超临界机组汽水优化控制.docx
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超临界机组汽水优化控制
超临界机组汽水优化控制
陈 戎1，沈保中2
（1华能国际电力股份有限公司,北京市100031；2华能石洞口二厂，上海市200942）
摘要：
介绍了不同国家的超临界机组的给水水质标准，根据相关理论和超临界机组的实际使用经验，对超临界机组在系统设计优化、凝结水精处理系统选型优化、给水处理方式的优化、机组停备用保护措施的优化及化学监督管理工作等多个方面阐述了超临界机组汽水品质优化控制的途径和措施。
关键词：
超临界机组；给水水质；汽水品质；优化
0引言
我国目前在建或已投产的超临界机组已有几十台，最长运行时间在12年以上,许多机组都经过了一次以上的大修，在机组汽水品质的管理上积累了一定的运行经验。
1超临界机组汽水质量标准
1.1超临界机组汽水系统的工作特点
超临界工况下的汽水理化特性决定了超临界锅炉必须采用直流锅炉。
直流锅炉没有汽包，无法通过锅炉排污去除杂质。
无论杂质沉积于锅炉热负荷很高的超临界锅炉的水冷壁管内，还是随蒸汽带入汽轮机沉积在超临界汽轮机上，都将对机组的安全性和经济性运行产生很大的危害。
为了确保超临界机组的安全运行，首先必须确保锅炉有优良的给水水质。
1.2超临界工况下的水化学特点
通常由给水带入炉内的杂质主要是钙、镁离子，钠离子，硅酸化合物，强酸阴离子和金属腐蚀产物等。
根据这些杂质在蒸汽中的溶解度与蒸汽参数的关系图得知，各种杂质离子在过热蒸汽中的溶解度是有很大差别的,且随蒸汽压力的增加，其变化的情况也不同。
给水中的钙、镁杂质离子在过热蒸汽中的溶解度较低，且随压力的增加变化不大;钠化合物在过热蒸汽中的溶解度较大，且随压力的增加溶解度稳步增加;硅化合物在亚临界以上工况下溶解度已接近同压力下的水中的溶解度,且随压力的增加，其溶解度也渐渐增加;强酸阴离子，如氯离子在过热蒸汽中的溶解度较低,但随压力的增加变化较大；硫酸根离子在过热蒸汽中的溶解度较低，且随压力的增加变化不大;铁氧化物在蒸汽中的溶解度随压力的升高呈不断升高趋势；而铜氧化物在蒸汽中的溶解度随压力的升高而升高，当压力升高到一定程度时有发生突跃性增加的情况。
当过热蒸汽压力大于17MPa时，铜在过热蒸汽中的溶解度有突跃性的增加。
所以对于超临界机组，给水铜的含量应引起足够的重视。
2超临界机组的汽水优化途径
为了达到标准中的给水质量要求，尤其是对铜氧化物的要求,可以从补给水、热力系统设计、凝结水精处理、给水处理工艺、停炉保护及化学监督管理等方面的优化来保证汽水品质的高纯度。
2.1补给水处理系统的选型优化
由于机组在运行过程中所有损耗的水均由补给水处理系统补给,所以补给水质量的好坏将直接影响到机组给水的水质。
但我国幅员辽阔、水系发达,不同地区的水质类型不同,为了能取得满意的补给水处理效果,首先应收集设计所用水源的水质情况,再根据收集到的水质数据选择行之有效的原水净化处理系统和与此水质条件相适应的除盐系统。
2.2热力系统设计时的管材选型优化
热力系统中的凝汽器、低压加热器、高压加热器的管材选择,是热力系统运行时影响给水品质的主要设备因素。
因为高、低压加热器管材的不同将影响到给水处理工艺,当低压加热器采用铜管，铜管的腐蚀会引起给水中铜氧化物浓度不合格，如果采用不锈钢管，则可避免铜氧化物浓度不合格现象的发生。
所以高、低压加热器应采用无铜系统。
凝汽器管材的不同将影响到投运后凝汽器的泄漏问题,根据我国沿海地区大型电厂的凝汽器使用管材的情况,凡是凝汽器采用钛管和碳钢包钛隔板的机组,凝汽器发生泄漏的概率很小,甚至有的机组已运行了8年以上也未发生过泄漏，但采用铜管的机组都存在不同程度的泄漏。
所以在超临界机组热力系统设计时,凝汽器应采用无铜系统;无法采用无铜系统的机组,对凝汽器铜管的选材应综合考虑到适应当地的冷却水水质和防止凝汽器抽空区铜管的氨蚀等问题,选择合适的铜管管材，并选择产品质量信誉较好的生产厂家进行生产。
2.3凝结水精处理系统的设置模式优化
凝结水精处理技术是为适应大机组的发展而产生的水处理技术。
目前经过不断的技术改造后仍用得较多的凝结水处理系统有下列形式：
低压系统：
覆盖过滤器+高速混床、前置氢型阳树脂过滤器+高速混床、阳床+阴床+阳床等；
中压系统：
裸高速混床、前置氢型阳树脂过滤器+高速混床、前置过滤器+高速混床。
目前国内直流锅炉的凝结水精处理设备均在氢型下运行，不论是国产设备还是进口设备，不论采用何种再生方式，其出水水质一般均较好，电导率都能达到小于0.1μS/cm的水平，再加上OT处理时凝结水的pH值一般在8.5左右，凝结水精处理系统运行工况可大大改善，所以在考虑选择超临界机组凝结水精处理系统的再生方式时，目前常用的几种再生方式均能满足要求，可以不作特殊考虑。
中压系统的布置方式因其系统连接简单、运行调节方便、安全性高、无空气泄漏等优点，因而被绝大部分厂家接受，成为主流布置方式。
在考虑超临界机组凝结水精处理系统的设置模式时，首先应采用中压系统的布置方式。
2.3.1中压系统几种处理方式的效果比较
在中压系统的3种设置方式中，只从除盐效果看，由于前置氢型阳树脂过滤器+高速混床方式中高速混床的进水为中性或呈微酸性，工作中的反离子大大减少，在相同的杂质离子含量下，其运行周期长，出水水质肯定比其他2种方式略好。
裸高速混床、前置过滤器+高速混床这2种设置方式的高速混床只要再生好，在氢型状态下的运行周期虽然较短，但出水的氢电导率已经能达到0.06μS/cm以下的水平，完全满足超临界机组给水水质的要求。
只从系统的除盐效果看，上述3种方式都可采用。
但从过滤除金属腐蚀产物的效果看，存在如下差别。
2.3.1.1裸高速混床方式的除铁情况
某厂2台超临界机组的凝结水精处理系统是最简单的裸高速混床系统，运行至今出水的氢电导率一直控制在0.06μS/cm以下，能完全满足超临界机组的水质要求。
在过滤除铁方面存在下列情况：
（1）机组启动阶段的过滤除铁效果。
统计了2台机组最近20次的启动分析报告，得出图1所示的过滤除铁率与凝结水含铁量的关系曲线。
由图1可看出，在凝结水含铁量非常高时，过滤除铁效果可达到98%以上，此时的裸高速混床系统出水的铁含量的绝对值很高，有时会超过50μg/L，使点火水质不合格。
（2）机组正常运行时的过滤除铁效果。
机组正常运行时凝结水中的含铁量与启动时相比明显减小。
统计了机组多年运行的分析数据，得出如图2所示的过滤除铁率与凝结水含铁量的关系曲线。
在凝结水含铁量较低的情况下，裸高速混床系统的过滤除铁率一般在70%以下，而当凝结水含铁量非常低时，裸高速混床系统的过滤除铁率也较低，为59%左右，有近一半的铁无法通过过滤除去又随系统循环进入热力系统，对进一步降低给水的含铁量造成困难。
2.3.1.2前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统的除铁情况
根据过滤原理，相同的水流在相同的过滤流速下流过不同的过滤器时，固体颗粒的除去率只与不同过滤器内滤料的直径和滤料的高度有关，如果滤料的直径和滤料的高度相近，那么其过滤效果也就会相近。
常规的前置氢型阳树脂过滤器的树脂层高度均在1m以上，与高速混床的树脂层高度相近或略高，所以在处理凝结水时的过滤效果与裸高速混床相近。
由于没有详细的试验数据，下面就套用裸高速混床的数据对前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统的除铁效果进行模拟计算。
在凝结水高含铁量的启动阶段，前置氢型阳树脂过滤器的除铁效果按90%~98%计算（根据EPRI导则，启动阶段前置氢型阳树脂过滤器的除铁效果能达到90%以上），后置的高速混床除铁效果按59%计算，整个系统在启动阶段的除铁率可达到96%~99.2%。
这样的过滤效果即使在凝结水的铁含量达到5000μg/L时，也能确保出水铁含量小于50μg/L的锅炉点火水质要求；而在凝结水含铁较低的正常运行时，前置氢型阳树脂过滤器的除铁效果如按59%~70%计算，后置的高速混床除铁效果仍按59%计算，整个系统在正常运行阶段的除铁率可达到83%~88%，比裸高速混床系统的过滤除铁效果有较大幅度的提高，这样的过滤效果可以使系统出水的铁达到更低的水平。
另外，在前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统中，凝结水中的铵离子已由前置氢型阳树脂过滤器去除了，后置的高速混床工作在中性或微酸性状态下，更有利于去除溶解状态的铁离子，对整个系统的除铁效果会有进一步的提高。
该系统的主要缺点是系统较复杂，需要为前置氢型阳树脂过滤器配置一套再生系统，占地面积大；另外运行的压差比裸高速混床大一倍左右，比前置过滤器+高速混床系统略大；运行工作量比前置过滤器+高速混床系统大，与裸高速混床系统相近。
2.3.1.3前置过滤器+高速混床系统的除铁情况
此系统中前置过滤器滤元的过滤孔径可以根据需要进行选择，不同的阶段可以采用不同过滤孔径的滤元来适应不同凝结水水质的需要。
现在，随着安装质量和设备保护质量的提高，装有2台900MW超临界机组的某电厂已成功使用1μm过滤孔径的滤元来处理机组启动阶段的凝结水，对于不同凝结水铁的过滤除去效果能达到70%~92%以上，过滤除铁效果与前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统相近，比裸高速混床系统的过滤除铁效果有较大幅度的提高。
该系统比裸高速混床系统复杂，但比前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统简单；占地面积比裸高速混床系统大，但比前置过滤器+高速混床系统小；运行的压差比裸高速混床约大0.2~0.5kg/cm2，比前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统略小；运行工作量最小，运行的灵活性和安全性最高。
2.3.2凝结水精处理系统的设置优化选择
综合考虑凝结水精处理系统的除盐效果、除铁效果、系统的复杂性、安全性、运行压差和运行工作量的大小等情况。
超临界机组凝结水精处理系统应选中压系统，系统设置模式应首选前置过滤器+高速混床系统；其次是前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统，尽量避免选用裸高速混床系统。
目前常用的几种再生方式均可选用，在不提高总价的前提下可首选高塔式完全分离技术或锥形分离技术。
2.4给水处理方式的优化
2.4.1给水处理采用AVT方式运行时出现的问题
在我国早期引进的超临界机组中，给水处理无一例外的全部采用AVT处理，这些机组在AVT工况下运行时均遇到了下列问题或其中的部分问题：
高的给水铁浓度；高的锅炉炉管结垢速率；高的锅炉运行压差上升速度；短的锅炉清洗周期；部分水相节流调节阀结垢严重，影响调节性能；高压加热器和省煤器管的流动加速腐蚀损坏引起泄漏；高的汽机结垢、结盐；短的凝结水精处理运行周期等。
为了解决上述问题，某厂分别于1996年7月和1997年1月对2台机组的给水由AVT处理改为OT处理，至今已连续使用8年以上。
8年的OT处理使该厂机组取得了如下的效果。
2.4.2机组实施OT方式运行后的效果
2.4.2.1汽水系统中铁的含量
该厂2台机组采用OT工况运行后，给水指标控制在非常好的范围内，机组给水氢电导率控制在0.065μS/cm左右；pH值控制在8.8左右;溶解氧含量控制在70μg/L左右。
同时对系统的铁含量进行统计,并与原AVT工况下的数据进行比较,发现2台机组OT方式运行后,系统各点的铁含量均有一定幅度的下降,尤其明显的是省煤器进口从AVT时的5μg/L左右下降到OT后的2μg/L左右，下降了60%；高压加热器疏水从AVT时的6.2μg/L左右下降到OT后的1.8μg/L左右，下降了70%。
2.4.2.2水相节流调节阀的结垢情况
该厂2台机组在AVT工况下运行时,8号高压加热器的正常疏水调节门有较严重的结垢倾向,平均每连续运行半年就会影响该阀门的调节特性而需进行解体。
从解体后的阀芯看，每次节流孔均有25%以上被黑色的磁性Fe3O4堵塞,需人工进行机械清垢后才能恢复其调节特性。
机组采用OT后，8号高压加热器的正常疏水调节门没有发生过节流孔结垢堵塞而需要解体清理的情况，正常检修时也不需要进行特别清理。
2.4.2.3锅炉炉管的结垢情况
该厂2台机组采用OT后，省煤器管的结垢速率从99g/（m2·y）降到20g/（m2·y）左右，下降了约80%；水冷壁管的结垢速率从93g/（m2·y）降到23g/（m2·y）左右，下降了约75%。
据此结垢速率估算，锅炉化学清洗周期可延长至10年以上。
2.4.2.4锅炉的运行压差
直流锅炉运行时,水汽回路中的压力损失，即压差和其上升速度是衡量锅炉炉管内部清洁程度的重要参数。
锅炉设计定型后在一定负荷运行时的基础压差基本已确定,运行中的压差上升速度就只与锅炉运行时炉管内部所结垢的成分、表面形态、结垢速率等因素有关。
该厂2台机组投产运行至今，机组满负荷时的省煤器进口至汽水分离器出口的平均压差变化趋势如图3所示。
从图3可看出，机组投产初期按AVT工况运行时的压差上升速率较大,每运行一年压差上升约0.4~0.5MPa;机组采用OT运行后锅炉压差不仅不再上升，反而随锅炉持续运行时间的延长而不断下降,逐步接近该锅炉的设计运行压差（2MPa），趋于稳定。
2.4.2.5凝结水精处理混床的运行
OT工况下，给水pH值控制在8.5左右，给水中氨含量降低至60μg/L左右，大大减轻了混床中阳树脂的负担,延长了混床的运行周期3~7倍。
氨浓度的大幅度下降,改善了凝结水精处理混床的运行环境,减少了混床的漏钠离子、漏氯离子现象,使得凝结水精处理设备的处理效果明显提高。
2.4.2.6热力系统高温氧化的变化情况
该厂的2台机组在采用OT工况前，未对汽机进行开缸大修过，无法考证OT前后汽机本体氧化皮的变化情况。
但机组采用OT前后中联门、高压调门等阀门每次检修时的表面氧化皮厚度无明显的差异，每次检修均需要人工进行打磨清理；过热器和再热器管内的氧化皮也无明显的变化。
超临界机组给水处理采用OT工况后没有引起热力系统高温氧化现象的加剧。
2.4.3机组给水处理方式的优化结论
该厂的2台机组给水采用OT处理技术取得成功后，该项技术迅速在全国的超临界机组及部分亚临界机组上推广应用，并且全部解决了如前面所述的机组在AVT工况下出现的固有问题。
超临界机组给水处理采用OT后的实际效果证明，OT方式是超临界机组最优化的给水处理方式。
2.5机组启动冲洗和停炉保养优化
2.5.1机组停炉保养优化
机组的停炉保养是确保机组汽水品质的一个重要保证,对于超临界机组的停炉保养方法，根据停运时间的长短，在DL/T5.2.2—2005《火力发电厂停备用热力设备防锈导则》中所提到的所有方法都可以采用。
但是对于机组检修停用的保护，由于涉及设备检修,热力系统要打开并接触空气,使得充氮密封保养的措施无法实施。
假如停炉保养采用加有机成膜胺进行保护，那么机组启动运行后再次恢复OT时，氧就会与热力系统表面上的有机胺膜进行氧化反应生成低分子有机酸，影响机组汽水品质的氢电导率值。
另外根据有关试验报导，有机成膜胺溶解到凝结水中后，会与凝结水精处理装置中的阳树脂发生不可再生的吸附和离子交换，使阳树脂失去部分交换功能。
所以一般不提倡在超临界机组的停炉保养中采用加有机成膜胺的方法进行保养。
超临界机组没有汽包锅炉中热炉放水时上下汽包壁温差控制的限制，可以采用较高的放水温度及较长的闷炉烘干时间，确保最难烘干的U型过热器和再热器下弯头的烘干。
锅炉本体、高压加热器水侧、除氧器等部位的干燥就能起到保护作用。
根据以上情况，建议机组的停炉保养进行如下优化：
（1）对于停机检修的超临界机组的锅炉本体、高压加热器水侧、除氧器等采用热炉放水余热烘干的方法进行保养。
对于停机检修的汽机和凝汽器，可采用对凝汽器热井采用人工清理擦干后，打开汽侧上下人孔门进行自然通风干燥的办法进行保养。
（2）不进行检修的长期停运备用的超临界机组的锅炉本体、炉前系统的保养，建议采用加氨提高给水pH至10以上，同时结合锅炉上部充氮隔绝空气的方法进行保养；对于不进行检修的长期停运备用的超临界机组的汽机本体，建议采用通干燥风进行干燥的方法进行干燥保养。
（3）无法充氮和通干燥风保养，且不进行检修的长期停运备用的超临界机组，才可考虑采用加有机成膜胺进行保养，但启动后应在AVT方式下运行一段时间，待热力系统表面的有机成膜胺绝大部分被溶解或分解后再转换成OT，同时考虑要以损失部分凝结水精处理装置中阳树脂的离子交换功能为代价来换取机组的保护。
2.5.2超临界机组启动冲洗优化
超临界机组启动时,可以根据停炉保护的执行情况和热力系统的洁净情况，对热力系统进行分段冲洗。
首先进行凝汽器冲洗；冲洗合格后进行从凝汽器到除氧器的小循环冲洗；冲洗合格后转入从凝汽器到汽水分离器的大循环冲洗，冲洗到符合点火标准后点火；蒸汽产生后通过旁路系统对蒸汽系统进行冲洗。
上述不同系统的冲洗中水冲洗的标准可根据补给水供给的情况，控制回收终点含铁量为200~500μg/L。
蒸汽系统蒸汽冲洗的标准应控制主蒸汽的品质达到启动控制指标后才能进行冲转。
对于有一定运行时间的超临界机组，更应注重启动时的蒸汽系统冲洗工作。
3超临界机组的化学监督管理优化
3.1汽水取样点的设置和在线仪表的配置优化
由于直流炉的汽水工况的特殊性,从凝水到主蒸汽是一次完成的,中间无汽包等中间容器,给水水质的好坏取决于凝结水精处理的出水水质，所以超临界机组的化学监督取样点的设置和在线仪表的配置应该充分考虑到上述特点。
超临界机组的参数较亚临界机组有大幅度的提高，为了密切监视金属材料发生高温氧化的情况，建议在常规设置取样点的基础上增加汽水分离器蒸汽出口和再热器出口的取样点，并在汽水分离器蒸汽出口、主蒸汽和再热器出口的取样点上安装氢表，通过监测系统内不同取样点的氢气含量的变化来推测过热器和再热器内金属材料发生高温氧化的情况。
在线仪表的选型应做到仪表工作性能可靠、维护工作量小、受环境影响小，反映的情况要直观、真实、明了。
从保证机组正常运行的实际情况出发,每台超临界机组配置如表1所示的取样点和在线仪表，已足够全面监测机组的汽水品质。
表1每台超临界机组较经济的取样点和在线仪表的配置建议
取样点
电导
率表
氢电导
率表
钠表
pH表
硅表
溶氧表
氢表
手动
取样
凝汽器检漏
√
√
凝泵出口
√
√
√
精除盐出口
√
√
√
√
除氧器进口
√
√
√
√
除氧器出口
√
省煤器进口
√
√
√
√
√
汽水分离器
疏水出口
√
主蒸汽
√
√
√
√
√
汽水分离器
蒸汽出口
√
√
再热蒸汽
√
√
√
在线仪表配置少而精的同时,实验室可适当配置一些较高精度的便携式电导率表、溶解氧表、pH表及一些高级的实验室仪器（如原子吸收分光光度计）等作为系统查定和校验用,这样就可对超临界机组的水汽进行快速、全面而有效的监督。
3.2汽水品质中阴离子监控优化
超临界机组中奥氏体钢的使用量比亚临界机组有较大的提高；与相同再热蒸汽温度的亚临界机组相比，低压缸末几级叶片的湿度增加。
为了防止发生奥氏体钢的晶间腐蚀和汽机末几级叶片的腐蚀，对超临界机组汽水品质中阴离子的监测和控制是十分必要的。
但是超纯水中微量级阴离子的直观检测技术目前还没有完全过关，只有采用实验室的离子色谱来进行测量，而影响离子色谱测量结果正确性的因素却很多；同时离子色谱仪的投资费用和使用维护费用均较高，使用和维护较复杂，一般电厂无法经常进行监测。
根据有关阴离子的当量电导的理论，计算超纯水中的氢电导率值（25℃）与水中的主要阴离子氯离子、硫酸根离子的浓度之间有以下近似的数学关系：
氢电导率=0.058（μS/cm）+0.012（μS·cm-1/μg·L-1）Cl-（μg/L）+0.009（μS·cm-1/μg·L-1）SO2-4（μg/L）
由上述数学关系可知，当给水氢电导率控制在0.1μS/cm以下时，氯离子、硫酸根离子均在2μg/L以下；如果当给水氢电导率大于0.1μS/cm，给水中氯离子、硫酸根离子就会超标，需要对系统进行检查和调整。
给水氢电导率控制在极低的范围时，通过氢电导率表的测量值和上述数学关系式就可立即估算出水中主要杂质阴离子的含量情况，达到对阴离子监控的目的；只有当系统存在泄漏或不明原因的汽水品质恶化时,才有必要进行阴离子的分类监测，以方便问题原因的查找。
3.3化学监督管理
与亚临界机组相比,在超临界机组安全运行工作中，化学监督工作的作用显得尤为重要,为了确保超临界机组的安全运行，从工程的可研工作开始直到机组投产后的正常运行都应该有化学专业人员参与开展全过程的化学监督管理工作。
3.3.1从设计到投产阶段的化学监督
通过开展全过程的化学监督工作，机组设计时就应充分考虑超临界机组的特点，热力系统采用无铜系统及完善的水处理工艺；在设备验收、保管和安装验收过程中均要有化学专业人员参与并提出验收和保管建议；在机组冲管和整组启动阶段，化学专业人员应严格按水汽品质控制标准控制点火给水水质及汽机冲转蒸汽品质，不达标准禁止点火及冲转；在机组的设计及基建阶段，就应着手进行化学从业人员的技能培训，通过规程编写、调试方案讨论、调试操作等工作中锻炼队伍，为机组的安全投产准备好较高素质的化学专业人员。
3.3.2机组正常运行时的化学监督
机组交付生产后化学监督网应立即投入工作。
主要抓好水汽品质合格率和水处理设备的完好率,发现问题及时组织人力进行消缺；定期对化学在线仪表进行校对，发现误差及时联系维护，保持在线仪表的高正确性；定期开展热力系统汽水品质查定工作,并对查定数据进行分析,找出簿弱环节,及时采取针对性措施进行调整,确保机组在较好的水汽品质下运行。
在机组正常运行后的化学监督工作中,应该高度重视机组大小修时的化学监督检查,及时对检查结果进行分析总结，通过分析总结找出可能存在的化学水处理设备的问题、给水处理的问题及日常化学监督中的问题，并在以后的工作中进行改进。
同时应做好化学监督检查的影像资料的积累工作，以便通过直观的影像资料对一些需要长期观察的现象进行对比。
3.3.3
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