汽轮机铜沉积技术分析及解决方案
王　柱1 ,宫有成2 ,张振华3 ,王礼君1
(1. 黑龙江省电力科学研究院,黑龙江哈尔滨150030;
2. 山东百年电力发展股份有限公司,山东龙口265700;
3. 华能山东辛店电厂,山东淄博255000)
摘　要: 分析了汽轮机高压缸铜化合物沉积的原因。针对铜沉积过程提出了去除铜沉积物的方法和防范铜沉积的措施。
关键词: 汽轮机;铜沉积;凝汽器;溶氧;化学清洗
中图分类号: TM621. 8　　　　文献标识码: B　　　　文章编号: 1002 - 1663 (2005) 01 - 0055 - 03
Technology analysis and its countermeasure of copper
deposition on turbine
WANG Zhu1 , GONG Youcheng2 , ZHANG Zhenhua3 , WANG L ijun1
(1. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China;
2. Shandong Century PowerDevelopment Company, Longkou 265700, China;
3. Shandong Xindian Electric Power Plant of Huaneng Group, Zibo 255000, China)
Abstract: The reasons caused copper and its compound deposited on the high p ressure cylinder of turbine were
analyzed in the paper. The methods of copper deposition removal and the measures p reventing copper from
deposition on the high p ressure cylinder focusing on the depositing character of copper were p resented in the
paper.
KeyWords: turbine; copper deposition; condenser; dissolved oxygen; chemical cleaning
　　一些凝汽器、给水加热器的管材为铜合金的大容量机组,当铜及其氧化物在汽轮机高压缸叶片上沉积时发电能力会降低。国外1台额定负荷为525MW亚临界机组,由于铜氧化物沉积在汽轮机高压缸末端使蒸汽通流部分发生阻塞而导致机组出力损失近10%。本文以这台机组为例,研究铜沉积的过程和机理,以便提出解决措施。
1　汽轮机铜沉积的危害
该亚临界机组凝汽器管材为铜97. 5%和钢2. 5% ,低压加热器的材质为海军黄铜, 4台高压加热器最初使用70 /30的铜/镍合金管,后将2台高加更换为不锈钢管。如图1所示, 1984～1986年,因铜的大量沉积而造成机组发电能力严重下降,须每隔2～3年进行喷砂处理。
图1　铜沉积造成的机组发电能力下降
2　汽轮机铜沉积产生过程和原因分析

研究表明,汽轮机叶片表面铜沉积可分解为三个独立的过程: a. 铜腐蚀,铜在给水设备(主凝汽器或给水加热器)内发生腐蚀; b. 铜转移,铜腐蚀物从给水系统向蒸汽系统转移; c. 铜沉积,铜进入蒸汽系统并沉积在汽轮机叶片上。
2. 1　铜腐蚀
在机组运行和备用过程中,当铜氧化物的钝化膜被除去或变为不稳定的氧化物时,就会发生铜腐蚀。铜腐蚀的影响因素包括水中存在溶解氧、二氧化碳、碳酸铵或过量的氨水、水力冲蚀作用以及停备用保护方式不当等,这些因素或单独作用或联合作用侵蚀铜的钝化氧化层(一价铜化合物) 。从凝汽器到高压加热器均被认为是铜腐蚀物的来源。
2. 1. 1　二氧化碳的影响
由于凝结水非常纯净,缓冲性很小,因此,很少量的碳酸或CO2 都会显著降低凝结水pH值,并产生使铜发生腐蚀的低pH值区域。为降低腐蚀,需要向给水中加氨水,达到所要求的pH值。
氨与二氧化碳在给水中化合生成碳酸铵,碳酸铵对铜及其氧化物具有腐蚀作用。凝结水温度较高时,二氧化碳对铜的腐蚀尤其严重。在汽水系统中,二氧化碳的主要来源是在锅炉的运行压力和温度下,水中的碱式碳酸盐和碳酸氢盐的热分解;此外,当凝汽器真空严密性不好或者低负荷时空气漏入以及凝汽器泄漏等情况发生时,二氧化碳也会进入系统。
2. 1. 2　溶解氧的影响
凝结水中的溶解氧在非常低的浓度下会增加铜的腐蚀性,最严重的溶氧问题是机组运行的瞬时温度变化引起的溶解氧量不规则的增加。比如在低负荷运行时,当水温由60℃升到90℃,因溶氧引起的腐蚀速率增加大约2倍。当给水反复由氧化态变为还原态时,这种状况尤其具有腐蚀性。
一价铜化合物变为二价铜化合物的过程很不稳定,非常容易转移至给水中,使暴露的光鲜的金属表面发生腐蚀;在给水从还原态到氧化态的过程中,氧化层被除去后又重新生成,溶解氧如果同二氧化碳联合作用,腐蚀速率将比每种气体单独作用对金属产生的腐蚀速率总和高10%～40%。
2. 1. 3　氨的影响
氨是凝结水系统铜腐蚀的另一因素。有溶解氧存在时,氨容易与铜合金形成易溶的铜氨盐[Cu (NH3 ) 2 + ] ,被凝结水冲掉,引起铜的腐蚀。
表1为水中溶氧和最大允许氨含量对铜腐蚀影响
的经验数据。
氨的来源包括: a. 为提高凝结水、给水的pH值而向系统加氨; b. 由中和胺的分解产生; c. 过量的联胺在给水加热器、省煤器和锅炉中发生降解时产生。
表1　溶氧与氨对铜合金腐蚀的影响
溶解氧浓度/μg·L - 1 最大允许含氨量/mg·L
0～20 0. 5
20～50 0. 3
> 50 微量即会引起铜的腐蚀
2. 1. 4　冲蚀作用的影响
在高流速的水中,铜合金对冲蚀很敏感,特别是在管道弯头、管路内有阻碍物处水流易受扰动,由于水流速很高,金属氧化腐蚀物生成即被水流冲走,在那里没有形成具有保护性的氧化膜,易产生大量腐蚀产物。
2. 1. 5　机组停备用保护措施不当
当机组停运时,将给水加热器汽侧和凝汽器进行通风排气,导致空气与一价铜的氧化物钝化膜直接接触时产生铜腐蚀;铜的一价氧化物向二价氧化物转变,当机组再次启动时脱落,随给水进入锅炉。
2. 2　铜转移
铜是以铜氧化物或者可溶性铜化合物的状态从给水中转移出去的,包括如下方式:高压蒸汽或水流以物理方式从管壁上冲刷带走;由热力冲击剥落带入炉内;给水或蒸汽的化学作用而溶解。
铜腐蚀产物如果不在给水设备上沉积,就会聚集在锅炉中。调查表明,锅炉受热面上大量含铜与汽轮机叶片上有铜的沉积存在关联性,这是由于锅炉在铜的聚集和挥发进入蒸汽的过程中起很大作用。如果发现锅炉炉管沉积物含有大量铜,就应重视铜腐蚀与沉积问题。因为在这些物质挥发进入蒸汽系统前,锅炉内的铜沉积物对机组运行同样不利,如铜沉积物会堵塞炉水循环泵的入口侧流量孔板。
锅炉内的铜及其氧化物进入蒸汽内受许多因素影响,包括: a. 汽包运行压力,运行压力越高,蒸汽对铜的溶解携带系数越大; b. 由于汽包内部汽水分离装置的故障或汽包水位监督不准确而引起的机械携带; c. 机组在启动过程中减温水的用量,如果启动过程中减温水用量大,而恰恰此时给水中的铜含量很高,铜及其化合物随减温水进入蒸汽系统。
2. 3　铜沉积
一旦铜及其化合物进入蒸汽系统,铜就会沉积在过热器管或汽轮机高压缸中。沉积在过热器中的铜形成了铜的“储存库”,将逐步转移至汽轮机。汽轮机中的铜沉积通常形成在静叶喷嘴组或第一级静叶上。随着沉积物的逐渐生成,叶片表面粗糙度增加,机组发电能力下降,并且与发电容量损失有规律性。
3　铜沉积物的去除方法
如果汽轮机叶片上出现积铜问题,可采用物理方法和化学方法清除。
3. 1　物理方法包括喷砂处理和在线处理方法等,都可以有效地清除汽机铜沉积物。在线处理方法是采用降低蒸汽温度的办法在线除去铜的沉积物,无须停机。
3. 2　化学方法是采用泡沫化学清洗,汽轮机无须进行解体。一种办法是,在停机状态下,通过向汽轮机高压缸内喷射含有氨和碳酸铵的泡沫,可以有效清除铜的氧化物;另外,通过用氧气或过氧化氢泡沫溶液,单体铜能转化成铜氧化物并被清除。汽轮机冷却后,清洗过程要持续24～36 h,包括注入化学药剂、冲洗和蒸汽吹扫。在汽轮机盘车状态下首级金属温度65～77 ℃时,氨化泡沫直接注入集汽室,通过汽轮机高压缸;当铜的含量降低到最小并稳定后,水冲洗氨化溶液;再用低温饱和蒸汽进一步冲洗,直到排水的电导率等于进入汽轮机蒸汽的电导率。通常,机组在清洗结束24h后方可启动。
4　铜沉积的防范措施
4. 1　消除铜及其化合物发生腐蚀的根源
4. 1. 1　蒸汽循环系统采取合理的停备用保护方法。机组停运后,立即对高加汽侧进行充氮保护,在管壁还处于热态时注入氮气,尽可能避免空气进入,其目的是预防金属因为与空气接触而发生腐蚀,进而生成二价铜的氧化物。这样,可以降低铜的化合物从给水加热器上释放出来的数量,延长运行寿命。
4. 1. 2　控制给水中联胺的残余量。为控制给水溶解氧含量在5～10μg/L,该机组将省煤器入口的联胺最小含量控制到40 μg/L,高含量的联胺能够将二价铜的氧化物还原为一价铜的氧化物。
但在运行中发现,联胺残留量变化的非常大,有时高达60～70μg/L,随之而来的,由于联胺分解产生的氨含量超过700 μg/L。为了保持氨含量低于450μg/L,除氧器必须经常排汽。因此,为防止铜的沉积,应保证省煤器入口联胺残留量在合适范围。
4. 1. 3　尽量保证凝汽器严密,避免空气漏入,减少氧气对铜的腐蚀。
4. 2　减少铜及其化合物的转移
4. 2. 1　安装并使用凝结水精处理设备来去除给水中的腐蚀物质。特别是在机组启动的过程中,凝结水精处理设备必须投运。
4. 2. 2　在机组启动过程中,应对低压加热器和高压加热器进行疏水排污。
4. 2. 3　如果锅炉或者过热器中含有大量的铜,应对其进行化学清洗。
4. 2. 4　加热器随机组滑启,降低对加热器的热力冲击。
4. 3　减少铜化合物在汽轮机表面的沉积
4. 3. 1　保证汽包及其内部装置发挥正常作用,维护合理的运行水位,降低蒸汽对铜的机械携带。
4. 3. 2　机组启动时,按洗铜曲线升压,降低蒸汽对铜的溶解携带。通过对给水溶解氧的良好控制和改变除氧剂,给水铜含量由8～10μg/L降至3～5μg/L。锅炉正常运行时,炉水中铜含量降至10μg/L 以下; 但在启动过程中, 仍超过1 000μg/L。为消除启动过程中蒸汽对铜的溶解携带,避免汽轮机铜沉积。在1987年,提出在锅炉升压过程中进行“洗铜运行”。所谓“洗铜运行”,即通过排污等手段,按照炉水铜含量与升压关系曲线进行锅炉升压,以保证蒸汽铜含量合格。该曲线与在启动阶段硅含量作为限定锅炉压力升高的控制因素相似,机组升压至8. 40 MPa,保持在该压力等级下,直到铜含量降低至控制曲线内再升压。
当铜含量作为锅炉升压的一个控制指标时,以前启动阶段要持续12 h,“洗铜运行”后则要48
～60 h。通常机组启动9 h后,锅炉压力为11. 2MPa左右,而炉水铜含量仍大于500 μg/L。当时,只能延长启动时间,通过锅炉排污除去铜氧化物,直到合格。而后,通过锅炉的连续排污和机组旁路运行,利用凝结水精处理,设备对凝结水进行处理使锅炉总的铜含量不断的降低,启动时间逐渐恢复至12 h左右;对洗铜曲线进行优化,初始限定压力已提高至13. 30 MPa。按照机组“洗铜曲线”进行升压,可以很大程度地减少铜及其化
合物进入汽轮机。
5　结束语
通过分析铜腐蚀、铜转移和铜沉积的成因,采取针对性的治理措施,能够降低铜在汽轮机中的沉积,减少发电能力损失。对于洗铜曲线,还应进一步进行试验研究,缩短锅炉升压时间,降低机组启动成本,提高机组的经济性。
参考文献:
[ 1 ]肖作善. 热力设备水汽理化过程[M ]. 北京:水利电力出版社,1987.
[ 2 ]Michael L Hofmann. Concerted utility effort tames copper deposi2 tion[ J ]. Power, June 1994.
[ 3 ] David Daniels. Turbine depositions rob megawatts, but yu can catch the thief[ J ]. Power,March /Ap ril 1999: 83 - 87.

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