火力發(fā)電廠給水系統(tǒng)的腐蝕類型與防護(hù)措施
2025-03-06 14:05:24
作者：腐蝕與防護(hù) 來(lái)源：腐蝕與防護(hù)
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水汽是火力發(fā)電廠能量傳遞與轉(zhuǎn)化的重要介質(zhì)，其品質(zhì)的好壞直接與設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)。給水經(jīng)過(guò)省煤器加熱之后進(jìn)入鍋爐水冷壁，吸收煤燃燒產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，蒸汽推?dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做完功之后的蒸汽進(jìn)入凝汽器冷凝成水，凝結(jié)水經(jīng)過(guò)精處理后進(jìn)入除氧器，進(jìn)行下一個(gè)水汽循環(huán)。目前，我國(guó)主流的火力發(fā)電機(jī)組為600 MW以上的大容量高參數(shù)的超臨界和超超臨界機(jī)組，與同容量亞臨界火電機(jī)組的熱效率相比，在理論上采用超臨界參數(shù)可提高效率2%～2.5%，采用超超臨界參數(shù)可提高4%～5%。當(dāng)水汽體系的溫度和壓力超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)，稱為超臨界水。這種看似氣體的超臨界水有很多特性：（1）具有極強(qiáng)的氧化能力，將需要處理的物質(zhì)放入超臨界水中，再向其中溶解氧氣（可以大量溶解），其氧化性強(qiáng)于高錳酸鉀。（2）超臨界水具有獨(dú)特的溶解特性，其行為類似于非極性的有機(jī)溶劑。根據(jù)相似相溶原理，在臨界溫度以上，幾乎全部有機(jī)物都能溶解，比如油，且在溶解時(shí)體積會(huì)大大縮??；相反，無(wú)機(jī)物在超臨界水中的溶解度急劇下降，呈鹽類析出或以濃縮鹽水的形式存在。（3）它能夠緩慢地溶解腐蝕幾乎所有金屬，甚至包括黃金（與王水相仿）。（4）具有超級(jí)催化作用，在超臨界水中，化學(xué)反應(yīng)很快，有些更可以達(dá)到常溫的100倍。
在高參數(shù)大容量的超臨界和超超臨界機(jī)組中，各熱交換系統(tǒng)包括給水系統(tǒng)、水冷壁、過(guò)熱器、再熱器、凝汽器等極易受到腐蝕。為了防止熱力設(shè)備發(fā)生腐蝕，應(yīng)盡量減小介質(zhì)的侵蝕性，除了對(duì)水質(zhì)的要更加嚴(yán)格外，采取一定的措施防止腐蝕尤為重要。給水系統(tǒng)包括從凝結(jié)水泵直到省煤器的設(shè)備及連接管道，其內(nèi)壁接觸的介質(zhì)為給水或凝結(jié)水，高、低壓加熱器管外壁接觸的介質(zhì)是蒸汽。在該過(guò)程中，水溫隨著流程逐漸升高，亞臨界及以上機(jī)組省煤器進(jìn)口給水溫度可達(dá)263～298 ℃。給水系統(tǒng)水化學(xué)對(duì)整個(gè)電廠的可靠性是非常重要，在給水系統(tǒng)產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，沿著整個(gè)水汽系統(tǒng)傳遞，并最終沉降在水汽循環(huán)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備內(nèi)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。
氧腐蝕是熱力設(shè)備常見的一種腐蝕。蒸發(fā)量大于等于6 t/h的蒸汽鍋爐和水溫大于等于95 ℃的熱水鍋爐都必須除氧。熱力設(shè)備在安裝、運(yùn)行和停用期間都可能發(fā)生氧腐蝕。其中以鍋爐在運(yùn)行和停用期間的氧腐蝕最嚴(yán)重。在鍋爐給水處理工藝過(guò)程中，除氧是一個(gè)非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。氧是給水系統(tǒng)和鍋爐的主要腐蝕性物質(zhì)，給水中的氧應(yīng)當(dāng)迅速得到清除。氧腐蝕不僅使設(shè)備損壞，而且氧腐蝕產(chǎn)物隨給水進(jìn)入鍋爐，會(huì)在受熱面沉積，引起鍋爐的其他腐蝕損壞，造成更嚴(yán)重的后果。鍋爐運(yùn)行時(shí)，氧腐蝕通常發(fā)生在補(bǔ)給水管道、給水管道、省煤器、疏水系統(tǒng)的管道和設(shè)備。氧腐蝕的一個(gè)表現(xiàn)是隙縫腐蝕，由于限制水流進(jìn)入到隙縫，隙縫內(nèi)氧的補(bǔ)充很慢，所以隙縫內(nèi)氧的濃度相對(duì)于隙縫外側(cè)偏低。兩個(gè)鄰近的區(qū)域建立了一個(gè)濃差電池，電子從氧濃度低的區(qū)域流向氧濃度高的區(qū)域。氧化反應(yīng)發(fā)生在隙縫內(nèi)側(cè)，F(xiàn)e被腐蝕；隙縫內(nèi)的Fe2+水解，使溶液pH減小，相當(dāng)于鋼鐵處于活化溶解狀態(tài)，加速Fe的溶解，并使蝕坑擴(kuò)展。還原反應(yīng)發(fā)生在隙縫外側(cè)，金屬離子通過(guò)擴(kuò)散離開隙縫，更多的金屬溶解，腐蝕進(jìn)程持續(xù)，這導(dǎo)致在隙縫內(nèi)側(cè)形成點(diǎn)蝕。
（1）溶氧濃度。水中溶解氧對(duì)水中碳鋼的腐蝕具有雙重作用，它既可以導(dǎo)致鋼鐵的腐蝕，又可以使碳鋼發(fā)生鈍化，其所起的作用與水的純度、溶解氧濃度、pH值、水流速等有關(guān)。但水質(zhì)較差時(shí)（氫電導(dǎo)率>0.3 μS/cm），O2是一種去極化劑，會(huì)引起金屬的腐蝕。溶解氧的濃度越大，金屬腐蝕越嚴(yán)重。但在高純水中（氫電導(dǎo)率<0.15 μS/cm）, 溶解氧主要起鈍化作用，溶解氧的濃度提高，碳鋼腐蝕速率下降。
（2）pH。pH對(duì)金屬腐蝕影響很大，pH越小，金屬腐蝕速度越快。水中無(wú)氧時(shí)，提高pH可以減緩腐蝕。水中有O2，且pH=4～9時(shí)，腐蝕速度不受pH影響。pH>9時(shí)，腐蝕速度減小。這是因?yàn)樵趬A性溶液中，金屬表面形成保護(hù)膜。故一般控制給水pH>9。為兼顧熱力系統(tǒng)中的凝汽器使用銅合金，Cu的腐蝕隨pH增加而增加，故一般控制給水保持pH=9.2～9.6。
（3）水溫。在密閉系統(tǒng)中，溶氧濃度一定時(shí)，水溫升高腐蝕速度加快。在敞開系統(tǒng)中，腐蝕速度隨溫度的升高先加快后減緩。
（4）水中離子。水中含有不同離子對(duì)腐蝕速度影響差別較大。有的離子加速腐蝕，如H+、Cl-、SO42-，主要是Cl-，它很容易被金屬表面的氧化膜吸附，膜中的O2-很易被Cl-取代，形成可溶性氯化物，使氧化膜遭到破壞，繼而腐蝕金屬表面。有的離子起鈍化作用，如水中OH-不太大時(shí)，有利于金屬表面保護(hù)膜的形成。
（5）流速。金屬的腐蝕速率隨著水流速的增大而增加，在一般情況下，水的流速增大，鋼鐵的氧腐蝕速度提高。因?yàn)殡S著水流速增大，擴(kuò)散層厚度減小，鋼的腐蝕速度將因此而提高。但是，當(dāng)水流速增大到一定程度時(shí)，可能使鋼表面發(fā)生鈍化，氧腐蝕速度又會(huì)下降。如果水流速度進(jìn)一步增大到一定程度后，由于水流的加速或沖刷作用，腐蝕速度又將開始迅速上升，如全揮發(fā)處理水工況下省煤器管道中發(fā)生的流動(dòng)加速腐蝕。
（1）嚴(yán)格控制凝結(jié)水和給水的氫電導(dǎo)率；
（2）通過(guò)加氨將凝結(jié)水和給水的pH控制在合適范圍內(nèi)；
（3）控制氧濃度。
當(dāng)補(bǔ)給水處理不徹底，部分碳酸鹽進(jìn)入除氧器中，或凝汽器泄漏，漏入凝結(jié)水中的冷卻水會(huì)帶入碳酸鹽。它在除氧器中熱分解一部分，生成的CO32-在除氧器中水解。或者水汽系統(tǒng)處于真空狀態(tài)設(shè)備的不嚴(yán)密處漏入空氣、補(bǔ)給水中的有機(jī)物在鍋內(nèi)分解、離子交換樹脂漏入水中，在鍋內(nèi)分解成有機(jī)酸等均會(huì)造成系統(tǒng)產(chǎn)生二氧化碳腐蝕。
（1）游離二氧化碳含量。對(duì)密閉熱力系統(tǒng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，壓力也升高，二氧化碳溶解量隨其分壓增加而增大，鋼材腐蝕速度也隨二氧化碳溶解量增加而加快。圖2 碳鋼的腐蝕速率與水中二氧化碳含量的關(guān)系
（2）溫度。鋼鐵二氧化碳腐蝕受溫度影響較大，溫度不僅影響碳酸的電離程度和腐蝕反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，還會(huì)影響腐蝕產(chǎn)物的性質(zhì)。
（3）流速。水的流速對(duì)二氧化碳腐蝕有一定影響，流速增大，腐蝕速度加快。（4）水中的溶氧。在給水中，若同時(shí)含有溶解氧和游離二氧化碳，設(shè)備腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重，既有二氧化碳腐蝕，又有氧腐蝕。原因是氧的電極電位較正，易形成腐蝕電池的陰極；二氧化碳使水呈酸性，破壞保護(hù)膜，使金屬表面呈活化態(tài)，易形成腐蝕電池的陽(yáng)極；故隨著溶解氧和游離二氧化碳濃度的增加，腐蝕速度急劇增加。如果除氧不徹底，給水泵最易發(fā)生氧腐蝕和二氧化碳腐蝕并存的情況。（5）金屬材質(zhì)。容易受二氧化碳腐蝕的金屬材料主要有鑄鐵、鑄鋼、碳鋼和低合金鋼。增加合金元素鉻的含量，可以提高鋼材耐二氧化碳腐蝕的性能，如果含鉻量增加到12.5%以上，則可耐二氧化碳腐蝕。
（1）降低補(bǔ)給水的堿度。使水汽中二氧化碳含量低于1 mg/L。
（2）防止凝汽器泄漏，提高凝結(jié)水質(zhì)量。對(duì)于高參數(shù)大容量機(jī)組，凝結(jié)水應(yīng)進(jìn)行精處理，以除去因凝汽器泄漏而進(jìn)入凝結(jié)水的碳酸鹽等雜質(zhì)及凝結(jié)水中的腐蝕產(chǎn)物。
（3）防止空氣漏入水汽系統(tǒng)，提高除氧器效率。目前除采用加氧處理運(yùn)行的直流鍋爐外，普遍采用熱力系統(tǒng)堿性水運(yùn)行方式。除盡量減少給水中的溶解氧之外，還向給水中加入NH3•H2O調(diào)節(jié)pH。既可中和給水中游離二氧化碳，又可調(diào)節(jié)水的pH達(dá)規(guī)定值，使鋼鐵和銅合金的腐蝕速度保持在較低水平。
根據(jù)DL/T 805.4—2016《火電廠汽水化學(xué)導(dǎo)則 第4部分：鍋爐給水處理》，鍋爐的給水水質(zhì)調(diào)節(jié)方式有以下三種：（1）還原性全揮發(fā)處理：在對(duì)給水進(jìn)行熱力除氧的同時(shí)，向給水中加氨和還原劑（如聯(lián)氨等）的給水水質(zhì)調(diào)節(jié)方式。因其所用藥品（氨和聯(lián)氨）都是揮發(fā)性的，這種給水處理方式稱為全揮發(fā)處理（AVT）。由于深度除氧和還原劑（聯(lián)氨等）的加入，給水具有較強(qiáng)的還原性，故又稱為還原性全揮發(fā)處理，簡(jiǎn)稱AVT(R)。（2）氧化性全揮發(fā)處理：在對(duì)給水進(jìn)行熱力除氧的同時(shí)，只向給水中加氨（不再加任何其他藥品）的給水水質(zhì)調(diào)節(jié)方式。由于不向給水中加還原劑，給水具有一定的氧化性，故稱為氧化性全揮發(fā)處理，簡(jiǎn)稱AVT(O)。
（3）加氧處理(OT)：向給水中加氧的給水水質(zhì)調(diào)節(jié)方式。此時(shí)，給水中因含有微量的溶解氧而具有較強(qiáng)的氧化性。如果只加氧，不加氨，給水呈中性，稱為中性加氧處理或中性水處理（NWT）；既加氧又加氨，給水呈堿性，稱為加氧與加氨的聯(lián)合水處理（CWT）。目前直流鍋爐通常采用加氧與加氨的聯(lián)合水處理（CWT）。
給水水質(zhì)調(diào)節(jié)方式的特點(diǎn)
（1）AVT(R)：對(duì)于有銅系統(tǒng)的機(jī)組，兼顧了抑制銅、鐵腐蝕的作用；對(duì)于無(wú)銅系統(tǒng)的機(jī)組，通過(guò)提高給水的pH值抑制鐵腐蝕；采用AVT(R)時(shí)，個(gè)別機(jī)組在給水和濕蒸汽系統(tǒng)容易發(fā)生FAC，更換材料或改變給水處理方式可以消除或減輕FAC。
（2）AVT(O)：對(duì)于無(wú)銅給水系統(tǒng)，給水處理采用AVT(O)后，通常給水含鐵量會(huì)有所降低，省煤器和水冷壁管的結(jié)垢速率相應(yīng)降低。（3）OT：采用OT可使給水系統(tǒng)FAC現(xiàn)象減輕或消除，給水含鐵量明顯降低，因而省煤器和水冷壁管的結(jié)垢速率降低，鍋爐化學(xué)清洗周期延長(zhǎng)；同時(shí)，由于給水pH值控制在較低范圍內(nèi)，可使凝結(jié)水精處理混床的運(yùn)行周期明顯延長(zhǎng)。但是，OT對(duì)水質(zhì)要求嚴(yán)格，對(duì)于沒(méi)有凝結(jié)水精處理系統(tǒng)或凝結(jié)水精處理系統(tǒng)運(yùn)行不正常的機(jī)組，給水的氫電導(dǎo)率難以達(dá)到小于0.15 μS/cm的要求，不宜采用OT。
表1 三種鍋爐給水水質(zhì)調(diào)節(jié)方式的比較
圖3 選擇給水水質(zhì)調(diào)節(jié)方式的流程
某電廠二期兩臺(tái)660 MW超超臨界直流爐機(jī)組，于2009年底通過(guò)168小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行。給水處理方式為氧化性全揮發(fā)處理，即AVT(O)，通過(guò)在精處理出口母管和前置泵入口加氨提高給水pH值至9.2～9.6，同時(shí)調(diào)整除氧器運(yùn)行使給水含氧量≤7 μg/L，不加聯(lián)氨等除氧劑。2011年4月，#4機(jī)組大修，對(duì)省煤器和水冷壁爐管割管檢查發(fā)現(xiàn)，水冷壁管和省煤器管內(nèi)壁均有較厚的黑色、鍋灰狀、疏松的氧化鐵垢。對(duì)其進(jìn)行垢量測(cè)定及成分分析結(jié)果表明，#3、#4爐給水系統(tǒng)發(fā)生了較嚴(yán)重的流動(dòng)加速腐蝕（FAC）現(xiàn)象。該電廠于2011年8月初與西安熱工院共同進(jìn)行了#3、#4機(jī)組給水加氧處理優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，9月初完成優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。#3、#4機(jī)組給水處理方式于9月初正式轉(zhuǎn)為加氧處理，加氧處理期間也遇到一些技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)設(shè)備改造、運(yùn)行調(diào)整等均已得到滿意的解決，加氧運(yùn)行效果良好。
之后，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，采用加氧處理，通過(guò)加氨將pH控制在8.8～9.0，并加氧使金屬表面生成致密的保護(hù)性氧化膜，以減少腐蝕。在機(jī)組啟動(dòng)初期、機(jī)組停運(yùn)前一段時(shí)間或在機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定、水質(zhì)異常且不能立即恢復(fù)的情況下，采用氧化性全揮發(fā)處理，通過(guò)加氨將給水pH提高至9.2～9.6，并通過(guò)除氧器除氧使給水含氧量小于規(guī)定值，不加聯(lián)胺等還原劑。
圖4 機(jī)組加氧系統(tǒng)圖
機(jī)組加氧的加氧點(diǎn)設(shè)在凝結(jié)水精處理出口和除氧器下降管，控制除氧器入口和省煤器入口的氧濃度在30～100 mg/L和10～150 mg/L。
表2 加氧運(yùn)行時(shí)的水汽指標(biāo)控制
加氧處理改造帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益
（1）采用加氧處理后，給水的pH值降低至8.8～9.0，加氨量約200 μg/L。相比AVT(O)處理時(shí)給水pH值9.2～9.6，平均加氨量約1000 μg/L，加氨量可減少約80%。（2）由于加氨量的減少，高速混床的運(yùn)行周期大大延長(zhǎng)。AVT(O)工況下，高速混床周期制水量?jī)H為9萬(wàn)噸～13萬(wàn)噸。OT工況下，混床的周期制水量可達(dá)24萬(wàn)噸～44萬(wàn)噸。AVT(O)工況下二期機(jī)組每月再生次數(shù)約8～9次，酸堿用量約為22噸左右。OT工況下二期機(jī)組每月再生次數(shù)約3～4次，酸堿用量約為10噸。每月減少酸堿用量12噸左右，降低了能耗。同時(shí)大大減少了再生廢酸廢堿的排放，有利于環(huán)境的保護(hù)。（3）鍋爐運(yùn)行壓差上升速率趨緩，節(jié)約了給水泵動(dòng)力，降低了汽耗。（4）鍋爐清洗周期的延長(zhǎng)，檢修工期的縮短,機(jī)組發(fā)電時(shí)間增加，發(fā)電量增加。（5）除氧器、高加排汽閥微開或關(guān)閉運(yùn)行，減少排汽損失。（6）機(jī)組結(jié)垢速率的下降、結(jié)垢形態(tài)變致密后，鍋爐的傳熱性能將改善，使得機(jī)組熱效率得到提高。（7）由于鍋爐水冷壁管、省煤器、高、低加管內(nèi)的垢層明顯比AVT時(shí)致密均勻，使得機(jī)組停爐時(shí)的腐蝕大大減少，明顯縮短了機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的水沖洗時(shí)間，從而縮短了啟動(dòng)時(shí)間。
對(duì)高參數(shù)大容量的超超臨界機(jī)組而言，因其水、汽溫度和壓力高，金屬腐蝕的熱力學(xué)傾向增加，為有效減緩和防止給水系統(tǒng)的腐蝕，在滿足給水氫電導(dǎo)率合格且有100%凝結(jié)水精處理的條件下，給水宜采用加氧處理。某電廠運(yùn)行實(shí)踐表明，在加氧處理（OT）工況下，給水系統(tǒng)的流動(dòng)加速腐蝕得到明顯的抑制，鍋爐的結(jié)垢速率有了明顯降低，鍋爐運(yùn)行壓差上升速率趨緩，節(jié)約了給水泵動(dòng)力，降低了汽耗。同時(shí)改善了精處理運(yùn)行條件和水汽品質(zhì)，減少了精處理再生次數(shù)和藥品消耗，提高了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
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