姚勇，黃興德，祝青，費劍影

(1．上海奉賢燃機發(fā)電有限公司，上海 201403;2．華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437)

1 聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐概況

某公司安裝4×180MW燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，由Q1097/555－181(31) －6．1(0．63)/532(256)型三壓無補燃強制循環(huán)余熱鍋爐和與之相匹配的PG9171E型燃機組成，主要承擔(dān)上海電網(wǎng)尖峰負荷和調(diào)峰任務(wù)。單臺余熱鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為181．5 t/h，出口蒸汽壓力為6．1MPa，出口蒸汽溫度為532℃。余熱鍋爐水汽品質(zhì)依據(jù) GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》和設(shè)備商標(biāo)準(zhǔn)GEK 72281c—2004《電站汽輪機蒸汽純度建議》進行控制?；瘜W(xué)補給水處理流程為:工業(yè)水→超濾→反滲透→連續(xù)電除鹽(EDI)→除鹽水箱，該工況為先進的全膜處理工藝。給水采用加氨和聯(lián)胺的全揮發(fā)處理，爐水為磷酸鹽處理。

目前國內(nèi)對聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐尚未出臺針對性的水汽導(dǎo)則，主要參照同參數(shù)的電站鍋爐，如DL/T 805—2004《火電廠汽水化學(xué)導(dǎo)則》、GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》。由于聯(lián)合循環(huán)機組設(shè)計為頻繁啟、停及帶尖峰負荷運行特征，給保持鍋爐化學(xué)水工況的平衡和機組水汽品質(zhì)的穩(wěn)定性帶來了一定難度。在該公司4臺余熱鍋爐熱化學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)和分析了調(diào)峰方式下余熱鍋爐水汽品質(zhì)特點，探討了合理的運行方式和水質(zhì)監(jiān)控指標(biāo)。

2 余熱鍋爐水汽氫電導(dǎo)率指標(biāo)的安全性評估

氫電導(dǎo)率(Cation Conductivity)是貫穿水汽系統(tǒng)的核心化學(xué)控制指標(biāo)，對于確保汽輪機設(shè)備安全、降低水汽系統(tǒng)雜質(zhì)沉積和腐蝕、凝汽器泄漏的判斷等具有重要的意義。4臺余熱鍋爐水汽品質(zhì)指標(biāo)明顯高于控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氫電導(dǎo)率指標(biāo)(見表1)。凝結(jié)水、給水和蒸汽等測點的指標(biāo)均超過GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》規(guī)

表1 水汽系統(tǒng)氫電導(dǎo)率與脫氣氫電導(dǎo)率

定的0．30μS/cm的控制標(biāo)準(zhǔn)。在正常工況下，水汽系統(tǒng)各測點氫電導(dǎo)率保持在0．40μS/cm左右。因此，針對該指標(biāo)的安全性進行深入分析。

氫電導(dǎo)率反映雜質(zhì)陰離子的綜合含量，如Cl－，等。然而，不同雜質(zhì)陰離子的危害程度是有差異的，其中氯離子危害最大，同時也是凝汽器泄漏的重要特征。低分子有機酸離子其次，具有誘發(fā)和加劇應(yīng)力腐蝕等危害，這主要與補給水水質(zhì)有關(guān)。二氧化碳對熱力系統(tǒng)危害相對較小，其來源既可能是真空嚴密性不良所導(dǎo)致的空氣泄漏，也可能是有機物在熱力系統(tǒng)中的降解。單一的氫電導(dǎo)率無法分辨其真正的構(gòu)成究竟是危害較大的雜質(zhì)污染物(如氯離子)，還是相對無害的雜質(zhì)(如二氧化碳)。

從測試方法來看，若能消除或降低CO2對氫電導(dǎo)率的影響，會使水汽系統(tǒng)運行狀況的判斷更加精確。脫氣氫電導(dǎo)率(Degassed Cation Conductivity)就是基于這種考慮而提出的概念，利用一定的物理化學(xué)方法，將水汽中分布的CO2去除，然后對脫氣后水汽的氫電導(dǎo)率進行測量。脫氣氫電導(dǎo)率指標(biāo)表征不揮發(fā)性陰離子雜質(zhì)和有機酸離子的總量，真正反映出對設(shè)備具有危害的雜質(zhì)陰離子含量，具有更好的指導(dǎo)意義和監(jiān)控效果。通過特定的定量模型，可根據(jù)脫氣前、后的氫電導(dǎo)率指標(biāo)計算水汽中二氧化碳含量，結(jié)合總有機碳(TOC)和陰離子的定量測試，系統(tǒng)反映水汽品質(zhì)的深度構(gòu)成，為確定水汽品質(zhì)的綜合風(fēng)險提供評估依據(jù)。常規(guī)電導(dǎo)率(Specific Conductivity)、氫電導(dǎo)率以及脫氣氫電導(dǎo)率之間的關(guān)系如圖1、圖2所示。

鑒于該公司4臺余熱鍋爐水汽氫電導(dǎo)率指標(biāo)的超標(biāo)現(xiàn)象，對凝結(jié)水、給水和蒸汽指標(biāo)進行了深度分析(具體包括氫電導(dǎo)率、脫氣氫電導(dǎo)率、TOC和氯離子等)并計算二氧化碳含量。在此基礎(chǔ)上，進行氫電導(dǎo)率的安全性評估。

(1)GEK 72281c—2004《電站汽輪機蒸汽純度建議》規(guī)定蒸汽總有機碳(TOC)質(zhì)量濃度低于100 μg/L。機組水汽系統(tǒng)各測點TOC基本保持在40 μg/L以下，一方面體現(xiàn)了補給水全膜處理工藝(超濾+反滲透+EDI)的優(yōu)勢，另一方面也表明汽輪機系統(tǒng)不存在低分子有機酸的腐蝕風(fēng)險。

(2)各測點水樣脫氣前、后的氫電導(dǎo)率指標(biāo)差異較大，表明其中有豐富的揮發(fā)性CO2的存在。通過定量計算，系統(tǒng)各測點二氧化碳質(zhì)量濃度普遍保持在80μg/L左右。揮發(fā)性CO2扮演了重要角色，較大地提升了系統(tǒng)各測點氫電導(dǎo)率水平。

(3)水汽系統(tǒng)中微量氯離子含量符合 GEK 72281c—2004《電站汽輪機蒸汽純度建議》規(guī)定的指標(biāo)，機組水汽系統(tǒng)各測點TOC質(zhì)量濃度基本保持在40μg/L以下，脫氣氫電導(dǎo)率均保持在 0．14 μS/cm左右，水汽系統(tǒng)中微量氯離子含量應(yīng)符合GEK 72281c—2004《電站汽輪機蒸汽純度建議》的要求，在現(xiàn)有蒸汽條件下，不存在氯離子和硫酸根離子、低分子有機酸等不揮發(fā)性有害雜質(zhì)風(fēng)險，即凝結(jié)水、給水和蒸汽品質(zhì)是安全的。

(4)綜上所述，余熱鍋爐蒸汽的氫電導(dǎo)率形成于不揮發(fā)性陰離子、低分子有機酸以及CO2的過量存在等因素的共同作用，其中揮發(fā)性二氧化碳是最重要的構(gòu)成因素。因此，應(yīng)嚴格控制給水pH值，以防止凝結(jié)水和低溫給水系統(tǒng)的腐蝕。

(5)該公司聯(lián)合循環(huán)機組承擔(dān)尖峰負荷和調(diào)峰任務(wù)，在試驗期間，機組為兩班制運行，此運行方式對余熱鍋爐水汽品質(zhì)有一定的影響，其中，二氧化碳含量是最主要的影響因素。

(6)凝結(jié)水氫電導(dǎo)率是反映凝汽器嚴密性的重要指標(biāo)，是余熱鍋爐化學(xué)監(jiān)督最重要的監(jiān)控指標(biāo)之一。當(dāng)凝結(jié)水氫電導(dǎo)率存在異常時，可以采用脫氣氫電導(dǎo)率表測試，計算和判斷陰離子成分組成，以確定凝汽器是否存在泄漏。

3 余熱鍋爐蒸汽帶水現(xiàn)象的識別及原因分析

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在2005—2007年發(fā)展迅猛，在此期間，設(shè)備水平良莠不齊的狀況給安全運行留下了隱患。上海地區(qū)聯(lián)合循環(huán)新機組投運后熱化學(xué)試驗顯示，11臺(套)燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中就有4臺余熱鍋爐存在不同程度的汽包帶水現(xiàn)象，見表2和表3。

表2 4臺余熱鍋爐蒸汽品質(zhì)比較 μg/L

蒸汽鈉離子超標(biāo)現(xiàn)象 μg/L

表3 上海地區(qū)某燃機電廠余熱鍋爐飽和

在該公司的4臺余熱鍋爐中，#2鍋爐的汽包帶水現(xiàn)象極其明顯，#3鍋爐有一定程度的帶水現(xiàn)象，其余2臺鍋爐則正常。

該公司#2，#3余熱鍋爐和上海某燃機電廠#3，#4余熱鍋爐均存在過熱蒸汽基本合格但飽和蒸汽鈉離子嚴重超標(biāo)的現(xiàn)象。表明過熱器部位存在鹽類沉積現(xiàn)象。

該公司#2余熱鍋爐帶水最為嚴重，過熱蒸汽二氧化硅含量也接近控制標(biāo)準(zhǔn)。一旦爐水水質(zhì)控制不當(dāng)，過熱蒸汽可能會出現(xiàn)二氧化硅含量超標(biāo)，加劇汽輪機系統(tǒng)積鹽。

通過熱化學(xué)試驗確認(如圖2所示)飽和蒸汽鈉離子含量與爐水含鹽量相關(guān)性好。在穩(wěn)定工況下，繼續(xù)進行鍋爐負荷及其變化影響、汽包水位影響試驗，作者認為，爐水含鹽量是影響鍋爐運行的最主要的影響因素，而汽包水位、鍋爐負荷及壓力波動也會加劇該影響。以上狀況表明，通過熱化學(xué)試驗進一步驗證汽包汽水分離器存在缺陷或分離效果不佳。

該公司#2，#3余熱鍋爐和上海某燃機電廠#3，#4余熱鍋爐均為同一公司產(chǎn)品，后者通過熱化學(xué)試驗發(fā)現(xiàn)該問題后，利用機組檢修的機會對汽包汽水分離器進行了檢查，檢查結(jié)果是波紋板本身不存在缺陷，但在拆卸元件后發(fā)現(xiàn)分離器殼體與鍋筒內(nèi)壁多處焊縫存在嚴重積鹽的問題。清理焊縫后，發(fā)現(xiàn)有較多貫穿性焊接氣孔及焊接裂紋。因為存在這些缺陷，鍋筒內(nèi)部分濕蒸汽不通過波形板分離器而直接經(jīng)飽和蒸汽引出管進入過熱器，造成蒸汽帶水。該公司#2，#3鍋爐計劃利用機組檢修機會進行檢查和消缺。

由于#2余熱鍋爐存在著較為嚴重的帶水問題，#3鍋爐飽和蒸汽品質(zhì)也不夠穩(wěn)定，為了盡可能減少蒸汽污染的途徑，需要對爐水加藥方式和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進行優(yōu)化。由于該公司化學(xué)補給水工藝先進，除鹽水質(zhì)量優(yōu)良，凝汽器嚴密性較可靠，給水水質(zhì)符合更高等級鍋爐要求，所以，爐水控制方式和要求應(yīng)該向更高標(biāo)準(zhǔn)看齊，即采用低磷酸鹽處理。在保證pH值要求的基礎(chǔ)上，降低爐水含鹽量，減少蒸汽污染的途徑并采取以下措施:

(1)爐水采用低磷酸鹽處理，磷酸根的質(zhì)量濃度控制在1～3mg/L，爐水 pH 值控制在 9．2～9．5，電導(dǎo)率控制在低于20μS/cm，切實降低爐水含鹽量。

(2)加強凝結(jié)水水質(zhì)監(jiān)測，當(dāng)凝汽器存在微量泄漏時，給水有一定的硬度，適當(dāng)提高爐水磷酸鹽質(zhì)量濃度(應(yīng)達到5mg/L以上)。

(3)排污閥不可以完全關(guān)閉。以鍋爐設(shè)計排污率為基準(zhǔn)，合理調(diào)整加藥量，保持爐水水質(zhì)穩(wěn)定，避免水質(zhì)大幅度波動。

(4)利用檢修的機會，從根本上消除#2，#3余熱鍋爐汽水分離裝置中的缺陷，解決汽包帶水的問題，以提高設(shè)備的安全運行水平。

4 聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐水汽凈化過程及特點

聯(lián)合循環(huán)機組的調(diào)峰特性決定了其啟動過程與常規(guī)火電機組有著較大的差異，如兩班制、季節(jié)性調(diào)峰，甚至是兩者相結(jié)合。這種無規(guī)律的頻繁啟、停，打破了系統(tǒng)水工況體系的平衡，這是水汽品質(zhì)較難控制的薄弱環(huán)節(jié)。通過多次記錄和跟蹤余熱鍋爐啟動過程中的水質(zhì)凈化過程，對其水工況特性、變化規(guī)律有了一定的認識。圖3～圖5記錄了2009年迎峰度夏期間#2機組在兩班制運行方式下，余熱鍋爐水汽品質(zhì)變化過程。

圖3 啟動及運行中水汽品質(zhì)變化曲線1

(1)兩班制運行方式對余熱鍋爐水汽品質(zhì)影響較大。分析了1 d運行的水汽品質(zhì)變化曲線，鍋爐在啟動2 h以后，水汽品質(zhì)(氫電導(dǎo)率、銅、鐵含量等)逐漸趨于平穩(wěn)。在此期間，確保排污閥開度100%，降低腐蝕產(chǎn)物的沉積。而2 h后，可以將排污閥開度調(diào)低。

(2)機組啟動階段水質(zhì)的變化過程，也是系統(tǒng)平衡逐步建立的過程。在機組啟動初期，凝結(jié)水氫電導(dǎo)率和溶解氧分別達到1．0μS/cm和75μg/L以上，隨著機組工況穩(wěn)定和真空泵的持續(xù)運行，系統(tǒng)中的溶解性氣體逐步減少，氫電導(dǎo)率指標(biāo)和溶解氧含量趨于下降并最終穩(wěn)定，熱力系統(tǒng)各測點氫電導(dǎo)率也趨于穩(wěn)定。在此過程中，作者建議給水pH值保持上限水平，降低由于二氧化碳和溶解氧含量的增加對凝結(jié)水系統(tǒng)及低壓給水系統(tǒng)的腐蝕影響。

(3)#2余熱鍋爐汽包存在較為嚴重的爐水機械攜帶現(xiàn)象，爐水中的各種鹽類雜質(zhì)進入飽和蒸汽，導(dǎo)致飽和蒸汽氫電導(dǎo)率明顯高于過熱蒸汽。

5 結(jié)束語

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電大規(guī)模集中發(fā)展的歷史及其在電網(wǎng)中的職能定位和運行方式以及余熱鍋爐單元的設(shè)備特點，決定了余熱鍋爐水汽品質(zhì)具有復(fù)雜性和特殊性，需要通過針對性的熱化學(xué)試驗、大量的數(shù)據(jù)積累和深入分析評估，制訂安全有效的化學(xué)工況標(biāo)準(zhǔn)和靈活的監(jiān)控體系，為機組設(shè)備監(jiān)控和安全性奠定堅實基礎(chǔ)。

［1］David M Gray．pH and CO2Determinations Based on Power Plant Conductivity Measurements［J］．Power Plant Chemistry，2005，7(4):214 －218．

［2］任其智．燃氣輪機的檢修［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2011．

［3］趙勇．S109FA燃機余熱鍋爐高壓過熱器泄漏原因分析及處理［J］．華電技術(shù)，2010，32(5):65 －67．