董利斌 黃 斌 劉 忠

（1. 浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315722；2. 北京蕊奧博科技開發(fā)有限任公司，北京 海淀 100095）

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)。

目前常見的水汽系統(tǒng)監(jiān)督手段主要是通過在線儀表的數(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續(xù)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，而氫氣逸散性很強(qiáng)、逸散的氫氣直接導(dǎo)致水汽中的溶解氫含量增加。因此，通過水汽系統(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。

由于深度調(diào)峰，快速的升降負(fù)荷和快速停機(jī)時(shí)有發(fā)生，溫度急劇變化，氧化膜很容易被破壞，運(yùn)行人員來不及調(diào)控相應(yīng)的化學(xué)參數(shù)，造成機(jī)組腐蝕加劇。

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(shí)帶走，會(huì)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?fàn)t管脫碳，機(jī)械強(qiáng)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）。

本文介紹了一套基于水汽系統(tǒng)痕量溶解氫含量測(cè)定的新型過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可用于監(jiān)測(cè)過熱器管道溶解氫含量及各有關(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)用在大唐浙江某機(jī)組，并分析了過熱器前后對(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 研究背景及意義

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(kuò)散速度，隨著Fe3O4膜的增厚，擴(kuò)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(cè)Fe3O4膜的形成情況。本項(xiàng)目研制的過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于發(fā)電廠過熱器氧化腐蝕的在線監(jiān)測(cè)，其通過監(jiān)測(cè)過熱器蒸汽中的微量溶解氫含量及過熱蒸汽流量和其它相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控過熱器氧化腐狀況。

氫腐蝕：爐管暴露在高溫高壓的氫氣環(huán)境中或者析氫條件下，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?fàn)t管脫碳，機(jī)械強(qiáng)度受到永久性的破壞。在爐管內(nèi)部氧化膜下面生成的甲烷無法外溢而集聚在爐管內(nèi)部氧化膜下面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）。其反應(yīng)方程為Fe3C+2H2→3Fe+CH4。

2 研究的現(xiàn)狀

常規(guī)過熱器氧化腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有應(yīng)用，尤其在大容量機(jī)組上的應(yīng)用比較廣泛，對(duì)于保障大容量機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。目前，國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠過熱器氧化腐蝕的監(jiān)測(cè)技術(shù)有如下方法：

監(jiān)測(cè)方法分類：主要測(cè)量方法有割管法，電感法，溶解氫法。

割管法：是在設(shè)備運(yùn)行一定時(shí)間后檢測(cè)有無裂紋，剩余壁厚是多少，需要在機(jī)組停機(jī)時(shí)檢測(cè)。

超聲波法和漏磁法：在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，檢測(cè)因介質(zhì)作用使設(shè)備發(fā)生的腐蝕速率是多少。

電感法：出現(xiàn)于九十年代，測(cè)試敏感度高，適應(yīng)于各種介質(zhì)。其原理是將一金屬薄片置于探頭外表面，通過測(cè)量探頭內(nèi)線圈信號(hào)的變化推算腐蝕速度，需要在高溫高壓管道上安裝探頭。

溶解氫法：檢測(cè)因介質(zhì)作用使設(shè)備發(fā)生的氧化腐蝕是多少，獲得的是設(shè)備腐蝕過程的有關(guān)信息，以及生產(chǎn)操作參數(shù)（包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施）與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，其主要目的是控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行。

3 研究的主要內(nèi)容

本項(xiàng)目依據(jù)發(fā)電廠鍋爐腐蝕機(jī)理，設(shè)計(jì)研制了發(fā)電廠過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在國(guó)內(nèi)某電廠進(jìn)行了過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。溶解氫在線檢測(cè)系統(tǒng)原理如下：

在發(fā)電廠過熱器管道上安裝在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀和氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)過熱蒸汽溶解氫含量；氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集分析過熱蒸汽相關(guān)化學(xué)參數(shù)、溫度等信息。獲得的是設(shè)備腐蝕過程的有關(guān)信息，以及生產(chǎn)操作參數(shù)（包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施）與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，其主要目的是控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行。

3.1 過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀、過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元、過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件組成。

3.1.1 在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀

在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過熱器蒸汽溶解氫含量及變化趨勢(shì)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊IS中，溶解氫含量是設(shè)備腐蝕過程的關(guān)鍵參數(shù)。

3.1.2 過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元

過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元負(fù)責(zé)將過熱器蒸汽溶解氫含量、過熱蒸汽溫度、過熱器壁溫、機(jī)組負(fù)荷、給水pH、給水溶解氧、過熱蒸汽溶解氧等參數(shù)從SIS中采集到過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件中。

3.1.3 過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件

過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件負(fù)責(zé)分析過熱器蒸溶解氫含量、過熱蒸汽溫度、過熱器壁溫、機(jī)組負(fù)荷、給水pH、給水溶解氧、過熱蒸汽溶解氧等參數(shù)，生產(chǎn)操作參數(shù)（包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施）與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，其主要目的是控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行。

過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件根據(jù)過熱器蒸汽溶解氫含量、機(jī)組負(fù)荷，及時(shí)調(diào)整給水pH值和給水溶解氧參數(shù)，在機(jī)組停運(yùn)前，提高pH達(dá)到停爐保護(hù)作用，在機(jī)組啟動(dòng)階段，適當(dāng)提高給水pH和給水溶解氧，快速修復(fù)氧化膜，減少氧化腐蝕產(chǎn)生。

3.2 過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試

對(duì)過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分進(jìn)行分步研發(fā)后，開始進(jìn)行過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體安裝調(diào)試，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試包括以下試驗(yàn)內(nèi)容：

3.2.1 在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀的運(yùn)行調(diào)試

在機(jī)組汽水集中取樣儀表間安裝二臺(tái)在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀，同時(shí)監(jiān)測(cè)過汽水分離器溶解氫含量和過熱器蒸汽溶解氫含量，經(jīng)過一周的安裝調(diào)試，二臺(tái)在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行正常，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

3.2.2 過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元的運(yùn)行調(diào)試

在電廠提供虛擬服務(wù)器上安裝過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集軟件，負(fù)責(zé)從電廠SIS上采集相關(guān)的數(shù)據(jù)；在電廠各部門的密切配合下，所需相關(guān)數(shù)據(jù)鏈接正常，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

3.2.3 過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件的運(yùn)行調(diào)試

在電廠提供虛擬服務(wù)器上安裝過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件，負(fù)責(zé)分析獲得的是設(shè)備腐蝕過程的有關(guān)信息，以及生產(chǎn)操作參數(shù)（包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施）與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，其主要目的是控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行。

3.3 過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

本項(xiàng)目研制的過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某電廠600WM機(jī)組過熱器氧化腐蝕的在線監(jiān)測(cè)上，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)地反映了機(jī)組運(yùn)行期間的腐蝕狀態(tài)。

2022年01月19日接到網(wǎng)調(diào)指令，要求4號(hào)機(jī)22:00停機(jī)，負(fù)荷從550MW在一個(gè)小時(shí)降到0MW，如表1所示。4#機(jī)停機(jī)過程數(shù)據(jù)和圖1。4#機(jī)停機(jī)過程曲線，由于時(shí)間倉促，不能及時(shí)采取可靠的停爐保養(yǎng)措施。

表1 4#機(jī)停機(jī)過程數(shù)據(jù)

圖1 4#機(jī)停機(jī)過程曲線

4號(hào)機(jī)于2022年02月14日8:00啟機(jī)

2022年02月14日8:00機(jī)組啟動(dòng)，在啟機(jī)過程中通過表2和圖2可以看到過熱蒸汽溶解氫含量達(dá)到6.13μg/L，說明在停爐期間有極其微小的腐蝕，如果停爐前時(shí)間允許的話，將給水pH提高的時(shí)間更長(zhǎng)一些，在停爐前2個(gè)小時(shí)將給水pH提高到上限允許范圍。

表2 4#機(jī)啟機(jī)過程數(shù)據(jù)

圖2 4#機(jī)啟機(jī)過程曲線

通過表3和圖3可以看到，從2022年02月14日～2022年02月24日期間，過熱蒸汽從6.13μg/L下降到0.95μg/L，pH從2022年02月14日～2022年02月23日期間保持在9.35～9.40之間運(yùn)行，提高pH對(duì)過熱蒸汽保護(hù)膜的修復(fù)起到關(guān)鍵作用，如果在此期間給水溶解氧調(diào)整能夠提高一些的話，過熱蒸汽保護(hù)膜的修復(fù)效果更好。

表3 機(jī)組啟動(dòng)后調(diào)整階段數(shù)據(jù)

圖3 機(jī)組啟動(dòng)后調(diào)整階段曲線

圖5 2022年03月03日～2022年03月24日

2 0 2 2年0 3月0 5日1 0.5 1機(jī) 組 負(fù) 荷5 6 6.2 4（MW）、pH8.82、過熱器溶解氫1.17μg/L、汽水分離器溶解氫0.73μg/L，11.59機(jī)組負(fù)荷275.20（MW）、pH8.89、過熱器溶解氫0.93μg/L、汽水分離器溶解氫0.29μg/L，13.22機(jī)組負(fù)荷615.83（MW）、pH8.84、過熱器溶解氫1.29μg/L、汽水分離器溶解氫0.78μg/L，從圖4的歷史曲線分析，汽水分離器溶解氫和過熱器溶解氫與機(jī)組負(fù)荷的變化而變化，說明前期pH或給水溶解氧的量偏低，為今后的運(yùn)行提供參考依據(jù)。

圖4 機(jī)組負(fù)荷升降對(duì)保護(hù)膜的影響

通過運(yùn)行的精細(xì)化調(diào)整，汽水分離器溶解氫和過熱器溶解氫運(yùn)行平穩(wěn)溶解氫含量小于1.00μg/L，過熱器腐蝕已經(jīng)降到極佳水平。

4 結(jié)語

（1）本項(xiàng)目開發(fā)過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的微量溶解氫監(jiān)測(cè)儀，可以準(zhǔn)確測(cè)量火力發(fā)電廠水汽系統(tǒng)中微量氫的含量；通過監(jiān)測(cè)水汽系統(tǒng)中的微量溶解氫含量及變化趨勢(shì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)崃ο到y(tǒng)的腐蝕狀況；

（2）通過過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的微量溶解氫含量及變化趨勢(shì)，可以實(shí)時(shí)指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)控參數(shù)，降低熱力系統(tǒng)腐蝕；

（3）過熱器氧化腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某600MW機(jī)組電廠的應(yīng)用研究表明，隨著pH和溶解氧的優(yōu)化運(yùn)行，汽水分離器和過熱蒸汽中的溶解氫含量降低與穩(wěn)定，形成的保護(hù)膜逐步完整、致密，過熱器氧化腐蝕速率也逐步降低；

（4）通過本次停機(jī)過程、啟機(jī)階段、優(yōu)化運(yùn)行階段，發(fā)現(xiàn)一些問題，為今后機(jī)組運(yùn)行提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，從而達(dá)到保障機(jī)組安全運(yùn)行的目的。