供热工况下除氧可靠性分析

【摘要】本文分析了氧腐蚀的原理，探讨了某工程供热工况下除氧可靠性的主要方案。通过与凝汽器厂和余热锅炉厂配合，凝汽器增设真空除氧装置和采用旋膜式高压除氧器，制冷站凝结水回水至凝汽器可实现除氧的要求。通过技术经济比较，最终确定了合理的供热除氧方案。

【关键词】 燃机，汽轮机，余热锅炉，除氧器，供热，可靠性

中图分类号： TK4文献标识码：A 文章编号：

概述

项目概况

国内某工程计划建设2×400MW F级（改进型）燃气蒸汽联合循环热电联产机组，机型采用400MW F级（改进型）“一拖一”供热联合循环机组，每套包括一（1）台低 NOx 燃气轮机、一（1）台燃机发电机、一（1）台蒸汽轮机、一（1）台汽机发电机、一（1）台无补燃三压再热型余热锅炉及其相关的辅助设备。

本文研究的背景

本工程主机厂东方汽轮机厂在辅机技术协议中对冷凝器的补水作了限制，相关内容如下：机组补水（化学除盐水）进凝汽器，不考虑对外供热凝结水的回收。凝汽器采用适当措施保证在纯凝工况30%以上负荷时凝结水中含氧量≤0.007mg/l。供热工况当最大补水流量约260t/h时,能实现凝结水含氧量≤40ug/l。

氧腐蚀原理

腐蚀原理

根据氧化膜生成机理，电厂水汽循环系统的腐蚀又可分为电化学腐蚀和化学腐蚀。水与碳钢反应生成氧化膜的机理依据温度条件有所不同，从常温到300℃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，蒸汽与碳钢通过化学反应生成氧化膜[1]。

在热力设备水汽系统中发生的腐蚀大都属于电化学腐蚀，因为氧与金属在水中形成原电池，使金属发生电化学腐蚀，其腐蚀机理如下：

阴极区：1/2 O2 +H2O + 2e2OH-；

阴极区：1/2 O2 +H2O + 2e2OH-；

阳极区：FeFe2 + + 2e；

当亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时，就会生成Fe (OH)2 沉淀：

Fe2 + + 2OH- Fe (OH)2

溶解氧过量的情况下，Fe(OH) 2会进一步氧化，生成黄色的FeOOH或者Fe2O3，加速热力设备金属的腐蚀。

图4-1：纯水中pH值对碳钢腐蚀速度的影响

影响碳钢腐蚀的因素

在锅炉设备中，影响碳钢腐蚀的因素主要有pH值、氧浓度和电导率等。

1）给水pH值

碳钢在除盐水中的腐蚀速度与pH值有关，对于除氧（氧浓度≤20μg/L）的纯水，随着pH值的升高，碳钢的腐蚀速度逐步降低；而在有氧的除盐水中，碳钢的腐蚀速度在pH值为7时降得很低，并且不再随着pH 值的升高有所改变，如图4-1[2]所示。

2）氧浓度

从热力学观点来看，给水的氧浓度主要影响碳钢的腐蚀电位。锅炉给水采用除氧的AVT处理时，碳钢的腐蚀电位在-0.3V左右，给水pH在8.8~9.5之间，处于钝化区，钝化膜是Fe3O4。给水加氧（氧浓度200μg/L）后，碳钢的腐蚀电位会升高数百毫伏达到0.15~0.3V，如图4-2[2]所示，碳钢表面原Fe3O4膜中部分Fe2+会进一步氧化生成Fe2O3，其反应：

2Fe2++1/2O2+2H2O——Fe2O3+4H+

图4-2：腐蚀电位与氧浓度的关系

因此，在有氧纯水中，碳钢表面形成双层氧化膜，内层是磁性氧化铁（Fe3O4）膜，外层是Fe2O3膜，这样的双层氧化膜能更有效阻止碳钢的腐蚀。大量试验证明：在中性纯水（电导率

3）给水电导率

在加氧水中，电导率与碳钢的腐蚀速度近似于线性关系，如图4-3[2]所示。随着给水的电导率增加，碳钢的腐蚀速度会显著增加。研究结果表明：当水的阳离子电导率为0.1μS/cm时，随着氧浓度的增加（超过50μg/L）碳钢的腐蚀速度会显著下降；而当阳离子电导达到0.3μS/cm时，腐蚀速度开始增大。

图4-3 电导率与碳钢腐蚀速度的关系

流动加速腐蚀

对于常规给水回热系统的燃煤机组，在给水无氧、高pH值条件下，凝结水系统等低温区段受热面腐蚀形成 Fe2+的活性氧化膜，Fe3O4的溶解度很大；当局部水流动条件恶化时铁的溶解会转变为侵蚀性腐蚀，导致流动加速腐蚀（FAC）。在高压加热系统、省煤器等高温区段受热面形成双层Fe3O4氧化膜，其中疏松的Fe3O4外延层在水流冲击下，容易导致给水系统发生局部的流动加速腐蚀、给水含铁质量分数高及使下游热力设备发生氧化铁的污堵和沉积问题[3]。

流动的高纯水中添加适量氧，可提高碳钢的自然腐蚀电位数百毫伏，有学者通过实验证实，当氧含量提高到某一阀值以上，亚铁离子将不存在，Fe3O4将全部变为Fe2O3，后者不但结构致密，而且在水中的溶解度要比前者低几个数量级，这一阀值是1.5×10-8（15ppb）。因此，对于燃气-蒸汽联合循环电厂，通过提高给水氧含量提高碳钢表面的腐蚀电位是抑制流动加速腐蚀的有效途径。

蒸汽制冷凝结水回收装置的选择

根据以往相关工程实例，制冷站凝结水回收水质较好，经化水除铁处理后即可回收，一般来说，其可回收至凝汽器、余热锅炉低压汽包除氧器或者设置独立的大气式除氧器。其中，如回收至余热锅炉低压汽包除氧器，本项目凝结水回水量约70t/h，占除氧器水箱容积的约15%，凝结水回水温度（

蒸汽制冷凝结水回水至凝汽器方案特点

采用制冷站凝结水回水至凝汽器，其系统图如下图6.1-1：

图6.1-1：凝结水回水至凝汽器方案系统图

该方案主要特点如下：

补水系统简单，回水及除盐水进入凝汽器初步除氧，再由凝泵送入高压除氧器深度除氧。

热经济性高；

控制方便简单，监控要求低，运行稳定；

土建结构轻巧，投资少，布置空间宽敞；

设备初投资低；

运行费用少，安全性高。

蒸汽制冷凝结水回水至大气式除氧器方案

我国北方不少燃煤供热机组，之前大多设置大气式除氧器对除盐水进行预除氧，加热到高压除氧器对应的饱和温度后再用补水泵送入高压除氧器，实现溶解氧达标的目的。其系统图如图6.2-1：

图6.2-1：制冷站凝结水回水至大气式除氧器方案系统图

该方案主要特点如下:

除氧效果安全可靠；

系统复杂，设置独立的大气式除氧器，并配置两台补水升压泵，并配置相应的控制。

增设除氧器合升压泵后，增大主厂房面积，土建费用投资增加；

控制系统复杂；

设备初投资高；

运行维护费用增加；

这种传统系统设计思路虽然能实现溶氧达标，但是系统复杂，布置繁琐，实际是一种无奈的选择。

结论及建议

本文分析了氧腐蚀的原理，探讨了本工程供热工况下除氧可靠性的主要方案。

通过与凝汽器厂和余热锅炉厂配合，本工程凝汽器增设真空除氧装置和采用旋膜式高压除氧器，制冷站凝结水回水至凝汽器可实现除氧的要求。

通过技术经济比较，凝结水回水至凝汽器方案较高、低压除氧器联运方案有明显优势。在保证运行安全可靠的前提下，能改善设备性能，简化系统配置，是一种合理的设计思路。

参考文献

[1]李志刚，陈戎.火电厂锅炉给水加氧处理技术研究.中国电力，2001年第37卷第11期：47-52

[2]张玉福.电站锅炉给水加氧处理.华中电力，2001年第14卷第16期：57-60

[3]艾志虎，刘定平.超临界锅炉给水加氧的关键问题.中国电力，2011年第44卷第3期：52-22

[4]王利宏，单建明，李伟，屈昌文.联合循环余热锅炉中的流动加速腐蚀.发电设备，2010年第6期：409-413,429