将杂质排出。在直流锅炉中，随给水进入锅炉中的各种杂质，或被蒸汽带往汽轮机，或沉积在锅炉炉管内，导致热力设备的腐蚀、结垢和积盐；杂质在锅炉炉管内沉积，还会引起水汽系统流动总阻力的增加，增大给水泵的能耗量，甚至迫使机组降负荷运行。在所有火力发电机组中，超临界机组热负荷最高，对水汽品质的要求最高1。因此，需要进行合理的化学加药处理以调节超临界机组的水化学工况，并执行严格的水质控制标准。在机组的水汽循环系统中，一般使用碳钢和低合金钢材料。在高温状态下这些材料对腐蚀很敏感。锅炉给水处理的总体方案是保持机组在安全、经济和高效的水平上运行。为了达到这个目的，对锅炉水处理的要求有三条：一是尽量减少对锅炉、蒸汽、凝结水和给水系统的腐蚀；二是减缓在受热面上的结垢和形成沉积；三是保持高水平的蒸汽纯度2。因此，在火力发电厂循环系统中，不论是汽包锅炉还是直流锅炉，都使用高纯度的除盐水作为运行介质。它们之所以能够使用，是因为采取适当的水处理之后，与水和蒸汽接触的金属材料表面能形成保护性氧化物膜，阻碍了介质与材料的接触，使腐蚀减缓到工程要求的水平。机组的经济运行寿命通常为30年，锅炉水处理的最基本要求是，在三十年内不会因腐蚀、结垢影响机组的安全、经济运行。随给水带入锅内的杂质主要包括钙、镁化合物，钠化合物，硅酸化合物，金属腐蚀产物等。它们主要是由于凝汽器泄漏、补给水中的杂质、热力系统中的腐蚀产物、机组维护不当等因素而带入的。这些杂质在锅内的沉积和被蒸汽带出的情况与给水中杂质的含量及它们在蒸汽中的溶解度有关，蒸汽的压力越高，杂质的溶解度越大，随蒸汽转移的杂质就越多。对于超临界机组，由于其参数较高，所有杂质在该蒸汽中的溶解度也较大，使得杂质在锅炉内沉积的量减少，而给水中的许多杂质却能随蒸汽进入汽轮机中。这些杂质在汽轮机内会浓缩形成浓缩液，引起金属材料的腐蚀，还会以固相析出形成沉积物，使汽轮机腐蚀和积垢的危险性大大增加。超临界机组蒸汽中携带的杂质主要为：氯化钠给水中绝大部分钠盐都能被蒸汽溶解带到汽轮机中去，所以蒸汽中的盐类主要是钠盐；硅酸化合物给水中所含的硅酸化合物几乎能全部被蒸汽带到汽轮机中，它们会沉积在汽轮机叶片上，而不会在炉管内沉积；铜的氧化物金属腐蚀产物中铜的氧化物在蒸汽中的溶解度较大，因此主要被蒸汽带到汽轮机中并沉积下来；钙、镁化合物，铁氧化物等则主要沉积在炉管中3。超临界机组水、汽工况的特点，要求进行更高、更优良的水汽品质控制，目前，国内外超临界机组给水处理有OT和 AVT两种方式。1OT处理方式1.1 OT的基本原理在OT方式下，由于不断向碳钢表面均匀地供氧，从而使Fe3O4层扩散出的二价铁离子迅速氧化，形成溶解度很低的Fe2O3，在Fe2O3的颗粒表面和晶粒间隙沉积，封闭了Fe3O4膜的表面和孔隙，在碳钢表面形成致密的晶粒，组成“双层保护膜”，使热力系统金属的腐蚀得到有效的抑制4。1.2直流锅炉采用OT时各指标的依据及说明1.2.1氢电导率：在较纯的水中，氧使钢铁表面生成致密的-Fe2O3保护膜，起腐蚀抑制的作用；在不纯的水中，氧会与其他杂质一起促进钢铁的腐蚀，起加速腐蚀作用。对于加有氨的给水来说，水的纯度往往用氢电导率来衡量，它是除氢氧根以外所有阴离子的综合衡量指标5。由于温度、钢铁的表面状态等因素的影响，其临界值在0.2uS/cm0.3uS/cm之间。为了安全起见，给水加氧处理时，其氢电导率定在0.15 uS/cm以下。1.2.2pH：在给水加氧处理时通常机组的给水系统，特别是低压加水系统不得含有铜部件。因此加氧处理只考虑钢铁的腐蚀，采用加氧处理时，由于表面生成的氧化膜致密，铁的溶出率极低，pH在较大的范围内其表面氧化膜的组成没有发生变化，其pH下限可以到7.0，上限可以达到10以上。在中性范围内的给水，缓冲性差，抗杂质的干扰能力弱，对安全运行不利。水的pH过高，会增加凝结水精处理的负担，对经济运行不利5。从安全和经济两方面考虑，给水的pH定为8.09.0。1.2.3溶解氧：在加氧处理的前期，氧化膜处于转型阶段，需要的氧量较多。这时只要饱和蒸汽中没有氧，给水中的溶解氧浓度允许高些。转型阶段往往给水的氢电导率也会升高，其原因是给水系统的管壁以及管壁上的Fe3O4氧化膜中所含的有机物被氧化，形成低分子有机酸。当Fe3O4全部转化为-Fe2O3后，给水的氢电导率就会恢复到加氧前的水平。在氧化膜的转换过程中，允许给水的氢电导率达到0.2uS/cm。如果超过此值就应减少加氧量。对于直流锅炉，实施给水加氧处理稳定运行后，虽然溶解氧量规定在30ug/L300 ug/L，但最好控制在50ug/L100 ug/L5。实践证明这一浓度范围既不浪费，又能提供形成氧化膜所需要的氧。如果加氧量过高，可能会对过热器氧化皮的生成与脱落有一定的影响。1.2.4铁：加氧处理可在钢铁表面已经形成的Fe3O4的表面膜以及膜中的孔隙中生成致密的-Fe2O3。这种加氧后形成的膜在两个方面起到防腐作用。一是表面膜致密，使水和其它杂质难以通过-Fe2O3保护膜与铁机体继续反应；二是在Fe3O4的孔隙中形成的微小Fe2O3颗粒堵塞了Fe3O4的孔隙通道，使Fe2+扩散不出来，这种类似于浓差极化的作用使得腐蚀的动力削弱，从而降低腐蚀。一般采用OT时，给水的含铁量在1ug/L以下5。1.2.5铜：一般的，除凝汽器外水汽系统不含铜合金时才采用OT。凝汽器管为铜管时，由于真空除氧的作用，使蒸汽中的氧被除去，不会引起铜管的腐蚀。另外，凝结水通过精处理混床后除去大部分铜离子。因此，给水的含铜量就比较低，通常在3ug/L以下5。1.2.6钠：给水中的含钠量只对直流锅炉作了规定，因为给水经过直流锅炉后水中的钠几乎全部进入蒸汽，含钠量如果过高，过热器和汽轮机可能会发生钠盐的沉积。按照各类钠盐的溶解与析出特性综合考虑，认为蒸汽中含钠量超过10ug/kg后，在蒸汽做功、热力参数的降低过程中就有可能发生钠盐的沉积，为了安全起见，电力行业标准规定直流锅炉的给水含钠量应小于5ug/L5。1.3 采用OT的条件（1）机组配有凝结水精处理设备，并且能长期稳定运行。精处理的凝结水的氢电导率能长期低于0.15uS/cm。（2）给水系统不应含有铜合金部件。（3）应配置给水在线氢电导率仪和溶解氧仪。（4）安装高、低压给水加氧管路及阀门。（5）如果采用自动加氧装置，还应向加氧控制柜引入凝结水流量信号和/或给水流量信号，有在线溶解氧仪向DCS系统引入溶解氧的测量显示信号和由DCS系统向自动加压氧装置引入溶解氧测量信号和加氧控制信号。1.4加氧前应做好的准备工作：（1）对加氧系统进行清洗，清洗介质一般采用四氯化碳；（2）对加氧系统进行严密性试验，试验介质用氮气；（3）对加氧装置进行调试；（4）确保加氧期间精处理出水的氢电导率小于0.15uS/cm；（5）对在线化学仪表进行校验，并确定准确无误；（6）锅炉燃烧工况稳定，机组处于长期运行状态。2 AVT处理方式2.1AVT的工作原理限制给水中的溶解氧浓度，并加入挥发性的碱性物质氨，使给水的pH达9以上，使铁进入它的氧化物(磁铁矿Fe3O4)稳定区的状态，即铁进入钝化状态6，从而有效的抑制热力系统金属的腐蚀。2.2直流锅炉采用AVT时各指标的依据及说明2.2.1氢电导率：标准中采用氢电导率而不采用电导率，其理由是：一是因为给水采用加氨处理，氨对电导率的贡献远大于杂质的贡献；二是氨在水中存在以下的电离平衡：NH3·H2O=NH4+OH-，经过H型离子交换后可除去NH4+，并生成等量的H+，H+与OH-结合生成H2O。由于水样中所有的阳离子都转化为H+，而阴离子不变，即水样中除OH-以外，各种阴离子是以对应的酸的形式存在，是衡量除OH-以外的所有阴离子的综合指标，其值越小说明其阴离子含量越低。由于不同的阴离子对电导率的贡献不同，所以它是一个综合指标。2.2.2pH：给水采用AVT时，其钢铁表面形成的氧化膜的质量不如OT致密，pH的提高可以在一定程度上弥补这一缺点。在pH低于9时所形成的氧化膜质量差，但会随着pH的升高而逐渐改善。当pH超过9.6以后，其改善效果也不明显。所以，全钢系统的机组，给水的pH定为9.09.67。当机组含有铜合金材料时，还要考虑铜的腐蚀。在机组运行的温度范围内，防止铜的腐蚀的最佳pH范围为8.89.1。为了兼顾铁、铜的腐蚀，采取折中的方法，给水的pH定为9.09.3。2.2.3溶解氧：该指标世界各国的规定值不同，对于大容量机组，最高为25ug/L，最低为7 ug/L，但大多数国家规定为10 ug/L。2.2.4铁：采用AVT时，铁表面生成Fe3O4和Fe2O3混合氧化膜，靠近铁基体以Fe3O4为主，靠近水侧以Fe2O3为主，由于Fe2O3膜较致密并且本身的溶解度也较小，所以水中的含铁量也相对较低，一般不大于10ug/L。2.2.5铜：铜合金的表面主要生成Cu2O氧化膜，其膜较致密，溶解性相对较小，一般不超过3ug/L。2.2.6钠：同OT标准。2.3 AVT运行方式的缺陷在AVT方式下，锅炉热力系统金属表面会生成外层结构疏松的Fe3O4保护膜，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，从而增加流体阻力，造成锅炉压差不断上升，加大了给水泵的动力消耗8。另外，由于给水中铁堆积在锅炉水冷壁管、高压加热器系统，部分机组在系统压差达到极限时就会发生故障。由于pH较高使得精处理混床运行周期缩短。3总结在超临界机组运行时，为防止水汽循环系统中的部件被腐蚀，将水的腐蚀作用降到最低程度，将系统中水和铁接触后形成的沉积物降到最少，并为汽轮机的运行提供纯化的蒸汽，防止汽轮机的腐蚀和积垢。应合理地选择机组的给水处理方式，当机组为无铜系统时，应优先选用AVT方式，如果给水氢电导率小于0.15uS/cm，且精处理系统运行正常，宜采用OT方式。4 参考文献1 葛明超临界机组水汽品质监督J电力设计，2004，04（03）：41-432 陆国平超临界机组的水化学工况和水质控制J华电技术，2008，30（8）3 王德军，李树明给水加氧处理在800MW机组上的应用J东北电力技术，2007，124 洪新华，余晓琴直流锅炉给水加氧处理技术的应用J江苏电机工程，2006，25（1）5 朱志平，孙本达，李宇春电站锅炉水化学工况及优化M长沙理工大学：200860-666 金瑾临直流炉给水联合处理新技术J江苏电机工程，1997，16（4）7 陈永阳，林荣文浅析超临界机组给水系统J电站辅机，2005，95（4）8 薛云波，叶江明直流锅炉水化学工况的研究J锅炉技术，2006，37（3）6
