(国家电投集团宁夏能源铝业中卫热电有限公司)
摘要：国民经济的持续稳定增长有力地促进了火力发电行业的发展，随着火电行业规模的扩大，机组参数容量的增大，直流锅炉的水化学工况得到了人们的普遍关注和重视。本文介绍了直流机组常用的水化学工况，提出了先进的给水加氧、加氨联合处理方式并对2种水处理方式进行了对比。
关键词：直流锅炉;水化学工况;水处理
超临界机组采用直流锅炉,没有汽包和循环的炉水,不能采用固体碱化剂调整炉水的pH值,也不能进行锅炉排污以排去锅炉内杂质。在直流锅炉中,随给水进入锅炉内的各种杂质,或被蒸汽带往汽轮机,或沉积在锅炉炉管内,导致热力设备的腐蚀、结垢和积盐;杂质在锅炉炉管内沉积,还会引起水汽系统流动总阻力的增加,增大给水泵的能耗量,甚至迫使机组降负荷运行。在所有火力发电机组中,超临界机组热负荷最高,对水一汽品质的要求最高。因此,需要进行合理的化学加药处理以调节超临界机组的水化学工况,
1腐蚀原理分析
根据氧化膜生成机理,电厂水汽循环系统又可以分为电化学反应和化学反应两个反应区。水与碳钢反应生成氧化膜的机理依据湿度条件有所不同,从常温到350℃左右的范围内,水与碳钢通过电化学反应生成氧化膜。在400℃以上,水或蒸汽与碳钢通过化学反应生成氧化膜。在300℃以下的无氧纯水中,金属铁是腐蚀电池中的阳极,在反应中放出电子被氧化成为Fe2+,Fe2+与水中的氢氧根反应生成氢氧化亚铁,在200℃以下,Fe2+转化为Fe3+。由铁电极和氧电极构成微电池,电极反应为:
阳极阴极
Fe-2e=Fe2+O2+H2O+4e=4OH-
总的反应方程式为:
2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
进一步发生反应为:
3Fe2++4H2O=4Fe3O4+2e+8H-
反应生成的Fe3O4磁性氧化铁由三价氧化铁和二价氧化铁(Fe2O3•FeO)组成,溶解度很低。但是,这样产生的Fe3O4的晶体间有间隙,水可以从空隙渗入到钢材表面而引起腐蚀,没有好的防腐效果,当中性高纯水加入微量氧化剂时,使水中Fe2+离子氧化变成稳定的r—Fe2O3,使Fe3O4层上逐渐覆盖上一薄层致密的Fe2O3,从而保护钢材。反应式为:
2Fe2++1/2O2+2H2O=Fe2O3+4H+
但是水中Cl-和SO2-能与铁形成络合物而溶于水中,破坏保护膜,反应方程式是:
2Fe2++H2O+1/2O2+8Cl-=2[FeCl4]-+2OH-
所以,水的纯度和pH值应控制在能使保护膜存在的范围内。
2直流锅炉的三种水化学工况
2.1“联氨-氨”碱性水化学工况:在“直流锅炉——汽轮机”机组的凝结水——给水系统中加入联氨和氨,以调节水、汽系统中工质的PH值,使之呈碱性,并且完全除掉给水中残余溶解氧,这种水工况就叫“联氨—氨”碱性水化学工况。
2.2中性水化学工况:是一种使凝结水-给水系统中的高纯水保持中性(PH值为6.5～7.5、电导率小于0.15uS/cm)、并添加微量氧化剂的水化学工况。它能提高热力系统金属防腐性能,减少钢铁腐蚀,因此它能减少给水带铁进入锅炉,防止锅内铁沉积。
2.3联合水处理:它一方面通过向给水中加入少量的氧,在钢铁表面形成Fe2O3膜,另一方面又额外加入NH3。
3外超临界机组给水处理方式
目前,国内外超临界机组给水处理方式有两种:加氨、加联氨的全挥发处理(简称AVT)和加氨、加氧的联合处理(简称OT)。
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3.1加氨、加联氨的全挥发处理是在高、低压给水中加入氨和联氨,一般控制给水的pH值为9.0-9.6,N2H4质量浓度为10～50µg／L，溶解氧质量浓度小于7µg／L。我国引进的所有超临界机组给水处理在设计和初始运行时均采用这种水化学工况。超临界机组给水采用AVT处理时，机组存在如下问题：
(1)给水水质合格率高，但是锅炉水冷壁管的沉积率仍然很高，锅炉在运行2～3年后就需要进行化学清洗。
(2)锅炉运行中的压差上升很快，如某发电厂某机组运行2年后，锅炉压差即从4．4MPa上升到7．7MPa。
(3)在AVT方式时，由于凝结水的pH控制值为9．0～9．6，氨含量大，造成凝结水精处理混床运行周期短．再生频繁，再生酸碱消耗量和再生自用水量大，树脂的磨损严重，精处理装置的运行费用较高。
存在上述问题的根本原因是AVT水化学工况本身的缺陷所致。在AVT方式下，热力系统金属表面生成的保护膜为具有双层结构的Fe3O4保护膜。Fe3O4保护膜的外层结构疏松，且由于膜本身的溶解度较高，溶解出的二价铁离子不断在热负荷高的部位沉积，生成了表面粗糙的波纹状垢层，除降低锅炉受热面的传热效率外，还增加了流体阻力，造成锅炉压差不断上升。因此，要彻底解决问题，必须从给
水处理方式上加以改进，采用先进的给水加氧、加氨联合处理方式。
3.2给水加氨、加氧联合处理是在原来给水加氧处理的基础上发展起来的一种新的给水处理技术。其处理方式是在给水中加入氧气和微量的氨，保持给水中的溶氧的质量浓度在100—300µg／L之间，pH值在8．0—9．0之间。
OT的基本原理是：在OT方式下，由于不断向碳钢表面均匀地供氧，从而使Fe3O4层扩散出的二价铁离子迅速氧化，形成溶解度很低的Fe2O3，在Fe3O4的颗粒表面和晶粒间隙沉积，封闭了Fe3O4膜的表面和孔隙，在碳钢表面形成致密的晶粒，组成“双层保护膜”，使热力系统金属的腐蚀得到有效的抑制。
超临界机组采用OT运行方式后取得了明显的效果,主要表现为:
(l)采用OT运行后热力系统中的铁含量大大降低。8台超临界机组给水,高压加热器和低压加热器疏水中铁的质量分数降低50%一85%。
(2)锅炉水冷肇结垢速率明显降低。
(3)锅炉压差的上升速度降低。从AVT运行转化成OT运行后锅炉压差不但不再升高，反而有所降低。如某发电厂某机组AVT工况运行的2年多时间里，锅炉压差从4．4MPa上升至7．7MPa；而在OT工况运行半年后，锅炉压差随着OT工况运行时间的延长而缓慢下降，压差已从7．7MPa下降至6．1MPa；随着压差的下降，给水泵(汽泵)的转速也下降了，满负荷下汽泵的转速从4425r／min下降至4222r／min，耗汽量也相应减少，提高了机组的效率。
(4)在AVT运行时，凝结水pH值一般为9．2—9．4，氨的质量浓度约为400～700µg／L；在OT运行时，凝结水pH值降低至8．0～8．5，氨的质量浓度约为20一100µg／L。精处理运行周期大大延长，精处理出水水质也有一定的改善。
结论与讨论
直流锅炉机组采用采用“氧—氨联合处理”和“全挥发处理”两种方式联合水处理,可以改善直流锅炉水质，降低锅炉炉管结垢率，改善锅炉水动力状况减少化学药品消耗和凝结水处理装置再生废液排出量，有利于环境保护，延长了化学清洗间隔的时间，对防止锅炉“四管”爆漏，保证机组的安全、经济运行有重要意义。因此采用“氧—氨联合处理”和“全挥发处理”两种方式联合水处理,是直流锅炉机组的首选水化学运行方式。
参考文献:
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[3]李培元.火力发电厂水处理及水质控制[M].北京:中国电力出版社.2012
论文作者:赵平安,胡志丹
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：锅炉论文; 水化论文; 机组论文; 工况论文; 方式论文; 凝结水论文; 水处理论文; 《电力设备》2018年第21期论文;