王 濤 賈賀然 周 博 張保軍 丁 峰 劉 忠 曹鐵鑄

（1. 國(guó)家能源集團(tuán)焦作電廠有限公司，河南 焦作 454350；2. 北京蕊奧博科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100091；3. 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100026）

0 引言

我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)具有以煤為主的顯著特征，直接決定了我國(guó)電力結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電為主的特點(diǎn)。超超臨界火電機(jī)組（600MW及1000MW）具有煤耗低、污染物排放少等節(jié)能減排效益。近些年在我國(guó)飛速發(fā)展，超超臨界機(jī)組占煤電裝機(jī)容量的比重逐漸增大，已成為我國(guó)火電機(jī)組發(fā)展的必然趨勢(shì)。

鍋爐給水加氧處理被認(rèn)為是目前解決超（超）臨界鍋爐受熱面結(jié)垢和汽輪機(jī)通流部件沉積、腐蝕的先進(jìn)處理工藝，也是大型火力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的有效措施之一。DL/T 805.4-2016《火電廠汽水化學(xué)導(dǎo)則第4部分：鍋爐給水處理》[1]第4.1條“給水處理方式選擇原則”第c款指出，新機(jī)組待運(yùn)行穩(wěn)定，水質(zhì)滿足加氧要求后，應(yīng)盡早考慮實(shí)施給水加氧處理（OT）。根據(jù)國(guó)內(nèi)外電廠的相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給水采用加氧處理可解決直流鍋爐給水含鐵量高、水冷壁管結(jié)垢速率大、鍋爐壓差上升快、水冷壁節(jié)流孔以及高加疏水調(diào)節(jié)閥氧化鐵堵塞等問(wèn)題[2]。神華國(guó)能某電廠1號(hào)機(jī)組（660MW超超臨界直流鍋爐）此前使用的給水處理方式為只加氨的氧化性全揮發(fā)處理（即AVT（O）），現(xiàn)引入全保護(hù)加氧處理，擬有效抑制給水系統(tǒng)、高加疏水系統(tǒng)的腐蝕，避免因腐蝕產(chǎn)生的一系列不利于機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的問(wèn)題。

目前常見(jiàn)的水汽系統(tǒng)監(jiān)督手段主要是通過(guò)在線儀表的數(shù)據(jù)和定期測(cè)定水汽中腐蝕性離子和鐵離子濃度的方法進(jìn)行運(yùn)行中監(jiān)督，再結(jié)合大小修的垢量分析進(jìn)行金屬設(shè)備高溫氧化或腐蝕的事后評(píng)價(jià)。但設(shè)備管道腐蝕產(chǎn)物的氧化物絕大部分沉積在金屬表面，較少量溶解在水汽中，因此上述方法不能連讀表征腐蝕的進(jìn)展情況，且實(shí)驗(yàn)室手工化驗(yàn)數(shù)據(jù)的間斷性，未做到實(shí)時(shí)監(jiān)督。目前全行業(yè)化學(xué)監(jiān)督的調(diào)查研究顯示存在水汽質(zhì)量合格率高和沉積率（垢量）高的“兩高”矛盾。

設(shè)備金屬表面具有優(yōu)越的耐腐蝕性能是由于其表面致密氧化膜的生成，良好地隔絕了鐵與水的反應(yīng)。當(dāng)保護(hù)膜遭到腐蝕被破壞時(shí)，鐵與水在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)生成鐵的氧化物與氫氣，氧化物沉積在管道表面，而氫氣溶于水，直接導(dǎo)致水汽中的溶解氫含量增加。因此，通過(guò)水汽系統(tǒng)溶解氫含量的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，可評(píng)價(jià)設(shè)備的腐蝕程度。

本文介紹了一套基于水汽系統(tǒng)痕量溶解氫含量測(cè)定的新型熱力系統(tǒng)鍋爐“四管”（省煤器管、水冷壁管、過(guò)熱器管、再熱器管）腐蝕與氧化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可用于監(jiān)測(cè)高溫腐蝕段各有關(guān)參數(shù)的變化、設(shè)置參數(shù)預(yù)警上下限值、分析并顯示歷史數(shù)據(jù)及曲線、提供運(yùn)行操作指導(dǎo)性建議等。該套系統(tǒng)已成功應(yīng)用在神華國(guó)能某電廠1號(hào)機(jī)組，并分析了加氧處理前后對(duì)系統(tǒng)溶解氫含量的影響，針對(duì)電廠的實(shí)際運(yùn)行情況提出相關(guān)運(yùn)行建議。

1 全保護(hù)自動(dòng)加氧處理工藝簡(jiǎn)介

全保護(hù)加氧處理工藝原理示意圖如圖1所示。加氧點(diǎn)為三點(diǎn)，分別為凝結(jié)水精處理出口母管凝結(jié)水，除氧器下降管給水和1號(hào)高加氣側(cè)就地壓力管道。通過(guò)向給水中加入低濃度溶解氧，滿足給水系統(tǒng)防腐鈍化要求，而蒸汽中基本無(wú)氧，避免蒸汽中較高濃度氧可能促進(jìn)蒸汽管道氧化皮剝落的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)向高加汽側(cè)單獨(dú)加氧可解決高加疏水系統(tǒng)的腐蝕問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)水汽系統(tǒng)熱力設(shè)備的全面保護(hù)，并最大限度地延長(zhǎng)精處理混床的運(yùn)行周期[3,4]。

圖1 全保護(hù)加氧處理工藝原理示意圖

全保護(hù)自動(dòng)加氧處理裝置是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)全保護(hù)加氧處理工藝的設(shè)備，具有以下獨(dú)特功能和性能指標(biāo)：1）實(shí)現(xiàn)氣態(tài)精確加氧，使給水中溶解氧滿足防腐要求且蒸汽系統(tǒng)無(wú)氧；2）實(shí)現(xiàn)高加汽側(cè)直接加氧，解決蒸汽無(wú)氧后高加疏水有足夠溶解氧滿足防腐的要求；3）采用高壓壓縮空氣作為氧氣來(lái)源，解決高溫高壓（＞300℃，10MPa）工況下高加汽側(cè)不能加入純氧氣的安全難題；4）配備自動(dòng)供氣系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)定期更換氧氣瓶的供氣方式，首次實(shí)現(xiàn)加氧運(yùn)行無(wú)人值守，完全自動(dòng)。

2 溶解氫在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

高溫水蒸汽氧化是金屬腐蝕的一種特殊形式，在450℃～570℃的水蒸汽中，暴露于水汽環(huán)境中的鐵發(fā)生如下反應(yīng)：

當(dāng)溫度高于570℃，生成物為Fe2O3，反應(yīng)如下：

由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)水汽系統(tǒng)溶解氫含量的監(jiān)測(cè)，可有效地判定金屬設(shè)備壁面形成的氧化膜是否完整，可供專業(yè)人員對(duì)熱力系統(tǒng)的腐蝕較快地做出評(píng)估，并根據(jù)水汽中各部分參數(shù)的含量找出腐蝕原因[5,6]。

電廠水汽系統(tǒng)痕量溶解氫在線監(jiān)測(cè)裝置安裝在汽水取樣儀表間，根據(jù)不同物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)不同的熱導(dǎo)檢測(cè)原理，并借鑒氣相色譜分析儀傳感器的設(shè)計(jì)理念，研發(fā)了溶解氫傳感器，具有優(yōu)良的抗氧干擾能力。本套在線腐蝕監(jiān)測(cè)工作站可提供以下常見(jiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)但不限于列出項(xiàng)：機(jī)組負(fù)荷、過(guò)熱汽溫度、過(guò)熱器壁溫、再熱器壁溫、爐管壁溫、給水氫導(dǎo)、給水pH、給水氧、給水氫、分離器出口電導(dǎo)率、分離器出口氫、主汽氫導(dǎo)、主汽氫、主汽氧、再熱氫導(dǎo)、再熱氫，凝結(jié)水氧等。

3 水汽指標(biāo)的監(jiān)測(cè)

水汽系統(tǒng)高溫氧化及腐蝕在線監(jiān)控裝置（溶解氫在線監(jiān)測(cè)）在某電廠1號(hào)機(jī)組投入使用后，主要對(duì)給水、過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽的氫電導(dǎo)率、溶解氫、氧含量等水汽指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，儀器每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，并形成連續(xù)圖譜，同時(shí)機(jī)組負(fù)荷對(duì)溶解氫含量的影響也得到了監(jiān)督。加氧處理技術(shù)首次應(yīng)用在1號(hào)機(jī)組，通過(guò)對(duì)比加氧前后加氧量對(duì)溶解氫含量的影響，對(duì)電廠運(yùn)行和“四管”腐蝕防護(hù)提出指導(dǎo)性建議。

3.1 水汽氫電導(dǎo)率與溶解氫關(guān)系

給水與過(guò)熱蒸汽取樣點(diǎn)測(cè)得氫電導(dǎo)率與溶解氫隨時(shí)間變化的情況如圖2（a）和圖3（b）所示，當(dāng)氫電導(dǎo)率小于0.10μS/cm時(shí)，溶解氫含量穩(wěn)定，說(shuō)明設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定幾乎不受腐蝕；氫電導(dǎo)率發(fā)生突變時(shí)，溶解氫也隨之變化，證明此在線監(jiān)測(cè)設(shè)備靈敏性較高，具有優(yōu)良的監(jiān)測(cè)能力，可通過(guò)數(shù)值和曲線的變化密切關(guān)注水汽中溶解氫的含量，對(duì)水工況進(jìn)行及時(shí)做出調(diào)整，最大限度的抑制腐蝕的發(fā)生。因此，通過(guò)溶解氫含量的監(jiān)督，建議機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中嚴(yán)格控制給水水質(zhì)指標(biāo)，確保氫電導(dǎo)率小于0.10μS/cm。

圖2（a） 給水氫電導(dǎo)率與溶解氫含量隨時(shí)間的變化

圖3（b） 過(guò)熱蒸汽氫電導(dǎo)率與溶解氫含量隨時(shí)間的變化

3.2 給水加氧與給水溶解氫關(guān)系

加氧前后給水氧濃度與溶解氫含量的變化曲線參如圖4所示。加氧處理前1號(hào)機(jī)組給水處理采用只加氨的氧化性全揮發(fā)處理（AVT（O）），氧濃度通常小于10μg/L，隨著氧濃度的突變，溶解氫含量也產(chǎn)生突變（圖4（a）），這說(shuō)明AVT工況給水氧含量的升高會(huì)誘導(dǎo)腐蝕行為的發(fā)生，鐵與水發(fā)生反應(yīng)釋放出氫氣。

圖4（a） 給水加氧處理前氧濃度與溶解氫含量的關(guān)系曲線

給水加氧量與設(shè)備腐蝕關(guān)系密切，機(jī)組于2021年6月底開(kāi)始采用加氧技術(shù)，初期加氧濃度較高約100μg/L，隨后加氧量降低并探究了不同濃度加氧量對(duì)溶解氫的影響（圖4（b）、圖4（c））。當(dāng)加氧濃度高時(shí)，氫含量降低，加氧濃度低，則氫含量升高。由此可見(jiàn)，在加氧處理的水工況下，應(yīng)適度提高加氧量，盡快使水汽中溶解氫含量降低并處于穩(wěn)定水平，在設(shè)備表面形成致密的氧化膜防止設(shè)備腐蝕，完成加氧轉(zhuǎn)工況工作。在加氧處理實(shí)施1個(gè)月后，溶解氫濃度減低并穩(wěn)定在2μg/L附近，即已完成預(yù)膜的初始階段，后期氧化膜是否穩(wěn)定還有待對(duì)水汽系統(tǒng)各指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖4（c） 給水加氧處理三十天后氧濃度與溶解氫含量的關(guān)系曲線

圖4（b） 給水加氧處理十天后氧濃度與溶解氫含量的關(guān)系曲線

3.3 給水加氧與蒸汽溶解氫關(guān)系

過(guò)熱蒸汽與再熱蒸汽的溶解氫含量也在本項(xiàng)目中得到在線監(jiān)測(cè)，圖5反映了其隨給水氧濃度變化的曲線。與給水溶解氫的變化趨勢(shì)相似，在AVT（O）水工況下，過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽的溶解氫含量也會(huì)隨加氧量的突變而出現(xiàn)明顯波動(dòng)，其中對(duì)再熱蒸汽的影響程度較高。應(yīng)用加氧處理技術(shù)后，加氧量增加，溶解氫含量減低。因此建議在水工況運(yùn)行轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)盡可能提高加氧量，縮短預(yù)膜時(shí)間使各設(shè)備運(yùn)行盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5（a） 過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽加氧處理前氧濃度與溶解氫含量的關(guān)系曲線

圖5（b） 過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽加氧處理十天后氧濃度與溶解氫含量的關(guān)系曲線

3.4 給水氧濃度與機(jī)組負(fù)荷

全揮發(fā)處理技術(shù)（AVT（O））通過(guò)在給水中加入氨以升高pH值至9.0以上，隨后結(jié)合化學(xué)除氧和熱力除氧的原理除去給水中的溶解氧，從而達(dá)到預(yù)防和降低鍋爐鋼材腐蝕的效果，但由此帶來(lái)的流動(dòng)加速腐蝕（FAC）現(xiàn)象不容忽視[7-9]。給水加氧技術(shù)的應(yīng)用可有效解決上述問(wèn)題。

圖5（c） 過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽加氧處理一個(gè)月后氧濃度與溶解氫含量的關(guān)系曲線

加氧前后給水氧濃度隨機(jī)組負(fù)荷變化的關(guān)系曲線如圖6所示。加氧前給水溶解氧濃度基本穩(wěn)定，不隨機(jī)組負(fù)荷的變化而變化（圖6（a））。當(dāng)給水采用全保護(hù)自動(dòng)加氧處理后（圖6（b）、圖6（c）），隨著機(jī)組負(fù)荷和升高，給水溶解氧含量也升高，但在時(shí)間上略有滯后。這是由于機(jī)組負(fù)荷和體系溫度的升高，水流量隨之增大，流動(dòng)加速腐蝕的可能性增加，此時(shí)專業(yè)人員可根據(jù)需要及時(shí)增加加氧量，并監(jiān)測(cè)溶解氫的含量，金屬表面在O2的持續(xù)作用下再次形成穩(wěn)定致密的保護(hù)膜，以達(dá)到保護(hù)和修復(fù)設(shè)備表面氧化膜的作用，減緩鍋爐給水系統(tǒng)潛在的FAC問(wèn)題。

圖6（c） 加氧處理一個(gè)月后給水氧濃度與機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線

圖6（b） 加氧處理一周后給水氧濃度與機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線

圖6（a） 加氧處理前給水氧濃度與機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

（1）水汽系統(tǒng)高溫氧化及腐蝕在線監(jiān)測(cè)設(shè)備（溶解氫監(jiān)測(cè)）在660MW超超臨界機(jī)組直流鍋爐全保護(hù)加氧處理下應(yīng)用，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)給水、過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽的溶解氫指標(biāo)，分析了加氧量對(duì)溶解氫含量的影響情況，判斷預(yù)膜是否完成及機(jī)組啟停及運(yùn)行期間汽水系統(tǒng)腐蝕情況；

（2）機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制補(bǔ)給水給水質(zhì)量，確保氫電導(dǎo)率小于0.10μS/cm，使氧化膜處于穩(wěn)定狀態(tài)，緩解由于水質(zhì)帶來(lái)的腐蝕可能性；

（3）轉(zhuǎn)換為給水加氧處理后，建議先提高加氧量，盡快使水汽中的溶解氫含量降低并穩(wěn)定下來(lái)，依據(jù)溶解氫含量的限定值判斷預(yù)膜是否形成，待設(shè)備及管道表面生成致密的氧化膜后根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整至合理的加氧水平；

（4）隨著機(jī)組負(fù)荷的升高，專業(yè)人員可及時(shí)提高給水加氧量，監(jiān)測(cè)給水溶解氫含量，使設(shè)備表面形成穩(wěn)定致密的氧化膜以建立新的平衡，達(dá)到修護(hù)保護(hù)膜的作用，減緩給水系統(tǒng)的流動(dòng)加速腐蝕；

（5）此外，依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議在機(jī)組的啟動(dòng)階段盡早投入精處理系統(tǒng)，嚴(yán)格控制水汽中溶解氫含量至低值，在停機(jī)過(guò)程中，盡量提高pH值，可有效延緩設(shè)備腐蝕，減少鍋爐設(shè)備的沉積，有助于“四管”的腐蝕防護(hù)。