超超临界机组的水汽品质控制

会计学1超超临界机组的水汽品质控制1超超临界机组水汽特点

1.1超临界条件下蒸汽的物理特性在超临界参数下，水汽工质在管子内壁面附近的流体粘度、比热、导温系数和比容等参数发生了显著变化，可能导致水冷壁管内发生类膜态沸腾，水中的盐类等杂质在受热面浓缩。图1为水和蒸汽的物理性质与温度的关系。工质的粘度、密度、导热系数等物理参数随压力和温度而变化，但受压力的影响较小，而受温度的影响较大。在250℃～550℃的范围内，工质密度和动力粘度随温度变化最大。当工质温度在300℃～400℃范围内时，管内壁面处的工质粘度约为管中心工质粘度的1/3左右，由此产生粘度梯度，引起流体边界层的层流化；在边界层中的流体密度降低，产生浮力，促使紊流传热层流化；边界层中的流体导热系数也随着降低，又使导热性差的流体与管壁接触，当进口温度较低时，壁面处的流体速度远小于管中心的流体速度，这又促使流动层流化。因此，在管子热负荷较大时就可能导致传热恶化，同时由于盐类等杂质的浓缩，受热面结垢，进一步加剧传热恶化。当超临界参数锅炉的工作参数进一步提高，过热器出口的压力达到31MPa或更高时，水冷壁中工质压力可达到37MPa或更高。根据超临界压力下工质的物理特性可知，水冷壁中工质大比热特性将随压力升高而减弱，对应压力的大比热值减小，但仍需注意防止类膜态沸腾引起的传热恶化。第1页/共22页图1水和蒸汽的物理性质与温度的关系第2页/共22页1.2常见物质在超临界条件下蒸汽中的溶解与沉积特性在超临界条件下，蒸汽已具备和水一样的溶解特性。各种盐、酸、碱和金属腐蚀产物等物质在蒸汽中的溶解度随蒸汽压力不同（见图2、图3），可以从微克变化到毫克升级。图4中的竖线表示最常见的可溶解携带的物质及其浓度范围。压力越高，蒸汽的溶解携带能力越强。从图2、图3可见，这些常见物质在过热蒸汽的溶解度随压力降低或比容增加而迅速地降低，随着蒸汽做功膨胀，蒸汽的溶解能力下降，在高参数下蒸汽溶解携带的物质就会随着蒸汽的转移而不断析出，沉积在后续设备的不同部位，由此会加剧机组蒸汽通流部分潜在的金属腐蚀问题。图4还表示各种物质在汽轮机不同部位的分布情况。第3页/共22页图2在典型汽机蒸汽条件下杂质在过热蒸汽的溶解度图2在典型汽机蒸汽条件下杂质在过热蒸汽的溶解度第4页/共22页图3氢氧化钠平衡溶解度和汽机蒸汽条件第5页/共22页图4在不同蒸汽比容条件下杂质在汽轮机的沉积特性第6页/共22页

有些电厂曾在运行的超超临界机组的水冷壁蒸发段上部、再热器、汽轮机叶片以及高压加热器的汽侧处发现有沉积物，沉积物的主要成分为钠盐，阴离子为硫酸根。因此，超超临界机组的水质控制应该比超临界机组更为严格。

1.3超超临界条件蒸汽的高温氧化特性超超临界机组的温度参数提高到580℃～600℃，甚至提高到650℃，对金属材料提出了更高的要求，除了高温强度指标外，还应充分考虑材料的抗水蒸汽氧化能力和抗氧化层剥落能力。第7页/共22页

高温水汽氧化是金属腐蚀的一种特殊形式。在高温条件下，因为氢质子的影响，水蒸汽对不锈钢材料表现为一种强氧化剂。在450℃～570℃，水蒸汽与纯铁反应生成四氧化三铁并释放出氢气。在575℃以上，水蒸汽与纯铁反应除了生成四氧化三铁以外，还会在四氧化三铁层下生成氧化亚铁相。氧化亚铁相的增长速度比四氧化三铁相快得多。图5是不同牌号不锈钢材料在水蒸汽中高温氧化1000h的试验结果[3]。图示结果可见，在温度超过570℃的条件下，不锈钢氧化的速度逐渐加快，在600℃～620℃之间，金属的氧化速度有一个突变点。这个突变点表明，不锈钢在氧化过程中随着温度的增加很可能产生了新相。此时不锈钢的氧化层会迅速增厚。氧化层达到一定的厚度，就会在运行条件变化（如温度）时剥落，成为氧化皮。第8页/共22页图5不锈钢在水蒸汽中高温氧化试验结果第9页/共22页

根据国内外机组运行的经验，奥氏体不锈钢材料虽然有良好的抗氧化能力，但粗晶粒钢在一定的运行条件下，会发生氧化皮很薄时就剥落的情况，造成堵塞管短期过热甚至爆管事故。为了及时发现过热器和再热器高温氧化的变化情况，可以通过监测蒸汽中的氢含量监测高温氧化的变化和发展。图6为国外某超超临界机组对过热器和再热器蒸汽中的氢含量监测研究结果。第10页/共22页图6某电厂超超临界机组蒸汽中氢含量一天的变化情况第11页/共22页2超超临界机组水汽品质控制

根据超超临界机组的特点，尽量纯化水质，减少水中盐类杂质，降低给水中的含铁量，控制腐蚀产物的沉积量，是超超临界机组水处理和水质控制的主要目标。

2.1超超临界机组凝结水系统配置及其出水水质控制指标的建议

2.1.1凝结水精处理系统出水水质控制指标在超超临界工况条件下，锅炉受热面的温度比较高，容易发生化学物质的沉积。其中，最常见的是Na2SO4和NaOH，这类物质溶解在蒸汽中后，会对后续的过热器、再热器及汽轮机产生腐蚀影响。必须控制蒸汽中的Na含量小于1µg/kg，才有可能控制二级再热器中形成的氢氧化钠浓缩液对奥氏体钢的腐蚀和锅炉停用时存在干状态的Na2SO4引起再热器的腐蚀。控制蒸汽中的钠含量小于1µg/kg，必须控制凝结水精处理出水水质的钠含量小于1µg/kg。另外，如何确保凝汽器微泄漏的情况下系统仍能达到相应的水质应是考虑主要的因素。超超临界凝结水精处理出水水质建议如表1所示：

第12页/共22页表1建议精处理的出水的控制指标

主要控制项目标准氢电导率（25℃）（S/cm）0.08Na（g/L）0.5Cl（g/L）0.5SO42-（g/L）0.5SiO2（g/L）2Fe（g/L）1Cu（g/L）1悬浮物（g/L）5第13页/共22页2.1.2凝结水精处理系统配置凝结水精处理设备的设计，要充分考虑尽量减少硫酸盐和钠的漏出。为了满足以上出水指标，凝结水精处理系统必须采用设置有前置过滤的深层混床处理系统。前置过滤的配置重点除了应考虑机组在启动阶段去除固体腐蚀产物、杂质和长期运行后氧化皮颗粒，更主要的要考虑去除Na、非晶型腐蚀产物以及凝汽器泄漏引入的各种盐类杂质。对于非晶型腐蚀产物和盐类杂质则必须用离子交换加以去除。超超临界机组在启停时锅炉给水采用全发挥处理（AVT）方式，热力系统的腐蚀产物为颗粒状悬浮物。正常运行后，锅炉给水应采用加氧处理，给水的pH一般控制在8.0～8.5，运行中大多产生非晶型腐蚀产物。同时任何材料的凝汽器均可能发生泄漏或渗漏，循环水中的盐类杂质会漏入热力系统。根据这一特点，前置过滤的配置有如下几点建议：第14页/共22页①由于粉末树脂凝结水精处理系统的机组所发生的汽轮机腐蚀积盐问题较多，而且粉末树脂凝结水精处理系统对降低出水的含钠量效果不高，故不推荐使用该系统。②尽管滤芯式过滤器的除铁效率较高，但由于国内尚无可靠的业绩，而且滤芯式过滤器对进一步降低出水的含钠量和除去非晶型腐蚀产物没有什么效果，也未列入最佳之选。③根据国内外的运行经验，尽管前置阳床的除铁效率不如滤芯式过滤器和粉末树脂过滤器，但它具有降低水中含钠量，改善精处理系统混床的运行工况，又能除去离子态铁，综合除铁效率可满足要求。同时国内已经有成功配置和运行经验等优点。所以采用前置阳床，是超超临界机组凝结水精处理前置过滤配置的较佳选择。

第15页/共22页2.2腐蚀产物的控制与超临界机组相同，超超临界机组的腐蚀产物来源有：机组停用期间产生停用腐蚀，其腐蚀产物在机组启动后带入热力系统；炉前热力系统包括加热器汽侧在运行中产生腐蚀，腐蚀产物随给水带入热力系统；金属在水汽中氧化速度增快，生成的氧化皮剥落，除了引起蒸汽通流部件的冲蚀和磨蚀外，氧化皮变成细小的氧化铁颗粒，穿过凝结水精处理系统进入热力系统。上述的腐蚀产物沿着热力系统的各个设备流动或沉积下来。腐蚀产物最终都会转移到受热面沉积，造成机组的腐蚀和结垢问题。因此，超超临界机组在控制腐蚀产物主要通过以下几个方面进行。第16页/共22页2.2.1炉前系统腐蚀产物控制对于炉前系统腐蚀产物控制方法，国内外毫无例外的首推给水加氧处理(OT)技术。加氧处理是利用纯水中溶解氧对金属的钝化作用，使给水系统金属表面形成致密的保护性氧化膜，达到热力系统防腐防垢的最佳效果。目前国外已经投运的超超临界机组的给水处理均采用加氧处理，可以使省煤器入口的铁含量小于1g/L。国内超临界机组几乎全部采用了给水加氧处理工艺，均取得了良好的效果。因此，加氧处理是超超临界机组正常运行工况下唯一的给水处理工艺。第17页/共22页2.2.2停用腐蚀产物控制停用腐蚀的控制对减少沉积物是非常必要的。不能将其作为临时措施，应作为必备的配套设备，在设计时就应考虑进去，例如完整的充氮保护系统、干风系统和保护液加药系统等，以满足机组不同的停备用周期的保护。超超临界机组启动时的水质控制非常重要，按照国家标准，在进行锅炉点火之前，锅炉给水的参数应达到下列极限要求：溶解氧小于50g/L；铁小于50g/L。只有严格按照有关机组启停的标准进行控制，才有可能最大限度的阻止停用期间产生的腐蚀产物进入热力系统。2.2.3热力系统沉积物的清除沉积在热力系统各个设备沉积物应该用不同的方法加以清除。丹麦的超超临界机组非常重视在机组运行和启停的各个阶段不断用各种方法清除热力系统的沉积物。例如，可以将返回除氧器水箱的疏水通过一个与除氧器水箱并联的管式过滤器连续处理，以除去疏水中带入的腐蚀产物。第18页/共22页

由于过热器和再热器中的沉积物可能造成腐蚀损坏，定期在汽轮机旁路运行时，用饱和蒸汽清洗过热器和再热器。同时规定在任何较长时间停用前，应清洗再热器直到蒸汽氢电导率降至正常标准为止。对于高压加热器的疏水超标时，其沉积物在负荷波动时，通过紧急排水管排至凝汽器。在计划停用前需要额外的清洗时，方法是在从尖峰负荷下来时，切断加热器的蒸汽供应，在冷却15分钟后，再重新送入蒸汽，最初的蒸汽会在正常运行时形成降温区的整个表面凝结，从而达到将离子态沉积物洗掉，并洗出系统的效果。除氧器水箱水质必须保持符合标准要求，在正常运行时问题不大，但在启动、停用或者负荷剧变时，由于有些沉积物会释放出来，若不经精处理设备处理，水质会变坏。所以系统所有疏水应排至凝汽器并通过精处理设备处理。第19页/共22页2.3高温氧化和氧化皮的控制目前已经运行的超临界机组的实践表明，蒸汽通流部分的高温氧化和氧化皮堵塞引起的短期过热现象是比较严重的，主要的原因是对水蒸汽氧化的特点、温度的影响以及奥氏体不锈钢氧化皮的易剥落性认识不足。通过对国外超超临界机组的了解发现，超超临界机组即使使用TP347不锈钢，也依然发生过过热器和再热器氧化皮剥落造成的损坏，据专家分析，这是由于实际温度、热负荷和冷却效果之间的不平衡所致。国外超超临界机组运行经验表明奥氏体钢的氧化皮厚度超过150µm时就会剥落，在运行条件的影响下，氧化皮厚度超过20µm也可能剥落。丹麦改善的措施有：a）修改运行条件以尽量减少氧化皮剥落问题。b）用细晶粒奥氏体钢取代粗晶粒奥氏体钢。但据了解，细晶粒奥氏体钢的价格贵得多。从控制高温氧化和氧化皮角度，最根本办法的是合理的设计锅炉和选材。在运行控制方面，应该严格控制过热器和再热器的金属壁温不超过金属高温氧化的突变点。实时准确地监测受热面的温度和蒸汽的氢含量是及