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CWT给水处理新方法在调峰发电机组上的试验研究

发布时间：2010/5/22 阅读次数：1042 字体大小: 【小】【中】【大】

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CWT给水处理新方法在调峰发电机组上的试验研究

李永生^１，张好峰^１，郝晋堂²，张雷^２

(1.东北电力学院应用化学系，吉林吉林 132012；
2.山西电力科学研究院，山西太原 030001)

摘要：介绍了复合氧处理法(CWT)用于200MW直流炉调峰机组给水处理中所取得的成果。通过给水处理条件优选试验，确定了适合该机组的水质控制参数，解决了该机组的给水在全挥发处理(AVT)时存在的铁溶出率高等诸多问题。同时对CWT和AVT给水处理条件下的水冷壁管等进行割管和x-射线衍射分析以及扫描电镜分析，考察了采用CWT后的实际效果。
关键词：[HTSS]复合氧处理；直流锅炉；给水处理；调峰机组

1前言
复合氧处理法(Combined Water Treatment,CWT)是一种新兴的电厂给水处理方法^［１］。它是在微碱性水环境条件下(pH9.0左右)，通过向给水中注入微量氧形成溶解度极低的三价氧化铁保护膜，来达到抑制腐蚀的目的^［２］。此项技术自1977年在德国问世以来^［３］，很快被意大利、荷兰和丹麦等许多欧洲国家用于火电厂的给水处理^［４］，美国^［５］和日本［６，８］也将此项技术推广应用于火电厂以及核电站^{［９，１０］}的给水处理。由于CWT法使得锅炉给水处理方式更趋于优化，所以它被认为是当前直流炉机组最佳和最有应用前景的给水处理方式。
我国自1984年开始对直流炉的给水进行CWT研究^［11］，1988年首次在望亭电厂进行了CWT工业性试验。至2001年，国内在300～600MW直流机组上已成功地实施了给水CWT处理。但在300MW以下机组上应用CWT技术至今尚无文献报道。因此，能否在补给水纯度要求不高的200MW机组上应用CWT技术，拓宽CWT技术在火电厂给水处理中的应用范围成为本研究的目的。
本研究选定神头一电厂6号机组为试验对象。该机组是从原捷克斯洛伐克引进的PG-650T/H型亚临界强制循环直流锅炉。锅炉主要设备参数为：额定蒸发量650T/H，过热器压力17.46MPa，过热器温度540℃，锅炉给水温度251℃。汽轮机为捷克斯柯达公司皮尔森汽轮机厂生产的K-200-165-P型亚临界中间再热、单轴、三缸、双排汽、双向冲动凝汽式汽轮机，低压加热器为表面式，管材为碳钢。凝汽器材为Φ2５×1×1000海军铜管。锅炉补给水采用一级除盐+混床处理的除盐水。凝结水经混床进行100%精处理。
该机组是华北电网调峰机组，自1986年投入运行以来，其给水一直按原设计采用全挥发性处理(All Volatile Treatment,AVT),由于调峰动作频繁且峰顶与峰谷负荷相差很大，从而造成水质波动很大。从机组历年运行的统计数据可以看出，给水铁离子的合格率仅为40%左右，即使在1996年增加电磁除铁过滤器后水质有了较大改善的情况下，水汽品质合格率仍然较低。为了解决这一问题，同时为了抑制炉内的结垢、延长化学清洗周期以及减少给水处理用药量等，2001年11月我们在该机组上进行了AVT向CWT方式的转换试验。
该机组于1990年和1998年曾经历两次HF酸洗，在2001年3月机组小修时，锅炉下辐射区向火侧垢量已达146g/m^２。德国有关CWT运行经验认为：当水冷壁垢量达到250g/m^２时，最好进行化学清洗后再转换为CWT处理方式运行^［12^］。考虑到垢量离清洗经验值尚远，而且进行化学清洗工作量大、费用高、工期长，最后决定不对该机组进行酸洗，直接进行CWT试验研究。
以CWT方式运行时，采用气态纯氧作为氧化剂。为了使气态纯氧均匀地加入热力系统并保持DO浓度稳定，在该机组上采用了两点加氧法，主加氧点在二级凝结水泵入口处，辅助加氧点在给水泵入口处。
2AVT-CWT转换试验
为了尽快从AVT转换成CWT，加氧前一个半月开始停止向给水中加联氨。系统稳定后，按理论计算量开始向给水泵入口加入150μg/L的纯氧，进行CWT方式的初期运行；同时对水汽系图1给水处理方式转换过程中低压加热器入口给水溶解氧、氢电导率的变化曲线统各监测点的溶解氧浓度(DO)和氢电导率(DDH)进行监测，调整给水加氧浓度，控制给水的DDH小于0.20μS/cm。为了加快转换过程，先将给水DO浓度设在200～250μg/L，当主蒸汽中DO达到100～150μg/L时，将给水DO降低到100～150μg/L，直至主蒸汽中DO浓度达到稳定。之后，在二级凝结水泵入口同时开始加氧，控制DO浓度为50～150μg/L。在此期间，除氧器排汽门处于微开状态。整个转换过程历时168h。

AVT-CWT转换过程中，低压加热器入口给水(此后简称低加)中的DO、DDH变化曲线如图1所示。可以看出，低加入口给水加氧后，DDH在一天之内由0.2μS/cm上升至0.35μS/cm，省煤器入口出现氧并达到50μg/L时，低加入口给水DDＨ上升至最高点；当DO稳定在50～160μg/L的范围内时，低加入口给水DDH逐渐降低当DDH降到0.15μS/cm时，为了加快转换过程，将DO浓度上调至200μg/L，此时低加入口给水DDH随着DO浓度的上升而上升，但上升幅度小的多(0.15→0.18μS/cm)，之后DDH又逐渐下降，最后稳定在0.10μS/cm左右。
图2所示为AVT-CWT转换期间低加入口给水、主蒸汽和高压加热器(此后简称高加)疏水中铁含量的变化曲线。由图2可知，在AVT方式下低加入口给水中铁含量平均为10μg/L左右；当加氧开始后，低加入口给水中铁含量在24h内有所上升，随后又逐渐降低；当主蒸汽出现溶解氧时，低加入口给水和高加疏水中的铁含量基本稳定在5μg/L左右，与AVT方式时相比，铁含量大大降低，这说明在金属表面已形成溶解度低的Fe_３O_４保护膜，铁离子的溶出已开始受到抑制。
3CWT给水处理条件优选
在该机组完成AVT-CWT转换后，为了得到给水的最佳pH值和DO浓度，在CWT的水质控制范围内(pH：8.0～9.0，DO：50～150 μg/L)，进行了条件优选试验。试验时设定了五个条件，即：

结果如图3所示。可以看出，除条件1和条件2时高压加热器疏水铁含量高于10μg/L以外，其他3种条件下，水汽系统的铁含量均在10μg/L以下；其中，在条件(5)时，水汽系统中的平均铁含量比其他4种条件都要低，因此将条件5定为本系统CWT给水处理的最佳控制条件。
4CWT条件下的实际效果
4.1水汽系统中铁、铜含量变化
 加氧前后1年内水汽系统平均铁铜含量变化情况如图4所示。在CWT给水处理最佳控制条件下运行，水汽系统的铁、铜含量呈现明显下降趋势。与AVT处理方式时相比，铁、铜含量均降低60%以上。如给水系统平均铁含量已由AVT方式下的16μg/L下降至4μg/L左右。并且，随着CWT方式运行时间的延长，水汽系统中的铁含量又有进一步的降低，到2002年5月，水汽系统平均铁含量降至3μg/L左右。同时，平均含铜量也由AVT方式下的5μg/L下降至2μg/L左右。
4.2锅炉运行压差变化
锅炉运行压差及压差上升速度是衡量锅炉炉管内部清洁程度的重要参数。试验机组在AVT方式运行时，锅炉运行压差上升速度较快，其主要原因是在AVT方式下，炉管表面皮膜的主要成分是Fe3Ｏ4，其颗粒大、沉积量大且结垢速率快，表层不光滑，呈现波纹状，增加了水流阻力，从而导致锅炉压差增大。在给水采用CWT方式后，锅炉运行压差缓慢下降；运行3个月后，锅炉运行压差与AVT方式相比下降了1MPa以上，相当于锅炉投产初期时的运行压差；同时给水泵的运行电流从420A下降到410A，电流净下降10A，提高了给水泵的经济效益。

4.3凝结水精处理装置运行周期
机组正常运行时，凝结水精处理的三台混床同时运行，AVT方式运行时平均每月每台混床再生3～4次，每台机组每年共再生108次。采用CWT方式运行后，平均每三个月再生1台混床，全年共再生12次；混床运行周期也由AVT方式下的7～10天延长至90天左右。另外，加氨量也从AVT方式运行下的400μg/L下降到100μg/L左右。另外，不加联氨(致癌物质)，也大大改善了精处理混床的运行环境，减轻了混床中阳树脂的负担，凝结水中的腐蚀产物明显减少，大大提高了凝结水精处理的出水水质，节省了大量的再生药剂和除盐水，相应地减少近万吨以上的再生废水排放，减轻了环境污染。
4.4机组启停时间
试验机组因调峰运行，启停频繁，平均每年启停在20次以上。在AVT方式下，机组启动前冷态冲洗铁含量高达500μg/L，冲洗时间近3h，除盐水用量1800多吨；采用CWT方式后，机组停运后的启动冲洗时间不到1h，铁含量降低到100μg/L，大大缩短了启动时间，节约了大量除盐水。
5割管样品的表面分析
为了解CWT处理方式的运行效果，分别对AVT和CWT方式下水冷壁管蒸发段、过热器以及再热器内壁的割管样品进行了x-射线衍射分析以及扫描电镜(SEM)分析。
5.1x-射线衍射分析
5.1.1再热器割管样品的分析
试验所用仪器为日本理学D/max-2500v-PC型x-射线衍射分析仪。分析结果如图5和图6所示。通过计算x-射线衍射峰的峰面积，得到了金属表面皮膜中各种成分所占的相对比例。由图5可知，在AVT处理方式下，再热器管材内表面形成的产物主要是Fe_３O_４，其含量占总腐蚀产物的93.3%；Fe_３O_４未被检出。由图6可知，在CWT处理方式下，再热器管材内表面形成的产物主要是Fe₂O₃，其含量占83.8%；Fe_３O_４含量仅占8.94%。可见，加氧1.5个月之后，再热器管材内表面的Fe_３O_４已经大多数被转化为Fe₂O₃。这说明在加氧1.5个月后，AVT-CWT转换已基本完成。

图5AVT处理方式下再热器管内表面皮膜x-射线衍射分析结果图6CWT处理方式下再热器管内表面皮膜x-射线衍射分析结果用同样方法对过热器以及水冷壁管的割管样品也进行了x-射线衍射分析。其结果汇总在表1中。
根据x-射线衍射分析结果得到以下结论：(1)试验机组在AVT处理方式下，水冷壁蒸发段、过热器、再热器管样内表面形成的皮膜，其成分主要是Fe_３O_４氧化物；(2)给水系统在CWT处理方式下运行1.5个月后，其表面的Fe_３O_４绝大部分转变为以Fe₂O₃为主的保护膜；运行10个月后，金属表面皮膜中的Fe_３O_４和Fe₂O₃成分所占的比例变化不大，Fe₂O₃大约占80%，Fe_３O_４大约占10%。

5.2扫描电镜(SEM)分析
试验所用仪器为日立公司S-3000N型扫描电镜。对过热器、再热器以及水冷壁管蒸发段的管壁内表面扫描得到SEM像如图7所示。

由图7可以看出，在AVT方式运行条件下，过热器、再热器以及水冷壁蒸发段管壁内表面的形成产物，其粒径较粗大、疏松、有孔隙、有明显的下凹“溃蚀坑”，表面不平整；在CWT方式运行条件下，对应表面的形成产物，其晶粒较细，较均匀，没有孔隙；另外，用肉眼看，所有皮膜的表面颜色偏棕红色。
在CWT处理方式运行10个月后，再对皮膜情况进行观察。发现皮膜层变得致密，下凹的“溃蚀坑”已被填平，AVT处理方式下形成的大晶粒已转换成细小的晶粒，大部分的孔隙已被细小晶粒填补，表面较为平滑。由此可见，SEM分析结果与x-衍射所得到的结论是一致的。
6经济效益分析
6.1直接经济效益
试验机组应用CWT技术后取得的具体效益如表2所示。可见，对给水采用CWT技术后，每年累计可节省238万元。

6.2间接经济效益
给水采用CWT技术后，炉管内表面形成致密的三价氧化铁保护膜，使机组结垢速率大幅度下降，皮膜变薄，锅炉传热性能得到改善，热效率得到提高。另外由于精处理运行周期延长10倍，每年每台机组减少再生废液近万吨，减少了废水处理费用及其对环境的污染，机组在安全、经济运行、节能增效等方面取得了显著效果。
7结论
在200MW直流炉调峰发电机组上首次进行了CWT试验研究。它的成功应用对于今后我国在同类型机组上运用CWT技术具有重要的指导意义。从该机组1年多的实现运行效果来看，试验取得了成功，给水处理转换后的效果达到了预期目标：(1)在锅炉下辐射向火侧垢量达146g/m^２的前提下，不进行酸洗，成功地实现了CWT方式转换；(2)锅炉水冷壁管沉积率下降了50%；(3)给水系统铁铜含量都降低60%以上；(4)凝结水精处理装置运行周期延长近10倍；(5)锅炉运行压差比AVT方式运行下降低了1MPa；(6)锅炉化学清洗周期延长一倍以上。

参考文献

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