王 釗，王寧飛，張小宏，郭金平，劉 煥，賈予平

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710001）

目前，加氧處理在國(guó)內(nèi)外鍋爐給水處理中得到了廣泛應(yīng)用[1–3]。加氧處理技術(shù)是在鍋爐給水水質(zhì)達(dá)到一定純度（一般給水氫電導(dǎo)率小于0.15 μS/cm）及滿足一定工況的條件下，在凝結(jié)水、給水或高加疏水中加入適量的氧，并加入微量氨，以調(diào)節(jié)pH 值的水處理方法。

1 加氧處理原理

加氧處理是通過(guò)不斷向金屬表面均勻供氧，使金屬表面保持一層穩(wěn)定、完整的Fe3O4內(nèi)伸層，F(xiàn)e2+通過(guò)Fe3O4微孔通道中擴(kuò)撒出來(lái)進(jìn)入液相層，其中一部分Fe2+直接生成由Fe3O4晶粒組成的外延層。由于Fe3O4層呈微孔狀，通過(guò)微孔擴(kuò)散進(jìn)行遷移的Fe2+在孔內(nèi)或在氧化膜表層就地氧化，生成Fe2O3或水合三氧化二鐵（FeOOH，F(xiàn)eOOH 將老化成a-Fe2O3），沉積在Fe3O4層的微孔或顆粒的空隙中，封閉了Fe3O4氧化膜的孔口，從而降低了Fe2+擴(kuò)散和氧化的速率，在金屬表面生成了致密穩(wěn)定的Fe3O4和Fe2O3雙層保護(hù)膜[4]。其主要反應(yīng)如下。

Fe3O4生成總反應(yīng)：

覆蓋層主要反應(yīng)：

根據(jù)以上反應(yīng)，氧質(zhì)量濃度（以下稱氧量）是影響氧化膜形成的因素之一。純水中保持一定氧量，能夠提高Fe-H2O 體系的電位，使碳鋼的腐蝕電位高于其鈍化電位，最后生成致密的雙層氧化膜，達(dá)到防止流動(dòng)性加速腐蝕的目的[4]。因此，氧量對(duì)氧化膜的穩(wěn)定生成尤為重要。

2 加氧處理優(yōu)越性及存在問(wèn)題

常用的電廠鍋爐給水處理處理方式有還原性全揮發(fā)處理（AVT(R)）、弱氧化性全揮發(fā)處理（AVT（O））、加氧處理（OT）。

AVT（R）處理是鍋爐給水加氨和還原劑（又稱除氧劑，如聯(lián)氨）的處理。給水AVT（R）處理時(shí)，碳鋼表面形成磁性四氧化三鐵保護(hù)膜，該氧化膜空隙率高、溶解度高，不耐流動(dòng)加速腐蝕[5]。使用碳鋼制高壓加熱器、給水管、省煤器及疏水系統(tǒng)等容易發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕，給水、疏水的含鐵量一般較高，由此帶來(lái)鍋爐受熱面結(jié)垢速率偏高、鍋爐化學(xué)清洗周期縮短等問(wèn)題。

給水AVT（O）處理是鍋爐給水只加氨的處理。該種處理方式使給水系統(tǒng)處于弱的氧化狀態(tài)，給水系統(tǒng)的流動(dòng)加速腐蝕現(xiàn)象得到一定程度的抑制，但仍然存在鍋爐受熱面結(jié)垢速率高、酸洗周期短、精處理混床的氫型運(yùn)行周期短、水汽系統(tǒng)含鐵量高的問(wèn)題[2,6]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給水加氧處理是解決以上問(wèn)題的有效方式[6-8]。該處理技術(shù)能夠提高受熱碳鋼表面的自然腐蝕電位，使金屬表面發(fā)生極化進(jìn)入鈍化電位區(qū)，在金屬表面生成勻致密的Fe3O4和Fe2O3雙層保護(hù)膜，能夠抑制金屬發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕[9]，降低鐵含量[6-7,10]，從而降低水冷壁結(jié)垢速率，延長(zhǎng)酸洗周期，抑制鍋爐壓差上升速率，避免高加疏水調(diào)節(jié)閥和水冷壁節(jié)流孔堵塞。此外，經(jīng)過(guò)加氧處理的機(jī)組可在給水系統(tǒng)pH 值小于9.2時(shí)運(yùn)行，能減少精處理再生用酸、堿量等[11-13]，因此，加氧處理技術(shù)可提高電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[14-15]。鑒于加氧處理的獨(dú)特優(yōu)越性，加氧技術(shù)在火電機(jī)組上得到了推廣。

目前，加氧處理中普遍存在的問(wèn)題是，機(jī)組在調(diào)峰過(guò)程中負(fù)荷變化較大，故氧量波動(dòng)較大[16]，氧量的合格率較低[10]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致加氧設(shè)備無(wú)法正常投運(yùn)[17]，且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[18]，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)

為了解決加氧處理中機(jī)組負(fù)荷變化較大時(shí)氧量波動(dòng)較大、難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加氧的問(wèn)題，西安熱工研究院有限公司開(kāi)發(fā)了液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)。

3.1 原理

液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)使用工業(yè)純氧作為氧源，經(jīng)減壓后通過(guò)西安熱工研究院有限公司自主研發(fā)的質(zhì)溶復(fù)送機(jī)（簡(jiǎn)稱質(zhì)溶機(jī)）將氣態(tài)氧和除鹽水充分融合轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)富氧水，然后通過(guò)PI 調(diào)節(jié)技術(shù)將富氧水輸送至給水系統(tǒng)加氧點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)氧量自動(dòng)調(diào)節(jié)，其系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 液態(tài)恒值自動(dòng)加氧系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the liquid constant automatic oxygenated technology

3.2 技術(shù)核心

液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)的核心是質(zhì)溶復(fù)送機(jī)，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)液態(tài)富氧水的制備，還能夠?qū)崿F(xiàn)氧量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2.1 富氧水制備

氧氣經(jīng)過(guò)減壓后與除鹽水一起進(jìn)入質(zhì)溶復(fù)送機(jī)的核心流道組件，通過(guò)質(zhì)溶復(fù)送機(jī)多組件異形腔及膜的滲透，氧分子與水分子進(jìn)行充分融合，然后經(jīng)過(guò)分子交換器和壓力分化器，最終形成穩(wěn)定、無(wú)揮發(fā)的高濃度富氧水。質(zhì)溶復(fù)送機(jī)富氧水制備過(guò)程示意如圖2所示。

圖2 質(zhì)溶復(fù)送機(jī)富氧水制備過(guò)程示意Fig.2 Schematic diagram of the preparation of oxygen-rich water

3.2.2 氧量自動(dòng)調(diào)節(jié)

富氧水為高濃度的溶氧水，而給水系統(tǒng)中氧量為μg/L 數(shù)量級(jí)，故富氧水加入量的微小變化都會(huì)使給水系統(tǒng)氧量發(fā)生劇烈波動(dòng)。當(dāng)富氧水從質(zhì)溶復(fù)送機(jī)中輸送到加氧點(diǎn)時(shí)，經(jīng)化學(xué)儀表顯示氧量值存在時(shí)間延后，導(dǎo)致熱力系統(tǒng)加氧量調(diào)整滯后于機(jī)組負(fù)荷變化，造成給水系統(tǒng)氧量產(chǎn)生較大波動(dòng)。因此，質(zhì)溶復(fù)送機(jī)利用復(fù)合式PI 調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行超前調(diào)整，根據(jù)給水流量進(jìn)行流量配比，控制富氧水的加入，完善加氧控制曲線，其調(diào)節(jié)公式為

式中：Y為富氧水加入量，L/h；K1為流量系數(shù)；Q為給水流量，L/h；Kp為比例系數(shù)；K2為流量修正系數(shù)；ΔX為流量修正，L/h；Δt為時(shí)間修正系數(shù)。

質(zhì)溶復(fù)送機(jī)使用PI 調(diào)節(jié)技術(shù)控制富氧水的加入，并引入氧量對(duì)其進(jìn)行反饋修正，通過(guò)調(diào)整質(zhì)溶復(fù)送機(jī)出口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)氧量，使氧量基本恒定。

3.3 系統(tǒng)組成

液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)主要由氧源供給系統(tǒng)、富氧水制備系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等構(gòu)成。對(duì)已配備加氧設(shè)備的機(jī)組應(yīng)用液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)時(shí)，可在現(xiàn)有氧源供給設(shè)備（如匯流排）、氧氣輸送管道等的基礎(chǔ)上，增加富氧水制備、儲(chǔ)存和輸送系統(tǒng)，同時(shí)引入除鹽水源即可投入使用。

3.4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.4.1 富氧水加氧

液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)使用富氧水持續(xù)、可靠地輸送至各加氧點(diǎn)，通過(guò)液態(tài)剛性介質(zhì)輸送過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了加氧過(guò)程的整體可控。

3.4.2 加氧精度高

傳統(tǒng)加氧技術(shù)的氧量控制范圍一般為設(shè)定值的±30 μg/L，其氧量波動(dòng)范圍較大，在運(yùn)行中容易引起氧量超標(biāo)。而液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)能夠?qū)⒀趿靠刂凭忍岣叩皆O(shè)定值的±1 μg/L，在機(jī)組投入AGC 運(yùn)行及負(fù)荷大幅波動(dòng)的情況下，可將氧量自動(dòng)控制在設(shè)定值的±3 μg/L，從而確保加氧設(shè)備在任何工況下都能高精度自動(dòng)運(yùn)行，為機(jī)組加氧處理帶來(lái)的水汽品質(zhì)大幅提高和節(jié)能減排效果提供了可靠的技術(shù)保證。

3.4.3 機(jī)組氧量恒定

液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)通過(guò)液態(tài)剛性富氧水加入、復(fù)合式PI 調(diào)節(jié)等技術(shù)，除機(jī)組由于外界條件發(fā)生變化時(shí)基值氧量突然產(chǎn)生較大波動(dòng)的特殊情況（如精處理混床切換、前置過(guò)濾器投運(yùn)等過(guò)程中凝結(jié)水補(bǔ)水時(shí)基值氧量瞬時(shí)波動(dòng)的情況）外，可保證系統(tǒng)氧量恒定。

機(jī)組氧量恒定能夠保證氧化反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力持續(xù)穩(wěn)定，確保生成致密和均勻的氧化膜，在滿足鍋爐防腐要求的基礎(chǔ)上，避免在機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，冗余氧量進(jìn)入蒸汽側(cè)，對(duì)TP347H 等材質(zhì)的過(guò)熱器、再熱器可能發(fā)生的不良影響。

4 液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)應(yīng)用

4.1 在華電某電廠中的應(yīng)用

4.1.1 給水加氧系統(tǒng)

華電集團(tuán)某電廠超超臨界2×1 050 MW 機(jī)組鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐，于2012年11月投入運(yùn)行。該機(jī)組設(shè)計(jì)給水處理為加氨的全揮發(fā)處理（AVT(O)）和加氧處理（OT），加氧調(diào)試前給水處理方式為AVT(O)。該電廠于2014年5月進(jìn)行給水加氧處理，給水溶氧量在4～60 μg/L 間波動(dòng)，2015年3月對(duì)2 號(hào)機(jī)組小修期間發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組高壓過(guò)熱器和高壓再熱器出現(xiàn)大面積氧化皮脫落現(xiàn)象。

分析認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象與給水加氧運(yùn)行有關(guān)：該電廠2 臺(tái)機(jī)組通過(guò)人工調(diào)節(jié)控制加氧量，在機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)時(shí)人工調(diào)整存在滯后性，因此出現(xiàn)溶氧超標(biāo)；其次，在機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大或機(jī)組投AGC 模式時(shí)，氧量波動(dòng)大，容易超標(biāo)；此外，更換氧瓶時(shí)的壓力沖擊及投停精處理設(shè)備時(shí)帶入的空氣也會(huì)造成溶氧超標(biāo)。

4.1.2 加氧系統(tǒng)改造路線

為解決給水氧量波動(dòng)大導(dǎo)致溶氧超標(biāo)及溶氧波動(dòng)大的問(wèn)題，該電廠于2016年1月委托西安熱工研究院有限公司采用液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)對(duì)2 臺(tái)機(jī)組進(jìn)行改造。加氧系統(tǒng)改造前，氧氣通過(guò)匯流排減壓后進(jìn)入氣態(tài)加氧控制柜，然后通過(guò)加氧管線輸送至加氧點(diǎn)，改造前加氧系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 改造前加氧系統(tǒng)Fig.3 The oxygenation system before retrofitting

加氧系統(tǒng)改造路線：保留原給水加氧匯流排，拆除控制柜，替換為質(zhì)溶復(fù)送機(jī)；加氧管線未進(jìn)行改動(dòng)，將原匯流排氧氣出口與質(zhì)溶復(fù)送機(jī)進(jìn)氣口對(duì)接，從前置過(guò)濾器反洗水泵出口母管引一路DN20除鹽水管與質(zhì)溶復(fù)送機(jī)進(jìn)水口對(duì)接。改造后的加氧系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 改造后加氧系統(tǒng)Fig.4 The oxygenation system after retrofitting

加氧系統(tǒng)改造后氧氣通過(guò)匯流排進(jìn)入質(zhì)溶復(fù)送機(jī)中，在質(zhì)溶復(fù)送機(jī)中與除鹽水配制成一定壓力的恒濃度富氧水，通過(guò)復(fù)合式PI 調(diào)節(jié)技術(shù)，利用原加氧管線輸送至加氧點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了該電廠液態(tài)自動(dòng)加氧技術(shù)改造。

4.1.3 改造效果

加氧系統(tǒng)改造前，1 號(hào)機(jī)組給水氧量在4～60 μg/L間波動(dòng)，2 天內(nèi)加氧過(guò)程給水氧量和機(jī)組負(fù)荷疊加圖如圖5所示。從圖5可看出，加氧系統(tǒng)改造前1 號(hào)機(jī)組負(fù)荷為571～1 053 MW 時(shí)，給水氧量在4～48 μg/L間波動(dòng)，波動(dòng)范圍較大。

圖5 1 號(hào)機(jī)組加氧系統(tǒng)改造前給水氧量及機(jī)組負(fù)荷疊加圖Fig.5 The dissolved oxygen contents and unit loads in No.1 unit before the system retrofitting

1 號(hào)機(jī)組加氧系統(tǒng)改造之后30 天加氧過(guò)程給水氧量和給水流量疊加圖如圖6所示。從圖6可看出，1號(hào)機(jī)組加氧系統(tǒng)改造后，給水流量在1 509～3 129 m3/h間波動(dòng)時(shí)，給水氧量控制值為18 μg/L，給水氧量控制精度為±3 μg/L。液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)改造后的給水氧量波動(dòng)范圍由改造前的4～48 μg/L 降低至18±3 μg/L，明顯降低了給水氧量波動(dòng)范圍，解決了機(jī)組給水氧量波動(dòng)范圍大、難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的問(wèn)題。1 號(hào)機(jī)組在加氧自動(dòng)化改造之后，一直運(yùn)行至今，未出現(xiàn)溶氧超標(biāo)、過(guò)熱器及再熱器出現(xiàn)氧化皮現(xiàn)象，保證了機(jī)組運(yùn)行安全性。

圖6 1 號(hào)機(jī)組加氧系統(tǒng)改造后給水氧量及流量疊加圖Fig.6 The dissolved oxygen content and feedwater flow in No.1 unit after the retrofitting

該電廠超超臨界2×1 050 MW 機(jī)組給水加氧系統(tǒng)改造后提高了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性：給水pH 均值由9.1 降至8.9，周期制水量由26 萬(wàn)t 提高至35 萬(wàn)t，氨的使用量約減少了46%，全年減少再生次數(shù)約10 次，每年減少用氨成本約2.5 萬(wàn)元，減少精處理再生、反洗及廢水處理成本約22 萬(wàn)元；另外，改造后加氧設(shè)備維護(hù)成本降低了，也不再使用價(jià)格較貴的質(zhì)量流量器等設(shè)備，維護(hù)中只需更換較便宜的液態(tài)加氧設(shè)備配件即可；實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加氧，無(wú)需人工調(diào)節(jié)加氧量，減少了人工成本。

4.2 在典型電廠中的應(yīng)用

液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)在不同機(jī)組和各種工況條件下，均能維持給水系統(tǒng)氧量基本恒定。該技術(shù)目前在多個(gè)電廠使用，取得了良好效果，在機(jī)組投入AGC 運(yùn)行、負(fù)荷大幅波動(dòng)的情況下，加氧量均可穩(wěn)定控制為設(shè)定值±3 μg/L，保證了氧量恒定。典型電廠液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)應(yīng)用效果見(jiàn)表1。

表1 液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)在典型電廠應(yīng)用效果Tab.1 The application effects of the liquid constant automatic oxygenated technology in typical power plants

5 結(jié) 論

1）液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)將富氧水持續(xù)、可靠地輸送至各加氧點(diǎn)，利用液態(tài)剛性介質(zhì)輸送過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了加氧過(guò)程的整體可控。除凝結(jié)水補(bǔ)水時(shí)基值氧量瞬時(shí)大幅波動(dòng)的情況外，液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)解決了機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，氧量波動(dòng)大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了加氧過(guò)程中氧量的恒值控制。

2）在機(jī)組投入AGC 運(yùn)行、負(fù)荷大幅波動(dòng)的情況下，液態(tài)恒值自動(dòng)加氧技術(shù)能夠?qū)⒔o水系統(tǒng)氧量自動(dòng)控制在設(shè)定值±3 μg/L 的水平，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保證。