大唐國際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司 劉建生

發(fā)電廠熱力系統(tǒng)新型氮?dú)獗ｐB(yǎng)節(jié)能創(chuàng)效工藝的應(yīng)用

大唐國際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司 劉建生

發(fā)電廠熱力系統(tǒng)大部分設(shè)備、管道均為碳鋼材質(zhì)進(jìn)行制造，設(shè)備管道停備中處于易發(fā)生金屬腐蝕，降低設(shè)備的強(qiáng)度，減少使用壽命。對熱力系統(tǒng)氮?dú)獗ｐB(yǎng)方式進(jìn)行研究，對多種設(shè)備的保養(yǎng)方案進(jìn)行分析，在電廠熱力系統(tǒng)的停備保養(yǎng)方面具有一定的推廣應(yīng)用價值。

發(fā)電廠；熱力系統(tǒng)；氮?dú)獗ｐB(yǎng)；應(yīng)用

隨著我國機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展和電力事業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，大容量、高參數(shù)的發(fā)電設(shè)備在各地得到了大量安裝和使用，電力電量供應(yīng)也出現(xiàn)了較大的盈余，市場格局也產(chǎn)生了顯著變化。原來以600MW機(jī)組作為主流機(jī)型的形勢逐漸向百萬機(jī)組過渡，部分地區(qū)600MW等級機(jī)組已進(jìn)入調(diào)峰運(yùn)行狀態(tài)，原有的北方地區(qū)單機(jī)發(fā)電量200MW、300MW級熱電機(jī)組除在冬季供暖期及夏季大負(fù)荷能夠連續(xù)運(yùn)行外，也出現(xiàn)了較長時間的停備。

無論是大型燃煤機(jī)組還是天然氣聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，鍋爐和熱力管道都是其重要的組成部分，對應(yīng)機(jī)組運(yùn)行中的高壓力、高溫度，重要部件的金屬材質(zhì)多為高強(qiáng)度合金鋼或碳鋼，具有暴露在空氣中易腐蝕的特性。鍋爐設(shè)備在備用條件下無法快速蒸發(fā)掉內(nèi)部水分，在機(jī)組停運(yùn)后空氣進(jìn)入，導(dǎo)致腐蝕速度加劇。鍋爐和汽水管道受到腐蝕會產(chǎn)生鐵銹，并會在金屬壁面溫度變化時逐漸剝落，一方面會造成金屬壁厚減薄，鍋爐和管道的承壓強(qiáng)度降低，影響鍋爐的使用壽命；另一方面鐵銹進(jìn)入給水，導(dǎo)致給水中的Fe離子嚴(yán)重超標(biāo)，需要大量排污。

1 傳統(tǒng)熱力設(shè)備的保養(yǎng)方式

為了防止鍋爐和其他熱力設(shè)備在停備期間發(fā)生金屬部件腐蝕，需要對其進(jìn)行可靠保養(yǎng)。按多年的鍋爐及管道系統(tǒng)保養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，余熱鍋爐的保養(yǎng)方式主要有充氮保養(yǎng)、干燥劑保養(yǎng)和干燥通風(fēng)保養(yǎng)三種。充氮保養(yǎng)采用高純度的氮?dú)獬淙脲仩t和管道內(nèi)部空間，利用氮?dú)舛栊詺怏w的性質(zhì)，隔絕氧氣防止金屬壁面受到腐蝕，保養(yǎng)效果優(yōu)于其他兩種方式，因而在發(fā)電設(shè)備停機(jī)設(shè)備保養(yǎng)中得到較多的應(yīng)用。

圖1 氮?dú)饧b格、液氮杜瓦罐

1.1 鍋爐氮?dú)獗ｐB(yǎng)的常用做法

為了研究分析高效可行的余熱鍋爐保養(yǎng)方式，達(dá)到較好的保養(yǎng)效果，浙江紹興某燃?xì)鉄犭姽緦Σ煌某涞ｐB(yǎng)常用做法進(jìn)行了試用和比較。

1.1.1 瓶裝氮?dú)獬涞ｐB(yǎng)。保養(yǎng)用氮?dú)獠捎?0L高壓鋼瓶存儲，氮?dú)鈮毫?0MPa，為減少充氮操作，租用了某特種氣體公司20瓶組集裝格，利用多個接口同時向鍋爐系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行充氮。實(shí)踐表明，在連續(xù)充入300瓶方能在鍋爐表計(jì)微正壓顯示。因要達(dá)到機(jī)組備用狀態(tài)，鍋爐系統(tǒng)無法加裝固定堵板，系統(tǒng)不嚴(yán)造成氮?dú)饬魇В刻煨柩a(bǔ)入20瓶氮?dú)?，在單臺鍋爐瓶裝保養(yǎng)中，一個月時間消耗約900瓶氮?dú)狻?/p>

圖2 液氮槽罐車

1.1.2 杜瓦罐液氮充氮保養(yǎng)。杜瓦罐是一種存儲液態(tài)氮?dú)獾难b置，經(jīng)過液氮?dú)饣鳉饣罂尚纬梢欢▔毫Φ牡獨(dú)?。氣化后的氮?dú)鈮毫H有0.5MPa壓力，且氣化速度較慢，如果增加氮?dú)饬髁?，則會在氣化器處結(jié)冰，管路堵塞，無法快速對余熱鍋爐進(jìn)行充氮。2臺杜瓦罐裝置連續(xù)兩天充氮無法達(dá)到氮?dú)庹龎盒Ч?，無法滿足使用要求。

1.1.3 采用液態(tài)槽罐車進(jìn)行充氮。槽罐車也是用于儲存液態(tài)氮?dú)獾能囕d裝置，和杜瓦罐不同的是氮?dú)鈿饣看螅梢钥焖賹ο到y(tǒng)進(jìn)行充氮，能夠滿足使用要求，但需每天租用槽罐車對系統(tǒng)進(jìn)行充氮，產(chǎn)生的費(fèi)用較高。

采用槽罐車和杜瓦罐因涉及到液態(tài)氮?dú)獾臍饣?，液氮在氣化中要吸收大量的熱，因此需要對操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，對氣化裝置進(jìn)行可靠隔離，防止人員在操作接觸氣化設(shè)備中被凍傷，產(chǎn)生人身傷害。

2 新型氮?dú)庵苽涔に嚨奶岢?/h2>

由于傳統(tǒng)工藝的氮?dú)庵苽浞绞綗o法滿足鍋爐設(shè)備系統(tǒng)快速充氮的要求，2013年紹興某燃?xì)鉄犭姽緦ο冗M(jìn)的空氣分子篩氮?dú)庵苽浼夹g(shù)進(jìn)行了調(diào)研。該種方式利用分子篩技術(shù)對空氣進(jìn)行分離，得到高純度的氮?dú)?。該制氮工藝為物理提取，對環(huán)境沒有影響，較常見的低溫空氣分離制備氧氣和氮?dú)饧夹g(shù)有較大的優(yōu)勢。

分子篩是由碳組成的多孔物質(zhì)，具有氣體分子級大小的微孔結(jié)構(gòu)，利用空氣中各種氣體在分子篩微孔中的不同擴(kuò)散速度進(jìn)行分離。其原理類似于常見的高過濾精度的納米級網(wǎng)布，用于過濾空氣對氮?dú)夂脱鯕膺M(jìn)行分離，得到一定純度的氮?dú)?。氮?dú)庵苽溲b置一般由2臺分子篩容器和過濾器、氮?dú)鈨夤?、閥門及控制系統(tǒng)等附件組成。制氮工藝流程一般采用變壓吸附法，碳分子篩對氧氣在充壓、產(chǎn)氣時吸附，在降壓排氣時向外排出氧氣，在此過程中完成氮?dú)獾氖占?。氮?dú)馍a(chǎn)裝置設(shè)置A、B兩只分子篩吸附塔，吸附塔中填充碳分子篩，一塔吸附氧，制取氮?dú)?，另一只塔解吸再生，排出上次吸附在碳分子篩表面的氧，兩組分子篩循環(huán)作用連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)氮?dú)狻?/p>

該氮?dú)庵苽溲b置可室外布置，在常溫下即可完成氮?dú)馍a(chǎn)?？刂葡到y(tǒng)由PLC和電磁閥組成，通過電磁閥的開關(guān)改變系統(tǒng)流程壓力完成制氮功能。在制氮裝置接入清潔度符合要求的壓縮空氣，在出口儲氣罐就能夠得到濃度99.9%的氮?dú)狻?/p>

3 氮?dú)獗ｐB(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場實(shí)施

現(xiàn)以浙江紹興某燃?xì)鉄犭姽居酂徨仩t、燃?xì)忮仩t等設(shè)備保養(yǎng)為例進(jìn)行說明。該公司對全廠氮?dú)庀到y(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃，氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)覆蓋兩臺余熱鍋爐系統(tǒng)、兩臺啟動爐系統(tǒng)保養(yǎng)用氣，同時考慮了天然氣調(diào)壓站和燃機(jī)系統(tǒng)天然氣置換用氣。為了選擇合理流量的氮?dú)庵苽溲b置，該公司對余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t保養(yǎng)容積進(jìn)行了核算。經(jīng)計(jì)算每臺余熱鍋爐本體、受熱面和管路總?cè)莘e約為800m3。兩臺燃?xì)鉅t需保養(yǎng)容積約80m3?？紤]一臺機(jī)組運(yùn)行，另一臺機(jī)組備用，共計(jì)需保養(yǎng)容積為880m3。

在燃機(jī)停機(jī)冷卻系統(tǒng)放水后開始充氮保養(yǎng)，按1-2小時完成系統(tǒng)充氮計(jì)算，考慮系統(tǒng)充氮過程中的泄漏因素，采用每小時600m3的氮?dú)庵苽溲b置能夠滿足余熱鍋爐、啟動爐共880m3容積的保養(yǎng)，充氮壓力能快速達(dá)到50kPa以上。

圖3 氮?dú)庵苽溲b置工藝示意圖

為保證氮?dú)夤苈非鍧?，氮?dú)庀到y(tǒng)管路全部采用不銹鋼材質(zhì)，氬弧焊接。氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)最遠(yuǎn)敷設(shè)至天然氣調(diào)壓站，管路總長約600余米，系統(tǒng)流程如圖4所示。該氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)管路系統(tǒng)于2014年1月施工，2月完成氮?dú)庵苽溲b置和氮?dú)夥€(wěn)壓罐的安裝。設(shè)備管路系統(tǒng)安裝完成后對管路系統(tǒng)進(jìn)行了吹掃，保證管路系統(tǒng)清潔。

4 新型氮?dú)獗ｐB(yǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 氮?dú)獗ｐB(yǎng)系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用情況

2014年2月，該公司氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)安裝完成，氮?dú)庵苽渫度朐囘\(yùn)，氮?dú)鈮毫?.6MPa，濃度99.9%，流量達(dá)到了600m3/h的設(shè)計(jì)參數(shù)要求。兩個小時完成了對1號機(jī)組余熱鍋爐系統(tǒng)的充氮，檢測口檢驗(yàn)氧氣含量小于1%。由于鍋爐未裝設(shè)臨時堵板，在氮?dú)夤?yīng)裝置停運(yùn)后鍋爐氮?dú)鈮毫χ鸩较陆?。?jīng)比較采用定期充壓的方式進(jìn)行充氮保養(yǎng)，每6個小時啟動制氮機(jī)一次，將氮?dú)鈮毫ι?0kPa以上。目前已實(shí)現(xiàn)了DCS遠(yuǎn)程的控制，節(jié)省了制氮裝置起動和停用所需的人力。

氮?dú)庀到y(tǒng)已多次完成了天然氣調(diào)壓站、燃機(jī)系統(tǒng)檢修的多次氣體置換操作，充氮置換過程操作簡便，氮?dú)庵脫Q過程快速，提高了檢修工作效率。

4.2 氮?dú)獗ｐB(yǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

紹興某燃?xì)鉄犭姽驹趹?yīng)用氮?dú)夤?yīng)裝置以后，成功采用了多種方式對余熱鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行充氮保養(yǎng)。

4.2.1 鍋爐帶水充氮保養(yǎng)。對于短時間的停機(jī)備用，在鍋爐汽包壓力小于0.2MPa開始充氮保養(yǎng)。首次充氮合格后，對氮?dú)鈮毫M(jìn)行監(jiān)視，維持氮?dú)鈮毫?0-50kPa，低于20kPa補(bǔ)充氮?dú)狻?/p>

4.2.2 干法停爐充氮保養(yǎng)。在余熱鍋爐鍋爐受熱面水放凈后，向高中低壓汽包充入氮?dú)?，通過控制閥門逐個完成三個壓力省煤器，蒸發(fā)器和過熱器換熱模塊的氮?dú)庵脫Q操作。各受熱面氮?dú)庵脫Q完成后，對氮?dú)鈮毫M(jìn)行監(jiān)視，維持氮?dú)鈮毫?0-50kPa，低于20kPa補(bǔ)充氮?dú)狻?/p>

4.2.3 濕法充氮保養(yǎng)。鍋爐水側(cè)采用化學(xué)加藥的方式進(jìn)行保養(yǎng)，通過添加無機(jī)鹽或揮發(fā)性的聯(lián)氨和氨水來達(dá)到水側(cè)保養(yǎng)效果；鍋爐氣側(cè)采用氮?dú)膺M(jìn)行密封，防止空氣進(jìn)入。

4.2.4 為了保證充氮保養(yǎng)效果和操作中的安全，需在實(shí)施中采取如下措施：

（1）規(guī)范鍋爐充氮保養(yǎng)作業(yè)流程。在余熱鍋爐充氮中要根據(jù)充氮方式的不同，采取不同的氮?dú)鉂舛葯z查方法。如在鍋爐放水前由鍋爐高點(diǎn)充入氮?dú)?，則需要在水放凈前建立氮?dú)鈮毫?，保證氮?dú)獬錆M余熱鍋爐上部空間，在余熱鍋爐下部放水點(diǎn)測取氧氣濃度。在余熱鍋爐無水狀態(tài)下充氮時，空氣已完全占據(jù)余熱鍋爐的內(nèi)部空間，在余熱鍋爐內(nèi)部氮?dú)鈮毫ι吆?，連續(xù)由鍋爐下部進(jìn)行放氣，確保空氣中的氧氣全部排出，直至在鍋爐下部放水點(diǎn)測取氧氣濃度合格。

（2）氮?dú)獗ｐB(yǎng)裝置產(chǎn)出的是0.6MPa的常溫氮?dú)?，因其壓力低，在充氮操作中不會因壓力下降?dǎo)致溫度下降過多，因此沒有瓶裝氮?dú)鈮毫档蛯?dǎo)致的溫度下降而可能會造成凍傷的情況。因此在正常操作中是安全的。

（3）在有限空間作業(yè)中如果氮?dú)鉂舛冗^高，在其中工作存在窒息的危險。因此要提前對保養(yǎng)區(qū)域通風(fēng)，并對其中的氧氣含量檢查確認(rèn)，防止發(fā)生危險。

5 鍋爐系統(tǒng)停機(jī)氮?dú)獗ｐB(yǎng)實(shí)施效果

5.1 提高了鍋爐系統(tǒng)的安全可靠性和使用壽命

紹興某燃?xì)鉄犭姽?014年2月完成了余熱鍋爐氮?dú)獗ｐB(yǎng)系統(tǒng)的安裝和使用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和啟停，該公司實(shí)現(xiàn)了機(jī)組即停運(yùn)即保養(yǎng)的良好操作模式。在機(jī)組停運(yùn)，鍋爐系統(tǒng)壓力消除后開始投入氮?dú)獗ｐB(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)，對鍋爐系統(tǒng)空氣進(jìn)行置換，保持系統(tǒng)內(nèi)氮?dú)鈮毫?0kPa左右，隨時抽樣測取氧氣的濃度，保證鍋爐內(nèi)部無氧氣進(jìn)入。

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，即使在長達(dá)3個月的機(jī)組停備，機(jī)組上水循環(huán)后給水中的Fe離子仍處于較好水平，說明鍋爐和管道金屬未受到腐蝕。該公司在2015年10月小修中，技術(shù)監(jiān)控單位對鍋爐汽包和管道系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢查，汽包及管道壁面光滑、無銹蝕，鍋爐保養(yǎng)評價效果為優(yōu)。

5.2 該成果取得的經(jīng)濟(jì)效益

5.2.1 如采用傳統(tǒng)的瓶裝氮?dú)鈱﹀仩t系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)，根據(jù)紹興某燃?xì)怆姀S經(jīng)驗(yàn)單臺鍋爐每月需900瓶氮?dú)猓ㄊ状纬涞?00瓶，每天補(bǔ)充20瓶），按瓶裝氮?dú)饷科?5元進(jìn)行計(jì)算，每月需要氮?dú)獗ｐB(yǎng)費(fèi)用9.45萬元，按每年每臺機(jī)組保養(yǎng)3個月進(jìn)行測算，費(fèi)用為18.9萬元。兩臺燃?xì)鉅t保養(yǎng)首次充氮需30瓶，每天充氮5瓶，按需3個月進(jìn)行計(jì)算，每年費(fèi)用為 3.78萬元。年用于天然氣系統(tǒng)濾網(wǎng)清理、閥門檢修等檢修置換用氮?dú)庥?jì)400瓶，需瓶裝氮?dú)赓M(fèi)用1.4萬元。經(jīng)計(jì)算每年消耗瓶裝氮?dú)饧s為24.8萬元，但因氮?dú)獬淙刖徛?，無法保證鍋爐充滿氮?dú)猓ｐB(yǎng)效果較差，仍需在鍋爐啟動和運(yùn)行中大量排污。

該氮?dú)庀到y(tǒng)采用物理分離方式對空氣分離，如果提供的壓縮空氣清潔，則氮?dú)馍a(chǎn)中分子篩不會產(chǎn)生老化現(xiàn)象，質(zhì)量較好的分子篩填料使用壽命可達(dá)十年以上，運(yùn)行中無其他運(yùn)行費(fèi)用。該公司新的氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)安裝費(fèi)用如下，氮?dú)庵苽溲b置50萬元，管路系統(tǒng)敷設(shè)3萬元，人工2萬元，共計(jì)55萬元。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出該項(xiàng)目在充氮保養(yǎng)和置換方面的直接投資回收期為2.21年。

5.2.2 該公司鍋爐采用氮?dú)獗ｐB(yǎng)系統(tǒng)后，減少了冷態(tài)啟動除鹽水的消耗。按兩臺機(jī)組年冷態(tài)啟動30次，在氮?dú)庀到y(tǒng)安裝前每次啟動放水3次，每次換水量300t計(jì)算，每年可節(jié)省除鹽水2.7萬t，除鹽水按10元/t進(jìn)行計(jì)算，每年可節(jié)省費(fèi)用達(dá)27萬元。鍋爐減排水量也得到了大幅減少，減少了工業(yè)廢水的處理和外排，有利于節(jié)能環(huán)保。機(jī)組啟動期間高、中、低壓系統(tǒng)需100%開度連續(xù)排污需5-6個小時，日補(bǔ)水在700t以上。實(shí)施后20分鐘后鍋爐水質(zhì)合格，連排全關(guān)。單臺機(jī)組日節(jié)約除鹽水500t/臺次。按機(jī)組啟動360次（該機(jī)組兩班制運(yùn)行，晝起夜停）計(jì)算，年可節(jié)約除鹽水18萬t，可節(jié)省費(fèi)用達(dá)180萬元。

5.3 取得的社會效益

采用氮?dú)庀到y(tǒng)對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)后，運(yùn)行人員可以在控制室完成充氮保養(yǎng)的所有操作，并能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，保證鍋爐的充氮保養(yǎng)效果。相對于采用瓶裝氮?dú)狻⒍磐吖抟旱?，槽罐車液氮等保養(yǎng)方式而言，采用氮?dú)庵苽溲b置后節(jié)省了大量的人力。該裝置采用后減少人力操作，消除了瓶裝氮?dú)夂鸵旱獛淼陌踩[患。

在采用了氮?dú)庀到y(tǒng)對鍋爐保養(yǎng)后，金屬壁面銹蝕狀況得到改善，鍋爐啟動及正常排污次數(shù)大幅減少，減少了除鹽水的制備量和爐水的排污量，有利于節(jié)能環(huán)保?？梢缘统杀咎峁┑?dú)庥糜谔烊粴庀到y(tǒng)的檢修置換操作，縮短了設(shè)備檢修時間。

6 氮?dú)獗ｐB(yǎng)設(shè)備的應(yīng)用前景

6.1 在鍋爐保養(yǎng)取得較好的效果后，該燃?xì)鉄犭姽疽阎鸩綄⒌獨(dú)獗ｐB(yǎng)范圍擴(kuò)充至整臺機(jī)組，將汽機(jī)側(cè)管路系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)管路也納入到保養(yǎng)范圍。在凝汽器、汽機(jī)汽缸內(nèi)部也由主汽管路充入氮?dú)?，減少內(nèi)部氧氣含量，降低汽輪機(jī)隔板葉片、凝汽器腐蝕。

6.2 改變氫冷發(fā)電機(jī)組瓶裝氮?dú)庵脫Q的現(xiàn)狀，將氮?dú)庵苽溲b置用管路接至發(fā)電機(jī)氫排位置，快速地完成發(fā)電機(jī)的氮?dú)鈿錃庵脫Q，節(jié)省檢修置換時間，也避免高壓氮?dú)馄拷?jīng)減壓后溫度降低對人員造成的凍傷等問題，提高發(fā)電機(jī)氮?dú)庵脫Q過程的安全性。

6.3 北方熱電企業(yè)采暖供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)加熱器、蒸汽管路系統(tǒng)龐大，傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥保養(yǎng)效果較差，如采用該氮?dú)庵苽湎到y(tǒng)對熱網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)，可以短時間內(nèi)完成系統(tǒng)充氮，達(dá)到以較小的成本實(shí)現(xiàn)設(shè)備充氮保養(yǎng)。減少供熱站設(shè)備的腐蝕，減少由于設(shè)備腐蝕造成的系統(tǒng)停運(yùn)，保證居民的采暖用熱。

6.4 對于市政系統(tǒng)熱力采暖長輸管道保養(yǎng)具有重要意義。熱力系統(tǒng)管路內(nèi)部采用防銹漆防腐，供熱停運(yùn)后采用不放水處理，管道內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重。如采用氮?dú)膺M(jìn)行保養(yǎng)，可以延長管路系統(tǒng)的使用壽命。以600m3/h的氮?dú)夤?yīng)裝置計(jì)算，只需一天時間即可完成直徑1米管路幾十公里的充氮保養(yǎng)任務(wù)，取得的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益不可估量。