劉洪軍 洪小江 劉 煥 溫三毛 王言達 袁漢濤 胡振華

（1. 國家能源集團湖南電力有限公司，湖南 長沙 410007；2. 贛浙國華（信豐）發(fā)電有限責任公司， 江西 信豐 341600；3. 西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西 西安 710032；4. 蘇晉保德煤電有限公司，山西 忻州 034000；5. 江西贛能上高發(fā)電有限公司，江西 上高 336400；6. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

水是火電機組熱力設備中能量傳遞與轉換的介質，其品質直接影響設備的安全性和經(jīng)濟性。為降低碳鋼表面的腐蝕速率、減少設備表面沉積物與結垢量、提高蒸汽品質，必須對鍋爐給水進行調節(jié)處理。目前國內火電機組常用的給水處理方式有還原性全揮發(fā)處理（AVT（R））、氧化性全揮發(fā)處理（AVT（O））、加氧處理（OT）。機組在AVT（R）和AVT（O）運行時，給水系統(tǒng)和高加疏水系統(tǒng)容易發(fā)生流動加速腐蝕（FAC），熱力設備表面結垢速率高，對機組安全經(jīng)濟運行有一定影響[1]，而加氧處理（OT）可改善這一情況。

加氧處理技術自20世紀60年代末首次在德國直流鍋爐給水處理中成功應用，至今已有60多年的發(fā)展應用。我國于1988年首次在望亭亞臨界燃油直流鍋爐機組上進行了給水加氧處理試驗，隨后在其他機組中應用并取得了良好的應用效果[2]，1999年將加氧處理修訂至標準GB12145-1999《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質量》中，2002年制訂了第一版加氧導則，即DL/T 805.1-2002《火電廠汽水化學導則 第1部分：直流鍋爐給水加氧處理》。

由于加氧處理具有降低鐵含量、延長精處理運行周期、抑制流動加速腐蝕等優(yōu)點[3-6]，目前在國內各參數(shù)等級，如亞臨界、超（超）臨界火電機組中得到了廣泛的應用。筆者從鍋爐給水加氧處理概述、加氧處理工藝方面綜述了國內火電機組加氧處理技術的應用，并提出建議與展望，以期為相關專業(yè)人員提供參考。

1 鍋爐給水加氧處理概述

1.1 加氧原理

加氧處理是機組為無銅系統(tǒng)時，在給水氫導一般小于0.15μS/cm時，向高純水中加入氧化劑的化學水處理方式。一般將氧以分子的形式加入流動的高純水中后，使金屬的腐蝕電位提高了幾百毫伏，從而使金屬表面發(fā)生極化或使金屬的腐蝕電位超過其鈍化電位，最終生成致密的雙層氧化膜，從而抑制熱力系統(tǒng)金屬表面的流動加速腐蝕。由于不斷向金屬表面均勻的供氧，金屬表面生成一層穩(wěn)定、完整的Fe3O4內伸層，主要的化學反應如下：

Fe3O4內伸層呈微孔狀（1%～15%孔隙），通過微孔擴散進行遷移的Fe2+在孔內或氧化膜表層就地氧化，生成三氧化二鐵（Fe2O3）或水合三氧化二鐵（FeOOH，脫水后為Fe2O3）覆蓋層，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，降低了Fe2+擴散和氧化的速度[7]。主要化學反應如下：

通過以上化學反應可知，加氧處理時，形成了以內伸層（Fe3O4）和覆蓋層（Fe2O3）為主的致密雙層氧化膜，有效抑制了流動加速腐蝕，降低了鐵含量。氧量是影響氧化膜的一個重要因素[7]，加氧處理需要不間斷向金屬表面供氧，在雙層氧化膜形成期需要的氧量比形成后正常運行需要的多。

1.2 加氧條件

根據(jù)DL/T 805.1-2021《火電廠汽水化學導則 第1部分 鍋爐給水加氧處理導則》[8]，加氧處理應滿足的條件有：（1）除凝汽器管外，水汽循環(huán)系統(tǒng)設備應為鋼制元件；（2）凝結水有100%的精處理設備，且運行正常；（3）在線化學儀表滿足加氧處理工藝所要求的檢測能力；（4）給水氫電導率應小于0.15μS/cm（25℃）；（5）鍋爐水冷壁管內的垢量小于200g/m2；（6）加氧裝置已安裝調試完畢。

對于汽包爐機組，還應滿足爐水氫電導率小于1.5μS/cm（25℃）的要求。新機組經(jīng)過168h試運行后穩(wěn)定運行，水質滿足加氧要求時，宜盡早實施給水加氧處理的轉化；已投運數(shù)年的機組，應割管檢測鍋爐系統(tǒng)的結垢情況，必要時進行鍋爐化學清洗后再進行加氧處理。

1.3 加氧點設置

加氧點設置宜根據(jù)機組的具體情況進行，選擇合理的加氧點，能夠確保機組進行安全可靠進行加氧處理。凝結水加氧點設置在精處理出口母管，給水加氧點設置在除氧器出口下降管，高加疏水加氧點設置#0或#1高加進汽管道上。給水加氧點應設置在除氧器出口取樣點下游1m之后。

1.4 加氧控制

加氧處理中，加氧控制的主要方式由早期的軟手操控制、就地手動控制逐漸轉變?yōu)樽詣涌刂?。軟手操控制是人為進行遠方電信號調節(jié)，通過電信號調整電磁調節(jié)閥，進而調節(jié)加氧量。就地手動控制是在就地調節(jié)機械閥門開度控制加氧量，該種方式需要運行人員在加氧設備前進行操作，通過人工控制閥門開度對加氧量進行調整[9]。加氧自動控制一般根據(jù)給水流量、氧量等參數(shù)使用自動控制程序調整調節(jié)閥開度，實現(xiàn)氧量自動控制。

軟手操控制、就地手動控制簡單易行，但是無法跟隨機組負荷變化及時調整加氧量，加氧的精度差[10,11]氧量波動范圍大[12]。自動控制能夠及時調整加氧量，防止加氧量不足或過量，同時一定程度上避免系統(tǒng)氧量較大幅度波動[13-18]，避免溶氧調整滯后、超標等不利現(xiàn)象。一般使用自動控制以保證加氧處理效果，同時兼具手動控制，防止自動控制出現(xiàn)問題時使用手動控制及時調整氧量。

1.5 加氧系統(tǒng)

加氧系統(tǒng)主要包括氧化劑供給單元、氧量控制單元、氧化劑輸送管線、閥門等，加氧系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 加氧系統(tǒng)圖

目前加氧處理中的氧化劑主要有純氧、壓縮空氣、高含氧水三種形式，不同氧化劑對應不同的加氧系統(tǒng)。

1.5.1 純氧作為氧化劑

純氧加氧方式是指加入系統(tǒng)的氧化劑為純氧氣體。氧氣瓶經(jīng)過匯流排減壓后進入氧氣流量控制柜，再由加氧管線輸送至加氧點，通過自動調節(jié)閥門或者手動調節(jié)閥門控制加氧量，使得氧量在一定范圍內波動[19]，純氧加氧系統(tǒng)示意圖如圖2所示，該種方式需要工作人員及時更換氧瓶。國能徐州電廠#1機組[20]、國能泰州電廠#3機組[21]采用該種方式加氧。

圖2 純氧加氧系統(tǒng)圖

1.5.2 空氣作為氧化劑

空氣加氧方式是指加入系統(tǒng)的氧化劑為空氣氣體，由壓縮空氣作為氧源，經(jīng)過多級空氣凈化裝置凈化后通過空氣壓縮機將空氣置于儲氣罐中，后通過壓縮空氣流量控制柜，由加氧管線輸送至加氧點，通過自動調節(jié)閥門或者手動調節(jié)閥門控制加氧量，使得氧量在一定范圍內波動，其加氧系統(tǒng)如圖3所示，該種方式無需工作人員更換氣瓶。國能焦作電廠#1機組[22]、神皖安慶電廠#4機組[23]、國華九江電廠#1、#2機組[24]等[25-27]均采用該種加氧方式。

圖3 空氣加氧系統(tǒng)圖

以上兩種氧化劑加入形態(tài)均為氣態(tài)，早期鑒于技術問題，在機組負荷波動較大時，氧量波動較大，可達±50μg/L[19]，導致氧量超標，且加氧量不易調整導致調整滯后，對加氧處理效果及機組安全穩(wěn)定運行造成不良影響，齊保同[17]、李俊菀[28]、謝宙燁[29]等[19,23]人為此進行了技術改進，通過智能調控、升級流量控制器、串級PI-P+前饋控制、流量可視化等技術，解決了給水氣態(tài)加氧中氧量波動大、氧量難調整等問題，將給水氧量波動范圍降低至±5μg/L，保證了機組在調峰期間氧量穩(wěn)定。

1.5.3 富氧水作為氧化劑

富氧水作為氧化劑，是指加入系統(tǒng)的氧化劑為液態(tài)富氧水。利用氧氣溶解設備將氧氣溶于除鹽水形成穩(wěn)定、無揮發(fā)的富氧水，后通過富氧水加入設備向加氧點加入不可壓縮的富氧水實現(xiàn)加氧處理，也稱液態(tài)加氧技術[30,31]，其加氧系統(tǒng)如圖4所示，該種加氧方式需工作人員及時更換氧瓶并引入除鹽水。

圖4 液態(tài)加氧系統(tǒng)圖

該種加氧方式通過輸送系統(tǒng)對富氧水進行流量調節(jié)，從而精確控制給水氧量，使得給水氧量基本恒定，可將加氧量自動控制為設定值±3μg/L，華能日照電廠二期#4機組[19]、華潤常熟電廠#1機組[30]、華電萊州電廠#1、#2號機組[31]均采用該種加氧方式。

1.6 加氧轉化試驗

加氧轉化前，機組給水處理方式應為AVT（O）運行，加氧設備安裝調試完成，機組滿足加氧條件、水質良好，在線儀表配置齊全、工作正常，方可進行加氧處理。根據(jù)DL/T 805.1-2021《火電廠汽水化學導則 第1部分 鍋爐給水加氧處理導則》，加氧量起初控制一般小于150μg/L，若給水、蒸汽氫電導率超過0.5μS/cm，可適當降低加氧量，保持給水、蒸汽氫電導率不超過0.5μS/cm，待見氧后，控制氧量為10～150μg/L，隨后根據(jù)氧量、機組冷卻方式等機組具體情況對給水pH進行調整。整個轉化過程中，對水汽系統(tǒng)各取樣點氫電導率、鐵含量等進行持續(xù)監(jiān)測，加氧轉化完成后轉入加氧處理運行。而實際加氧轉化實施中，一般控制給水、蒸汽氫電導率不超過0.3μS/cm[32]，更有嚴格不超過0.15μS/cm[20]，確保加氧過程中良好的水質。

2 加氧處理工藝

國內給水加氧處理經(jīng)過約35年不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，形成了不同的加氧工藝。根據(jù)加氧后過熱蒸汽的氧量，主要形成了過熱蒸汽有氧或無氧狀態(tài)的加氧工藝[33]，前者稱為高氧加氧處理，后者稱為低氧加氧處理。隨著高加疏水加氧處理的應用，形成了低氧加氧處理+高加疏水加氧的全保護加氧處理工藝[34]。

2.1 高氧加氧處理

給水加氧處理中，一般控制給水溶氧30～150μg/L[35]，使得過熱蒸汽、高加疏水有一定的氧（≥10μg/L），這種加氧方式稱為高氧加氧處理。該工藝一般采用凝結水、給水兩點加氧方式，在給水中加入過量的氧，加入系統(tǒng)中的氧除抑制給水側流動加速腐蝕外，過量氧氣通過過熱器進入高壓加熱器系統(tǒng)以抑制汽液相變區(qū)流動加速腐蝕，過熱蒸汽、高加疏水有氧后，給水pH由9.2～9.6可降低至8.0～9.2運行。華能上海石洞口第二電廠[36]、盤山發(fā)電廠2號機組[37]、神頭第一發(fā)電廠#6機組[38]、太倉發(fā)電廠#7、#8機組[15]等[1,39-40]采用該種工藝。由于過熱蒸汽中氧量過大，可能會增大過熱器、再熱器氧化皮增生、剝落的風險[41]，該種加氧工藝的部分應用如表1所示。

表1 高氧加氧處理工藝應用

2.2 低氧加氧處理

控制給水氧量一般為10～30μg/L，過熱蒸汽幾乎無氧的加氧處理稱為低氧加氧處理。該工藝控制給水中的溶氧滿足水側氧化膜的生成，使得溶氧在進入過熱器前被消耗掉，在抑制給水流動加速腐蝕的同時，確保蒸汽側基本無氧以避免對過熱器和再熱器可能發(fā)生不利影響。由于給水氧量較低，蒸汽無氧，高加疏水也處于無氧工況，在低pH工況下，高加疏水側的流動加速腐蝕可能得不到有效抑制。因此，在采用該種加氧處理方式時，給水pH一般不能控制過低，一般大于9.3[42]，該種低氧加氧處理工藝目前廣泛應用于給水加氧處理中。

當機組只在精處理出口母管向給水加氧，一般通過除氧器排氣門的開度來調節(jié)省煤器入口給水中的氧量，如華電蕪湖電廠#1、#2機組[43]、西塞山電廠#3機組[44]。而除氧器排氣門的開度和給水氧量難以建立對應關系，故難以對給水氧量進行有效調節(jié)，給水氧量控制精度較差。此外，頻繁調節(jié)除氧器排氣門開度影響其嚴密性，導致控制精度更差。

當機組在精處理出口母管、除氧器出口下降管兩點加氧，能夠同時控制凝結水和省煤器入口給水加氧，是國內給水加氧機組常見的加氧點設置，如華電蕪湖電廠#1、#2機組[43]、雙遼電廠#1機組[45]、四川中電福溪電廠1#、2#機組[46]等[47]均采用該種設置。低氧加氧處理工藝的部分應用如表2所示。

表2 低氧加氧處理工藝應用

2.3 全保護加氧處理

全保護加氧處理是向凝結水、省煤器入口給水、高加疏水同時加氧的工藝，加氧點設置為凝結水精處理出口母管、除氧器出口下降管、#0或#1高加進汽管道上。通過向給水中加入低濃度溶解氧，使管道內壁金屬表面形成Fe3O4+Fe2O3的雙層氧化膜，一般控制給水溶解氧為10～30μg/L，高加疏水溶解氧為10～150μg/L，達到給水系統(tǒng)防腐鈍化要求，維持蒸汽中基本無氧，避免蒸汽中較高濃度氧可能促進蒸汽管道氧化皮剝落的風險，同時向高加汽側單獨加氧以解決高加疏水系統(tǒng)的流動加速腐蝕問題，實現(xiàn)了水汽系統(tǒng)熱力設備的全面保護。該種加氧處理工藝可將直流機組給水pH降低至8.8～9.2，對于空冷機組，為抑制碳鋼散熱器流動加速腐蝕，加氧處理后不宜降低pH。此種方式目前廣泛應用于眾多電廠，如神華國華九江電廠#1、#2機組[24]、神皖安慶電廠#4機組[48]、大唐雷州電廠#1、#2機組[35]、大唐撫州#2機組[49]等[50-52]。全保護加氧處理工藝的部分應用如表3所示。

3 加氧處理流程

在機組加氧處理中，應根據(jù)機組熱力設備的類型、材質等確定適合機組的加氧處理工藝，以保證加氧處理順利實施。實施加氧處理流程圖如圖5所示。

圖5 實施加氧處理流程圖

4 結語

加氧處理具有其獨特的優(yōu)點，目前已成為火電機組中一種成熟的水處理化學運行工況，對電廠運行具有經(jīng)濟性和安全性。隨著加氧技術的不斷改進，各種加氧技術不斷發(fā)展創(chuàng)新。對于加氧機組，為了保證其具有良好的運行效果，有以下建議和展望：

（1）根據(jù)機組的實際情況，選擇合適的加氧工藝，如設置合理的加氧點、控制合理的加氧量等保證機組加氧過程安全穩(wěn)定進行；

（2）優(yōu)先使用自動化控制，減少手動控制引起的溶氧調整滯后、超標等不利現(xiàn)象，以保證加氧處理效果，真正起到抑制流動加速腐蝕的作用，實現(xiàn)加氧處理的安全性和經(jīng)濟性；

（3）隨著智能化電廠的開展，加氧技術會向智能化發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)分析的運行優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)電廠節(jié)能減排，安全、高效、環(huán)保運行。