火力發電廠給水系統的腐蝕類型與防護措施
2025-03-06 14:05:24
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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水汽是火力發電廠能量傳遞與轉化的重要介質，其品質的好壞直接與設備的安全穩定運行相關。給水經過省煤器加熱之后進入鍋爐水冷壁，吸收煤燃燒產生的熱量轉變為蒸汽，蒸汽推動汽輪機旋轉帶動發電機發電，做完功之后的蒸汽進入凝汽器冷凝成水，凝結水經過精處理后進入除氧器，進行下一個水汽循環。目前，我國主流的火力發電機組為600 MW以上的大容量高參數的超臨界和超超臨界機組，與同容量亞臨界火電機組的熱效率相比，在理論上采用超臨界參數可提高效率2%～2.5%，采用超超臨界參數可提高4%～5%。當水汽體系的溫度和壓力超過臨界點時，稱為超臨界水。這種看似氣體的超臨界水有很多特性：（1）具有極強的氧化能力，將需要處理的物質放入超臨界水中，再向其中溶解氧氣（可以大量溶解），其氧化性強于高錳酸鉀。（2）超臨界水具有獨特的溶解特性，其行為類似于非極性的有機溶劑。根據相似相溶原理，在臨界溫度以上，幾乎全部有機物都能溶解，比如油，且在溶解時體積會大大縮??；相反，無機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）具有超級催化作用，在超臨界水中，化學反應很快，有些更可以達到常溫的100倍。
在高參數大容量的超臨界和超超臨界機組中，各熱交換系統包括給水系統、水冷壁、過熱器、再熱器、凝汽器等極易受到腐蝕。為了防止熱力設備發生腐蝕，應盡量減小介質的侵蝕性，除了對水質的要更加嚴格外，采取一定的措施防止腐蝕尤為重要。給水系統包括從凝結水泵直到省煤器的設備及連接管道，其內壁接觸的介質為給水或凝結水，高、低壓加熱器管外壁接觸的介質是蒸汽。在該過程中，水溫隨著流程逐漸升高，亞臨界及以上機組省煤器進口給水溫度可達263～298 ℃。給水系統水化學對整個電廠的可靠性是非常重要，在給水系統產生的腐蝕產物，沿著整個水汽系統傳遞，并最終沉降在水汽循環系統的各個設備內，影響機組的安全運行。
氧腐蝕是熱力設備常見的一種腐蝕。蒸發量大于等于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。熱力設備在安裝、運行和停用期間都可能發生氧腐蝕。其中以鍋爐在運行和停用期間的氧腐蝕最嚴重。在鍋爐給水處理工藝過程中，除氧是一個非常關鍵的一個環節。氧是給水系統和鍋爐的主要腐蝕性物質，給水中的氧應當迅速得到清除。氧腐蝕不僅使設備損壞，而且氧腐蝕產物隨給水進入鍋爐，會在受熱面沉積，引起鍋爐的其他腐蝕損壞，造成更嚴重的后果。鍋爐運行時，氧腐蝕通常發生在補給水管道、給水管道、省煤器、疏水系統的管道和設備。氧腐蝕的一個表現是隙縫腐蝕，由于限制水流進入到隙縫，隙縫內氧的補充很慢，所以隙縫內氧的濃度相對于隙縫外側偏低。兩個鄰近的區域建立了一個濃差電池，電子從氧濃度低的區域流向氧濃度高的區域。氧化反應發生在隙縫內側，Fe被腐蝕；隙縫內的Fe2+水解，使溶液pH減小，相當于鋼鐵處于活化溶解狀態，加速Fe的溶解，并使蝕坑擴展。還原反應發生在隙縫外側，金屬離子通過擴散離開隙縫，更多的金屬溶解，腐蝕進程持續，這導致在隙縫內側形成點蝕。
（1）溶氧濃度。水中溶解氧對水中碳鋼的腐蝕具有雙重作用，它既可以導致鋼鐵的腐蝕，又可以使碳鋼發生鈍化，其所起的作用與水的純度、溶解氧濃度、pH值、水流速等有關。但水質較差時（氫電導率>0.3 μS/cm），O2是一種去極化劑，會引起金屬的腐蝕。溶解氧的濃度越大，金屬腐蝕越嚴重。但在高純水中（氫電導率<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對金屬腐蝕影響很大，pH越小，金屬腐蝕速度越快。水中無氧時，提高pH可以減緩腐蝕。水中有O2，且pH=4～9時，腐蝕速度不受pH影響。pH>9時，腐蝕速度減小。這是因為在堿性溶液中，金屬表面形成保護膜。故一般控制給水pH>9。為兼顧熱力系統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。在密閉系統中，溶氧濃度一定時，水溫升高腐蝕速度加快。在敞開系統中，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，有利于金屬表面保護膜的形成。
（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。因為隨著水流速增大，擴散層厚度減小，鋼的腐蝕速度將因此而提高。但是，當水流速增大到一定程度時，可能使鋼表面發生鈍化，氧腐蝕速度又會下降。如果水流速度進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，如全揮發處理水工況下省煤器管道中發生的流動加速腐蝕。
（1）嚴格控制凝結水和給水的氫電導率；
（2）通過加氨將凝結水和給水的pH控制在合適范圍內；
（3）控制氧濃度。
當補給水處理不徹底，部分碳酸鹽進入除氧器中，或凝汽器泄漏，漏入凝結水中的冷卻水會帶入碳酸鹽。它在除氧器中熱分解一部分，生成的CO32-在除氧器中水解。或者水汽系統處于真空狀態設備的不嚴密處漏入空氣、補給水中的有機物在鍋內分解、離子交換樹脂漏入水中，在鍋內分解成有機酸等均會造成系統產生二氧化碳腐蝕。
（1）游離二氧化碳含量。對密閉熱力系統，當溫度升高時，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。
（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的動力學過程，還會影響腐蝕產物的性質。
（3）流速。水的流速對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，若同時含有溶解氧和游離二氧化碳，設備腐蝕會更加嚴重，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，破壞保護膜，使金屬表面呈活化態，易形成腐蝕電池的陽極；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，給水泵最易發生氧腐蝕和二氧化碳腐蝕并存的情況。（5）金屬材質。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，提高凝結水質量。對于高參數大容量機組，凝結水應進行精處理，以除去因凝汽器泄漏而進入凝結水的碳酸鹽等雜質及凝結水中的腐蝕產物。
（3）防止空氣漏入水汽系統，提高除氧器效率。目前除采用加氧處理運行的直流鍋爐外，普遍采用熱力系統堿性水運行方式。除盡量減少給水中的溶解氧之外，還向給水中加入NH3•H2O調節pH。既可中和給水中游離二氧化碳，又可調節水的pH達規定值，使鋼鐵和銅合金的腐蝕速度保持在較低水平。
根據DL/T 805.4—2016《火電廠汽水化學導則 第4部分：鍋爐給水處理》，鍋爐的給水水質調節方式有以下三種：（1）還原性全揮發處理：在對給水進行熱力除氧的同時，向給水中加氨和還原劑（如聯氨等）的給水水質調節方式。因其所用藥品（氨和聯氨）都是揮發性的，這種給水處理方式稱為全揮發處理（AVT）。由于深度除氧和還原劑（聯氨等）的加入，給水具有較強的還原性，故又稱為還原性全揮發處理，簡稱AVT(R)。（2）氧化性全揮發處理：在對給水進行熱力除氧的同時，只向給水中加氨（不再加任何其他藥品）的給水水質調節方式。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處理，簡稱AVT(O)。
（3）加氧處理(OT)：向給水中加氧的給水水質調節方式。此時，給水中因含有微量的溶解氧而具有較強的氧化性。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合水處理（CWT）。目前直流鍋爐通常采用加氧與加氨的聯合水處理（CWT）。
（1）AVT(R)：對于有銅系統的機組，兼顧了抑制銅、鐵腐蝕的作用；對于無銅系統的機組，通過提高給水的pH值抑制鐵腐蝕；采用AVT(R)時，個別機組在給水和濕蒸汽系統容易發生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)：對于無銅給水系統，給水處理采用AVT(O)后，通常給水含鐵量會有所降低，省煤器和水冷壁管的結垢速率相應降低。（3）OT：采用OT可使給水系統FAC現象減輕或消除，給水含鐵量明顯降低，因而省煤器和水冷壁管的結垢速率降低，鍋爐化學清洗周期延長；同時，由于給水pH值控制在較低范圍內，可使凝結水精處理混床的運行周期明顯延長。但是，OT對水質要求嚴格，對于沒有凝結水精處理系統或凝結水精處理系統運行不正常的機組，給水的氫電導率難以達到小于0.15 μS/cm的要求，不宜采用OT。
表1 三種鍋爐給水水質調節方式的比較
某電廠二期兩臺660 MW超超臨界直流爐機組，于2009年底通過168小時連續運行，進入生產運行。給水處理方式為氧化性全揮發處理，即AVT(O)，通過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，同時調整除氧器運行使給水含氧量≤7 μg/L，不加聯氨等除氧劑。2011年4月，#4機組大修，對省煤器和水冷壁爐管割管檢查發現，水冷壁管和省煤器管內壁均有較厚的黑色、鍋灰狀、疏松的氧化鐵垢。對其進行垢量測定及成分分析結果表明，#3、#4爐給水系統發生了較嚴重的流動加速腐蝕（FAC）現象。該電廠于2011年8月初與西安熱工院共同進行了#3、#4機組給水加氧處理優化實驗，9月初完成優化實驗。#3、#4機組給水處理方式于9月初正式轉為加氧處理，加氧處理期間也遇到一些技術問題，通過設備改造、運行調整等均已得到滿意的解決，加氧運行效果良好。
之后，機組正常運行時，采用加氧處理，通過加氨將pH控制在8.8～9.0，并加氧使金屬表面生成致密的保護性氧化膜，以減少腐蝕。在機組啟動初期、機組停運前一段時間或在機組運行不穩定、水質異常且不能立即恢復的情況下，采用氧化性全揮發處理，通過加氨將給水pH提高至9.2～9.6，并通過除氧器除氧使給水含氧量小于規定值，不加聯胺等還原劑。
圖4 機組加氧系統圖
機組加氧的加氧點設在凝結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。
（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，高速混床的運行周期大大延長。AVT(O)工況下，高速混床周期制水量僅為9萬噸～13萬噸。OT工況下，混床的周期制水量可達24萬噸～44萬噸。AVT(O)工況下二期機組每月再生次數約8～9次，酸堿用量約為22噸左右。OT工況下二期機組每月再生次數約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。同時大大減少了再生廢酸廢堿的排放，有利于環境的保護。（3）鍋爐運行壓差上升速率趨緩，節約了給水泵動力，降低了汽耗。（4）鍋爐清洗周期的延長，檢修工期的縮短,機組發電時間增加，發電量增加。（5）除氧器、高加排汽閥微開或關閉運行，減少排汽損失。（6）機組結垢速率的下降、結垢形態變致密后，鍋爐的傳熱性能將改善，使得機組熱效率得到提高。（7）由于鍋爐水冷壁管、省煤器、高、低加管內的垢層明顯比AVT時致密均勻，使得機組停爐時的腐蝕大大減少，明顯縮短了機組啟動時的水沖洗時間，從而縮短了啟動時間。
對高參數大容量的超超臨界機組而言，因其水、汽溫度和壓力高，金屬腐蝕的熱力學傾向增加，為有效減緩和防止給水系統的腐蝕，在滿足給水氫電導率合格且有100%凝結水精處理的條件下，給水宜采用加氧處理。某電廠運行實踐表明，在加氧處理（OT）工況下，給水系統的流動加速腐蝕得到明顯的抑制，鍋爐的結垢速率有了明顯降低，鍋爐運行壓差上升速率趨緩，節約了給水泵動力，降低了汽耗。同時改善了精處理運行條件和水汽品質，減少了精處理再生次數和藥品消耗，提高了機組的安全性和經濟性。
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