張久龍 吳利寧 劉 忠 楊金生

（1. 陜西德源府谷能源有限公司，陜西 府谷 719400；2. 北京蕊奧博科技開發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100095）

0 引言

隨著高參數(shù)大容量火力發(fā)電機組的不斷投入運行，發(fā)電廠鍋爐“四管”（省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器）長期在高溫、高壓、腐蝕、磨損等特殊工作環(huán)境中運行，“四管”腐蝕泄漏事故在電力生產(chǎn)安全事故中占相當比例。據(jù)資料統(tǒng)計，近20年我國共記錄了40533次發(fā)電廠鍋爐“四管”腐蝕泄漏事故。其中，40%發(fā)生在水冷壁管，30%發(fā)生在過熱器，15%發(fā)生在再熱器，10%發(fā)生在省煤器，5%發(fā)生在旋風(fēng)燃燒器。80%的事故造成了發(fā)電機組非計劃停機，給發(fā)電廠運行經(jīng)濟性和安全性帶來極大隱患，成為發(fā)電廠增加經(jīng)濟效益最關(guān)鍵的障礙。

為了防治鍋爐“四管”腐蝕泄漏，相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的專家學(xué)者開展了多年的研究。為了提高對鍋爐承壓受熱面輕微泄漏的早期發(fā)現(xiàn)，縮短檢修時間降低臨檢率，基于聲學(xué)理論、熱力學(xué)、金相學(xué)及相關(guān)的熱力學(xué)物理模型和聲學(xué)物理模型的“四管”腐蝕泄漏在線監(jiān)測裝置得以發(fā)展應(yīng)用。然而，這種監(jiān)測方式，即便是靈敏度足夠高，能夠監(jiān)測出輕微泄漏，也只能是“事后”監(jiān)測。如何做好“四管”泄漏的“事前”有效預(yù)防和監(jiān)控，對于解決鍋爐“四管”泄漏具有重要意義。

化學(xué)腐蝕是導(dǎo)致鍋爐“四管”泄漏的一個重要因素，鍋爐“四管”受到化學(xué)腐蝕時，金屬表面可能被均勻腐蝕，也可能形成潰瘍腐蝕坑，或者金屬表面被沖刷出溝槽，都會使金屬壁減薄，強度下降，帶來安全風(fēng)險；腐蝕產(chǎn)物鐵氧化物沉積在金屬表面，降低傳熱效率，受熱面結(jié)1mm水垢，熱效率下降5%，鍋爐浪費燃料8%，嚴重影響電廠經(jīng)濟性；鐵氧化物沉積在彎頭等緩流部位，導(dǎo)致流量降低，壓力升高，導(dǎo)致管材過熱蠕變甚至爆管泄漏，導(dǎo)致機組“非停”。爐管內(nèi)部的腐蝕結(jié)垢還會使其它因素（如焊接質(zhì)量、超溫、熱疲勞等）的發(fā)展進程得以加速，使爐管泄漏點面積擴大化。通過化學(xué)腐蝕原理可知，高溫高壓下鐵的腐蝕產(chǎn)物是鐵氧化物和氫氣，腐蝕產(chǎn)生的氫氣如果不能被及時帶走，會導(dǎo)致氫腐蝕。氫原子在設(shè)備表面或滲入鋼內(nèi)部與不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生反應(yīng)，在晶界上生成甲烷，使爐管脫碳，機械強度受到永久性的破壞。在爐管內(nèi)部生成的甲烷無法外溢而集聚在爐管內(nèi)部形成巨大的局部壓力，造成應(yīng)力集中而發(fā)展為晶間微裂紋（應(yīng)力腐蝕）。

1 府谷電廠發(fā)電廠鍋爐給水腐蝕氧化在線監(jiān)測

府谷電廠2#機組水汽合格率在99%以上，但2021年機組大修期間割管檢查水冷壁管垢量266g/m2，結(jié)垢速率38g/m2·a；末級過熱器管垢量772.63g/m2，沉積率110.38g/m2·a；再熱器管垢量515.08g/m2，沉積率73.58g/m2·a。垢量測定結(jié)果表明即使在汽水指標合格情況下，四管設(shè)備依然有較大的腐蝕，也說明常規(guī)的監(jiān)督手段仍有不足，不能實時監(jiān)督鍋爐“四管”受腐蝕狀態(tài)。

在2021年4月至5月2#機組大修期間，更換了末級過熱器、后屏再熱器部分管道情況下。為實現(xiàn)精準測量、實時在線監(jiān)測“四管”的腐蝕情況，府谷電廠開展了基于痕量級溶解氫在線監(jiān)測技術(shù)的鍋爐”四管”腐蝕泄漏技術(shù)研究及應(yīng)用。

1.1 技術(shù)線路選擇

鐵氧化物和氫氣都是金屬在高溫高壓下的腐蝕產(chǎn)物，鐵氧化物絕大部分沉積在設(shè)備表面，而氫氣絕大部分溶解在水汽中，因此，測量溶解氫濃度更有代表性；目前市場上已有在線溶解氫表供應(yīng)，而沒有在線鐵表，基于此，確立了以溶解氫的在線檢測為基礎(chǔ)的技術(shù)方案，通過對溶解氫與汽水指標及工況的研判，建立一套鍋爐“四管”腐蝕泄漏在線監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1.1 水中痕量溶解氫的測量的化學(xué)理論基礎(chǔ)

在高溫環(huán)境下，水蒸汽管道表面水分子與金屬元素發(fā)生反應(yīng)，生成鐵氧化物的過程，稱為蒸汽氧化。反應(yīng)式如下：

從上述反應(yīng)式可看出，金屬表面形成了Fe3O4后，阻擋了Fe和水汽的接觸，反應(yīng)速度就取決于氫和鐵離子的擴散速度，隨著Fe3O4膜的增厚，擴散速度便隨著降低，氫的析出量就隨著降低。因此可根據(jù)氫的析出量變化，間接地檢測Fe3O4膜的形成情況。通過監(jiān)測鍋爐水汽系統(tǒng)中的微量溶解氫含量及變化趨勢，實時監(jiān)控?zé)崃ο到y(tǒng)的腐蝕狀況。

1.1.2 溶解氫監(jiān)督的優(yōu)點

隨著國內(nèi)高參數(shù)大容量機組的不斷投入運行，電廠對機組熱力系統(tǒng)水汽品質(zhì)及在線監(jiān)測技術(shù)提出了更高要求，常規(guī)的監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)不能滿足高參數(shù)大容量現(xiàn)代機組熱力系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測的技術(shù)要求，而溶解氫監(jiān)測優(yōu)點體現(xiàn)在以下方面：

（1）實時性。常規(guī)采用測量鐵、銅離子濃度來表征設(shè)備腐蝕狀況，常規(guī)腐蝕查定是定期采樣分析，做不到在線實時測量；溶解氫表是在線儀表，能夠進行實時測量；

（2）準確性。通?；炇也捎梅止夤舛确y量鐵離子濃度，此種方法5μg/L以下測量不準；若采用離子色譜或者原子吸收法分析鐵離子濃度，分析方法繁瑣、對操作人員技能要求較高，一般電廠沒有相應(yīng)設(shè)備。在線溶解氫表測量精度達到±0.25μg/L；

（3）靈敏性。金屬腐蝕產(chǎn)生的鐵氧化物大部分沉積在管道內(nèi)表面，能夠采樣到的只是水中的少部分鐵離子，而腐蝕產(chǎn)物氫氣幾乎都溶解在水汽中，因此監(jiān)測水中的溶解氫氣含量更靈敏，更有代表性。

1.2 水中痕量溶解氫測量原理

溶解氫表的測定采用熱導(dǎo)檢測原理，借鑒氣相色譜分析儀傳感器設(shè)計理念，采用了一種適用于電廠水汽系統(tǒng)微量溶解氫含量測定的熱導(dǎo)監(jiān)測池。熱導(dǎo)檢測池的工作原理是基于不同氣體具有不同的熱導(dǎo)率。熱絲具有電阻隨溫度變化的特性。當有一恒定直流電通過熱導(dǎo)池時，熱絲被加熱。由于載氣的熱傳導(dǎo)作用使熱絲的一部分熱量被載氣帶走，一部分傳給池體。當熱絲產(chǎn)生的熱量與散失熱量達到平衡時，熱絲溫度就穩(wěn)定在一定數(shù)值。此時，熱絲阻值也穩(wěn)定在一定數(shù)值。調(diào)零時由于參比池和測量池通入的都是同一種載氣，有相同的熱導(dǎo)率，因此兩臂的電阻值相同，電橋平衡，儀表顯示零。當有試樣進入檢測器時，載氣流經(jīng)參比池，載氣攜帶著氫氣流經(jīng)測量池，由于載氣和氫氣二元混合氣體的熱導(dǎo)率和純載氣的熱導(dǎo)率不同，測量池中散熱情況因而發(fā)生變化，使參比池和測量池中熱絲電阻值之間產(chǎn)生了差異，電橋失去平衡，檢測器有電壓信號輸出。載氣中待測組分的濃度越大，測量池中氣體熱導(dǎo)率改變就越顯著，溫度和電阻值改變也越顯著，電壓信號就越強。在一定條件下，輸出的電壓信號與樣品的濃度成正比，這正是在線溶解氫表的定量基礎(chǔ)。

圖1 熱導(dǎo)測量系統(tǒng)水路及氣路示意圖

1.3 溶解氫及其它指標的相關(guān)趨勢分析（如表1所示）

表1

2 鍋爐給水腐蝕氧化在線監(jiān)測典型案列

對某一系統(tǒng)來說，只有通過綜合分析，判定各因素影響大小，才能在生產(chǎn)運行中及時的采取對策，達到最佳的監(jiān)測、調(diào)控效果。

給水溶解氫突變

在標記點給水溶解氫發(fā)生躍升（如圖2所示），溶解氫含量從1.2μg/L躍升至3.6μg/L，表明給水系統(tǒng)保護膜不完整，設(shè)備受到腐蝕。在標記點前后，給水氫電導(dǎo)率（0.08μS/cm）、給水溶解氧（1.2μg/L）保持不變；給水溫度從230℃上升至275℃，給水pH從9.52下降至9.35；依據(jù)化學(xué)原理，溫度升高、pH降低都會促進設(shè)備腐蝕。因此可以判定，在保護膜不完整情況下，引起給水溶解氫突變的主要因素是溫度升高和pH降低這兩種因素疊加形成。所以，在機組運行中，如果給水溫度有較大幅度的升高，或者pH降低，給水中溶解氫含量增大，存在設(shè)備腐蝕隱患時，則應(yīng)及時加大給水加氨量，提高給水pH值，以抑制因溫度升高而帶來的給水系統(tǒng)腐蝕；當給水系統(tǒng)保護膜重新構(gòu)建完整時，溶解氫含量又會下降趨于平穩(wěn)（如圖3所示），給水溫度、pH變化與圖2差不多，但給水氫小于0.6μg/L，表明此時給水系統(tǒng)保護膜完整致密，金屬受到良好的保護。

圖2 給水溶解氫綜合指標

圖3 給水溶解氫綜合指標

3 鍋爐給水腐蝕氧化在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新性

3.1 實現(xiàn)了水中痕量溶解氫在線監(jiān)測技術(shù)

通過項目的實施，在日常的化學(xué)監(jiān)督工作中，增加了水中溶解氫的監(jiān)督工作。溶解氫指標比其他化學(xué)指標更直接、更有代表性，在鍋爐設(shè)備化學(xué)腐蝕防護中起到了類似于化學(xué)反應(yīng)中“指示劑”的作用，依據(jù)溶解氫含量的實時趨勢曲線，可對水工況和運行工況進行更精細的調(diào)節(jié)，有效避免水汽質(zhì)量高合格率下的設(shè)備腐蝕問題。

3.2 運行中機組實時判斷受熱面保護膜狀態(tài)

如果溶解氫含量小而穩(wěn)定（小于2μg/L），表明保護膜完整致密；如果運行中溶解氫含量升高，表明保護膜受到破壞，此時應(yīng)及時提高pH值，盡快修復(fù)保護膜，當保護膜修復(fù)后，水汽中溶解氫含量又會降低并趨于穩(wěn)定。府谷電廠2#機組汽水指標符合GB/T 12145《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》標準要求情況下，汽水中溶解氫含量仍存在較大的數(shù)值情況，這表明鍋爐“四管”設(shè)備存在較大的腐蝕。因此，在機組運行期間，除了控制水汽指標合格外，還應(yīng)重視水汽中溶解氫含量的實時監(jiān)督，在溶解氫含量變大時，通過腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)進行綜合分析，查明影響因素，及時進行處理。

3.3 機組預(yù)膜效果有了在線直接的評價依據(jù)

酸洗后機組投入運行，存在一個保護膜重新構(gòu)建的過程，也就是常說的預(yù)膜。通常情況，按現(xiàn)行的標準和規(guī)程，控制調(diào)節(jié)水汽指標，以水中鐵離子含量降至穩(wěn)定時作為預(yù)膜完成的依據(jù)。按這種做法，通常預(yù)膜時間長達數(shù)月，在此期間，受熱面未形成有效的保護膜，金屬會受到很大的腐蝕。通過本課題的開展，以溶解氫作為預(yù)膜效果的直接評價依據(jù)，來調(diào)控水汽指標：及時增加加藥量，調(diào)高給水pH值，盡快建立完整的保護膜（可把預(yù)膜時間縮短至1個月左右，明顯降低了設(shè)備的腐蝕，減小了垢量）。

3.4 實現(xiàn)多數(shù)據(jù)同步分析

進行綜合對比，能夠準確分析指標異常原因，極大的縮短處理時間。通過對溶解氫分析儀讀數(shù)的觀察，熱力系統(tǒng)中發(fā)生的腐蝕有了最為直接的判斷，從而積極采取相關(guān)措施，減小溶解氫含量，降低腐蝕的發(fā)生。隨著進一步對溶解氫含量進行實時監(jiān)測，建立起機組各項操作所帶來的溶解氫的變化關(guān)系，從而對機組啟停過程中的操作、機組運行工況進行優(yōu)化調(diào)整，最大限度降低機組的腐蝕與氧化，保證機組的安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

通過汽水系統(tǒng)溶解氫含量的在線連續(xù)監(jiān)測，可以實現(xiàn)對機組發(fā)生的金屬腐蝕及氧化情況進行跟蹤監(jiān)測，獲得高溫氧化皮增長速率的有效信息。并根據(jù)該信息結(jié)果對機組運行工況進行優(yōu)化調(diào)整，從而避免因氧化皮快速增長后的剝落會造成堵管或引起超溫爆管泄漏事故的發(fā)生，最大限度降低機組金屬材料的腐蝕與氧化。

府谷電廠2#機組鍋爐給水腐蝕氧化在線監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用，實現(xiàn)了實時監(jiān)督鍋爐汽水系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)，實時發(fā)出超溫腐蝕預(yù)警，指導(dǎo)運行調(diào)整操作，有效延緩機組的腐蝕，降低沉積率，增加經(jīng)濟效益和提高了機組安全水平。通過對溶解氫監(jiān)督的不斷探索，總結(jié)經(jīng)驗，可以推廣到廠內(nèi)其他機組應(yīng)用，尤其是直流爐，通過溶解氫監(jiān)督能夠精細化控制調(diào)節(jié)加氧操作，延緩機組的腐蝕，降低沉積率，增加經(jīng)濟效益和機組安全水平。該技術(shù)的測量原理和方法，可以推廣應(yīng)用在發(fā)電機定冷水漏氫監(jiān)督方面，防止發(fā)電機運行中進水燒毀事故的發(fā)生。