超臨界機組汽水優化控制

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超臨界機組汽水優化控制簡介
    摘要:   介紹了不同國家的超臨界機組的給水水質標準,根據相關理論和超臨界機組的實際使用經驗,對超臨界機組在系統設計優化、凝結水精處理系統選型優化、給水……
超臨界機組汽水優化控制正文
    摘要:
介紹了不同國家的超臨界機組的給水水質標準,根據相關理論和超臨界機組的實際使用經驗,對超臨界機組在系統設計優化、凝結水精處理系統選型優化、給水處理方式的優化、機組停備用保護措施的優化及化學監督管理工作等多個方面闡述了超臨界機組汽水品質優化控制的途徑和措施。 關鍵詞: 超臨界機組;給水水質;汽水品質;優化 <!--  -->
0 引言




我國目前在建或已投產的超臨界機組已有幾十台,最長運行時間在12年以上,許多機組都經過了一次以上的大修,在機組汽水品質的管理上積累了一定的運行經驗。



1 超臨界機組汽水質量標準



1.1 超臨界機組汽水系統的工作特點


超臨界工況下的汽水理化特性決定了超臨界鍋爐必須採用直流鍋爐。直流鍋爐沒有汽包,無法通過鍋爐排污去除雜質。


無論雜質沉積於鍋爐熱負荷很高的超臨界鍋爐的水冷壁管內,還是隨蒸汽帶入汽輪機沉積在超臨界汽輪機上,都將對機組的安全性和經濟性運行產生很大的危害。為了確保超臨界機組的安全運行,首先必須確保鍋爐有優良的給水水質。

1.2 超臨界工況下的水化學特點


通常由給水帶入爐內的雜質主要是鈣、鎂離子,鈉離子,硅酸化合物,強酸陰離子和金屬腐蝕產物等。根據這些雜質在蒸汽中的溶解度與蒸汽參數的關係圖得知,各種雜質離子在過熱蒸汽中的溶解度是有很大差別的,且隨蒸汽壓力的增加,其變化的情況也不同。


給水中的鈣、鎂雜質離子在過熱蒸汽中的溶解度較低,且隨壓力的增加變化不大;鈉化合物在過熱蒸汽中的溶解度較大,且隨壓力的增加溶解度穩步增加;硅化合物在亞臨界以上工況下溶解度已接近同壓力下的水中的溶解度,且隨壓力的增加,其溶解度也漸漸增加;強酸陰離子,如氯離子在過熱蒸汽中的溶解度較低,但隨壓力的增加變化較大;硫酸根離子在過熱蒸汽中的溶解度較低,且隨壓力的增加變化不大;鐵氧化物在蒸汽中的溶解度隨壓力的升高呈不斷升高趨勢;而銅氧化物在蒸汽中的溶解度隨壓力的升高而升高,當壓力升高到一定程度時有發生突躍性增加的情況。


當過熱蒸汽壓力大於17MPa時,銅在過熱蒸汽中的溶解度有突躍性的增加。所以對於超臨界機組,給水銅的含量應引起足夠的重視。



2 超臨界機組的汽水優化途徑




為了達到標準中的給水質量要求,尤其是對銅氧化物的要求,可以從補給水、熱力系統設計、凝結水精處理、給水處理工藝、停爐保護及化學監督管理等方面的優化來保證汽水品質的高純度。

2.1 補給水處理系統的選型優化


由於機組在運行過程中所有損耗的水均由補給水處理系統補給,所以補給水質量的好壞將直接影響到機組給水的水質。但我國幅員遼闊、水系發達,不同地區的水質類型不同,為了能取得滿意的補給水處理效果,首先應收集設計所用水源的水質情況,再根據收集到的水質數據選擇行之有效的原水凈化處理系統和與此水質條件相適應的除鹽系統。

2.2 熱力系統設計時的管材選型優化


熱力系統中的凝汽器、低壓加熱器、高壓加熱器的管材選擇,是熱力系統運行時影響給水品質的主要設備因素。因為高、低壓加熱器管材的不同將影響到給水處理工藝,當低壓加熱器採用銅管,銅管的腐蝕會引起給水中銅氧化物濃度不合格,如果採用不鏽鋼管,則可避免銅氧化物濃度不合格現象的發生。所以高、低壓加熱器應採用無銅系統。


凝汽器管材的不同將影響到投運后凝汽器的泄漏問題,根據我國沿海地區大型電廠的凝汽器使用管材的情況,凡是凝汽器採用鈦管和碳鋼包鈦隔板的機組,凝汽器發生泄漏的概率很小,甚至有的機組已運行了8年以上也未發生過泄漏,但採用銅管的機組都存在不同程度的泄漏。所以在超臨界機組熱力系統設計時,凝汽器應採用無銅系統;無法採用無銅系統的機組,對凝汽器銅管的選材應綜合考慮到適應當地的冷卻水水質和防止凝汽器抽空區銅管的氨蝕等問題,選擇合適的銅管管材,並選擇產品質量信譽較好的生產廠家進行生產。


2.3 凝結水精處理系統的設置模式優化


凝結水精處理技術是為適應大機組的發展而產生的水處理技術。目前經過不斷的技術改造后仍用得較多的凝結水處理系統有下列形式:


低壓系統:覆蓋過濾器+高速混床、前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床、陽床+陰床+陽床等;


中壓系統:裸高速混床、前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床、前置過濾器+高速混床。


目前國內直流鍋爐的凝結水精處理設備均在氫型下運行,不論是國產設備還是進口設備,不論採用何種再生方式,其出水水質一般均較好,電導率都能達到小於0.1μS/cm的水平,再加上OT處理時凝結水的pH值一般在8.5左右,凝結水精處理系統運行工況可大大改善,所以在考慮選擇超臨界機組凝結水精處理系統的再生方式時,目前常用的幾種再生方式均能滿足要求,可以不作特殊考慮。


中壓系統的布置方式因其系統連接簡單、運行調節方便、安全性高、無空氣泄漏等優點,因而被絕大部分廠家接受,成為主流布置方式。在考慮超臨界機組凝結水精處理系統的設置模式時,首先應採用中壓系統的布置方式。

2.3.1 中壓系統幾種處理方式的效果比較


在中壓系統的3種設置方式中,只從除鹽效果看,由於前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床方式中高速混床的進水為中性或呈微酸性,工作中的反離子大大減少,在相同的雜質離子含量下,其運行周期長,出水水質肯定比其他2種方式略好。裸高速混床、前置過濾器+高速混床這2種設置方式的高速混床只要再生好,在氫型狀態下的運行周期雖然較短,但出水的氫電導率已經能達到0.06μS/cm以下的水平,完全滿足超臨界機組給水水質的要求。只從系統的除鹽效果看,上述3種方式都可採用。但從過濾除金屬腐蝕產物的效果看,存在如下差別。

2.3.1.1 裸高速混床方式的除鐵情況


某廠2台超臨界機組的凝結水精處理系統是最簡單的裸高速混床系統,運行至今出水的氫電導率一直控制在0.06μS/cm以下,能完全滿足超臨界機組的水質要求。在過濾除鐵方面存在下列情況:


(1) 機組啟動階段的過濾除鐵效果。統計了2台機組最近20次的啟動分析報告,得出圖1所示的過濾除鐵率與凝結水含鐵量的關係曲線。由圖1可看出,在凝結水含鐵量非常高時,過濾除鐵效果可達到98%以上,此時的裸高速混床系統出水的鐵含量的絕對值很高,有時會超過50μg/L,使點火水質不合格。


(2) 機組正常運行時的過濾除鐵效果。機組正常運行時凝結水中的含鐵量與啟動時相比明顯減小。統計了機組多年運行的分析數據,得出如圖2所示的過濾除鐵率與凝結水含鐵量的關係曲線。


在凝結水含鐵量較低的情況下,裸高速混床系統的過濾除鐵率一般在70%以下,而當凝結水含鐵量非常低時,裸高速混床系統的過濾除鐵率也較低,為59%左右,有近一半的鐵無法通過過濾除去又隨系統循環進入熱力系統,對進一步降低給水的含鐵量造成困難。

 啟動階段的過濾除鐵率與凝結水含鐵量的關係

正常運行時的過濾除鐵率與凝結水含鐵量的關係



2.3.1.2 前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床系統的除鐵情況


根據過濾原理,相同的水流在相同的過濾流速下流過不同的過濾器時,固體顆粒的除去率只與不同過濾器內濾料的直徑和濾料的高度有關,如果濾料的直徑和濾料的高度相近,那麼其過濾效果也就會相近。常規的前置氫型陽樹脂過濾器的樹脂層高度均在1m以上,與高速混床的樹脂層高度相近或略高,所以在處理凝結水時的過濾效果與裸高速混床相近。


由於沒有詳細的試驗數據,下面就套用裸高速混床的數據對前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床系統的除鐵效果進行模擬計算。在凝結水高含鐵量的啟動階段,前置氫型陽樹脂過濾器的除鐵效果按90%~98%計算(根據EPRI導則,啟動階段前置氫型陽樹脂過濾器的除鐵效果能達到90%以上),後置的高速混床除鐵效果按59%計算,整個系統在啟動階段的除鐵率可達到96%~99.2%。這樣的過濾效果即使在凝結水的鐵含量達到5000μg/L時,也能確保出水鐵含量小於50μg/L的鍋爐點火水質要求;而在凝結水含鐵較低的正常運行時,前置氫型陽樹脂過濾器的除鐵效果如按59%~70%計算,後置的高速混床除鐵效果仍按59%計算,整個系統在正常運行階段的除鐵率可達到83%~88%,比裸高速混床系統的過濾除鐵效果有較大幅度的提高,這樣的過濾效果可以使系統出水的鐵達到更低的水平。另外,在前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床系統中,凝結水中的銨離子已由前置氫型陽樹脂過濾器去除了,後置的高速混床工作在中性或微酸性狀態下,更有利於去除溶解狀態的鐵離子,對整個系統的除鐵效果會有進一步的提高。


該系統的主要缺點是系統較複雜,需要為前置氫型陽樹脂過濾器配置一套再生系統,佔地面積大;另外運行的壓差比裸高速混床大一倍左右,比前置過濾器+高速混床系統略大;運行工作量比前置過濾器+高速混床系統大,與裸高速混床系統相近。

2.3.1.3 前置過濾器+高速混床系統的除鐵情況


此系統中前置過濾器濾元的過濾孔徑可以根據需要進行選擇,不同的階段可以採用不同過濾孔徑的濾元來適應不同凝結水水質的需要。現在,隨著安裝質量和設備保護質量的提高,裝有2台900MW超臨界機組的某電廠已成功使用1μm過濾孔徑的濾元來處理機組啟動階段的凝結水,對於不同凝結水鐵的過濾除去效果能達到70%~92%以上,過濾除鐵效果與前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床系統相近,比裸高速混床系統的過濾除鐵效果有較大幅度的提高。


該系統比裸高速混床系統複雜,但比前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床系統簡單;佔地面積比裸高速混床系統大,但比前置過濾器+高速混床系統小;運行的壓差比裸高速混床約大0.2~0.5kg/cm2,比前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床系統略小;運行工作量最小,運行的靈活性和安全性最高。


2.3.2 凝結水精處理系統的設置優化選擇


綜合考慮凝結水精處理系統的除鹽效果、除鐵效果、系統的複雜性、安全性、運行壓差和運行工作量的大小等情況。超臨界機組凝結水精處理系統應選中壓系統,系統設置模式應首選前置過濾器+高速混床系統;其次是前置氫型陽樹脂過濾器+高速混床系統,盡量避免選用裸高速混床系統。目前常用的幾種再生方式均可選用,在不提高總價的前提下可首選高塔式完全分離技術或錐形分離技術。

2.4 給水處理方式的優化

2.4.1 給水處理採用AVT方式運行時出現的問題


在我國早期引進的超臨界機組中,給水處理無一例外的全部採用AVT處理,這些機組在AVT工況下運行時均遇到了下列問題或其中的部分問題:高的給水鐵濃度;高的鍋爐爐管結垢速率;高的鍋爐運行壓差上升速度;短的鍋爐清洗周期;部分水相節流調節閥結垢嚴重,影響調節性能;高壓加熱器和省煤器管的流動加速腐蝕損壞引起泄漏;高的汽機結垢、結鹽;短的凝結水精處理運行周期等。


為了解決上述問題,某廠分別於1996年7月和1997年1月對2台機組的給水由AVT處理改為OT處理,至今已連續使用8年以上。8年的OT處理使該廠機組取得了如下的效果。

2.4.2 機組實施OT方式運行后的效果

2.4.2.1 汽水系統中鐵的含量


該廠2台機組採用OT工況運行后,給水指標控制在非常好的範圍內,機組給水氫電導率控制在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。同時對系統的鐵含量進行統計,並與原AVT工況下的數據進行比較,發現2台機組OT方式運行后,系統各點的鐵含量均有一定幅度的下降,尤其明顯的是省煤器進口從AVT時的5μg/L左右下降到OT后的2μg/L左右,下降了60%;高壓加熱器疏水從AVT時的6.2μg/L左右下降到OT后的1.8μg/L左右,下降了70%。

2.4.2.2 水相節流調節閥的結垢情況


該廠2台機組在AVT工況下運行時,8號高壓加熱器的正常疏水調節門有較嚴重的結垢傾向,平均每連續運行半年就會影響該閥門的調節特性而需進行解體。從解體后的閥芯看,每次節流孔均有25%以上被黑色的磁性Fe3O4堵塞,需人工進行機械清垢后才能恢復其調節特性。機組採用OT后,8號高壓加熱器的正常疏水調節門沒有發生過節流孔結垢堵塞而需要解體清理的情況,正常檢修時也不需要進行特別清理。

2.4.2.3 鍋爐爐管的結垢情況


該廠2台機組採用OT后,省煤器管的結垢速率從99g/(m2·y)降到20g/(m2·y)左右,下降了約80%;水冷壁管的結垢速率從93g/(m2·y)降到23g/(m2·y)左右,下降了約75%。據此結垢速率估算,鍋爐化學清洗周期可延長至10年以上。


2.4.2.4 鍋爐的運行壓差


直流鍋爐運行時,水汽迴路中的壓力損失,即壓差和其上升速度是衡量鍋爐爐管內部清潔程度的重要參數。鍋爐設計定型后在一定負荷運行時的基礎壓差基本已確定,運行中的壓差上升速度就只與鍋爐運行時爐管內部所結垢的成分、表面形態、結垢速率等因素有關。該廠2台機組投產運行至今,機組滿負荷時的省煤器進口至汽水分離器出口的平均壓差變化趨勢如圖3所示。


從圖3可看出,機組投產初期按AVT工況運行時的壓差上升速率較大,每運行一年壓差上升約0.4~0.5MPa;機組採用OT運行后鍋爐壓差不僅不再上升,反而隨鍋爐持續運行時間的延長而不斷下降,逐步接近該鍋爐的設計運行壓差(2MPa),趨於穩定。

 機組滿負荷時的省煤器進口至汽水

分離器出口的平均壓差變化趨勢



2.4.2.5 凝結水精處理混床的運行


OT工況下,給水pH值控制在8.5左右,給水中氨含量降低至60μg/L左右,大大減輕了混床中陽樹脂的負擔,延長了混床的運行周期3~7倍。氨濃度的大幅度下降,改善了凝結水精處理混床的運行環境,減少了混床的漏鈉離子、漏氯離子現象,使得凝結水精處理設備的處理效果明顯提高。

2.4.2.6 熱力系統高溫氧化的變化情況


該廠的2台機組在採用OT工況前,未對汽機進行開缸大修過,無法考證OT前後汽機本體氧化皮的變化情況。但機組採用OT前後中聯門、高壓調門等閥門每次檢修時的表面氧化皮厚度無明顯的差異,每次檢修均需要人工進行打磨清理;過熱器和再熱器管內的氧化皮也無明顯的變化。超臨界機組給水處理採用OT工況后沒有引起熱力系統高溫氧化現象的加劇。

2.4.3 機組給水處理方式的優化結論


該廠的2台機組給水採用OT處理技術取得成功后,該項技術迅速在全國的超臨界機組及部分亞臨界機組上推廣應用,並且全部解決了如前面所述的機組在AVT工況下出現的固有問題。超臨界機組給水處理採用OT后的實際效果證明,OT方式是超臨界機組最優化的給水處理方式。

2.5 機組啟動沖洗和停爐保養優化

2.5.1 機組停爐保養優化


機組的停爐保養是確保機組汽水品質的一個重要保證,對於超臨界機組的停爐保養方法,根據停運時間的長短,在DL/T 5.2.2—2005《火力發電廠停備用熱力設備防鏽導則》中所提到的所有方法都可以採用。


但是對於機組檢修停用的保護,由於涉及設備檢修,熱力系統要打開並接觸空氣,使得充氮密封保養的措施無法實施。假如停爐保養採用加有機成膜胺進行保護,那麼機組啟動運行后再次恢復OT時,氧就會與熱力系統表面上的有機胺膜進行氧化反應生成低分子有機酸,影響機組汽水品質的氫電導率值。另外根據有關試驗報導,有機成膜胺溶解到凝結水中后,會與凝結水精處理裝置中的陽樹脂發生不可再生的吸附和離子交換,使陽樹脂失去部分交換功能。所以一般不提倡在超臨界機組的停爐保養中採用加有機成膜胺的方法進行保養。


超臨界機組沒有汽包鍋爐中熱爐放水時上下汽包壁溫差控制的限制,可以採用較高的放水溫度及較長的悶爐烘乾時間,確保最難烘乾的U型過熱器和再熱器下彎頭的烘乾。鍋爐本體、高壓加熱器水側、除氧器等部位的乾燥就能起到保護作用。


根據以上情況,建議機組的停爐保養進行如下優化:


(1) 對於停機檢修的超臨界機組的鍋爐本體、高壓加熱器水側、除氧器等採用熱爐放水餘熱烘乾的方法進行保養。對於停機檢修的汽機和凝汽器,可採用對凝汽器熱井採用人工清理擦乾后,打開汽側上下人孔門進行自然通風乾燥的辦法進行保養。


(2) 不進行檢修的長期停運備用的超臨界機組的鍋爐本體、爐前系統的保養,建議採用加氨提高給水pH至10以上,同時結合鍋爐上部充氮隔絕空氣的方法進行保養;對於不進行檢修的長期停運備用的超臨界機組的汽機本體,建議採用通乾燥風進行乾燥的方法進行乾燥保養。


(3) 無法充氮和通乾燥風保養,且不進行檢修的長期停運備用的超臨界機組,才可考慮採用加有機成膜胺進行保養,但啟動后應在AVT方式下運行一段時間,待熱力系統表面的有機成膜胺絕大部分被溶解或分解后再轉換成OT,同時考慮要以損失部分凝結水精處理裝置中陽樹脂的離子交換功能為代價來換取機組的保護。

2.5.2 超臨界機組啟動沖洗優化


超臨界機組啟動時,可以根據停爐保護的執行情況和熱力系統的潔凈情況,對熱力系統進行分段沖洗。首先進行凝汽器沖洗;沖洗合格後進行從凝汽器到除氧器的小循環沖洗;沖洗合格後轉入從凝汽器到汽水分離器的大循環沖洗,沖洗到符合點火標準後點火;蒸汽產生后通過旁路系統對蒸汽系統進行沖洗。


上述不同系統的沖洗中水沖洗的標準可根據補給水供給的情況,控制回收終點含鐵量為200~500μg/L。蒸汽系統蒸汽沖洗的標準應控制主蒸汽的品質達到啟動控制指標后才能進行沖轉。


對於有一定運行時間的超臨界機組,更應注重啟動時的蒸汽系統沖洗工作。



3 超臨界機組的化學監督管理優化



3.1 汽水取樣點的設置和在線儀錶的配置優化


由於直流爐的汽水工況的特殊性,從凝水到主蒸汽是一次完成的,中間無汽包等中間容器,給水水質的好壞取決於凝結水精處理的出水水質,所以超臨界機組的化學監督取樣點的設置和在線儀錶的配置應該充分考慮到上述特點。


超臨界機組的參數較亞臨界機組有大幅度的提高,為了密切監視金屬材料發生高溫氧化的情況,建議在常規設置取樣點的基礎上增加汽水分離器蒸汽出口和再熱器出口的取樣點,並在汽水分離器蒸汽出口、主蒸汽和再熱器出口的取樣點上安裝氫表,通過監測系統內不同取樣點的氫氣含量的變化來推測過熱器和再熱器內金屬材料發生高溫氧化的情況。


在線儀錶的選型應做到儀錶工作性能可靠、維護工作量小、受環境影響小,反映的情況要直觀、真實、明了。從保證機組正常運行的實際情況出發,每台超臨界機組配置如表1所示的取樣點和在線儀錶,已足夠全面監測機組的汽水品質。


表1 每台超臨界機組較經濟的取樣點和在線儀錶的配置建議


取 樣 點

電導

率表
氫電導

率表
鈉表

pH表

硅表

溶氧表

氫表

手動

取樣

凝汽器檢漏












凝泵出口











精除鹽出口

 











除氧器進口



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