馮禮奎，樓華棟，賴建忠

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400；3.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

0 引言

熱力設(shè)備的腐蝕會使金屬表面遭到破壞，減損設(shè)備壽命，加劇熱力設(shè)備受熱面結(jié)垢和運行腐蝕現(xiàn)象，影響熱力系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性。由于停運時設(shè)備內(nèi)部氧的濃度大，在沒有采取有效防腐蝕措施的情況下，腐蝕嚴(yán)重程度要遠(yuǎn)高于運行階段的腐蝕[1-2]，對于經(jīng)常停運或停運時間較長的熱力設(shè)備，停運期間的腐蝕防護工作必須高度重視。

1 余熱機組停/備用腐蝕現(xiàn)狀

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組（簡稱燃機）因清潔、高效、調(diào)度靈活等優(yōu)勢，近十年來在我國京津、華東、華南等電力負(fù)荷集中地區(qū)發(fā)展較快，2016年底全國燃機裝機規(guī)模已超過7 000萬kW。受天然氣資源稟賦制約，我國天然氣電站普遍面臨氣源供應(yīng)無保障、發(fā)電成本高的問題，目前主要承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻功能，除少數(shù)重點保障區(qū)域燃機能做到連續(xù)運行，大部分機組主要作為備用電源使用，且以冷備用為主，總體上停多開少[3-5]。以浙江省為例，2015年和2016年燃機年均發(fā)電利用小時數(shù)在1 300 h左右，年均停備用時間超過7 000 h，其中冷備用時間超過5 000 h。燃機這種停多開少的局面不僅使機組經(jīng)濟性相當(dāng)差，還帶來停運設(shè)備維護保養(yǎng)問題，其中熱力設(shè)備停運腐蝕防護是最重要工作之一。

從近幾年燃機發(fā)電廠監(jiān)督檢查發(fā)現(xiàn)，燃機的熱力設(shè)備停運腐蝕防護普遍存在兩方面問題：

（1）大部分燃機余熱機組（也稱聯(lián)合循環(huán)余熱機組，簡稱余熱機組）停/備用保護措施效果不符合要求，由于燃機啟停次數(shù)多且停運時間難以確定，為操作方便一般都采取熱爐放水烘干法對余熱機組進行保護。該方法效果一般，而且經(jīng)常出現(xiàn)停機時間超出保護措施有效期的情況，這類余熱機組停運銹蝕普遍較嚴(yán)重。

（2）對長期停運的余熱機組保護措施覆蓋范圍不全面，通常以余熱鍋爐本體水汽系統(tǒng)保護為主，對凝汽器、燃汽輪機、鍋爐煙氣側(cè)等設(shè)備缺少針對性的防銹蝕措施。

圖1為某9E燃機的余熱機組凝汽器熱井停運1周（左側(cè)）和1個月（右側(cè)）后的內(nèi)部檢查對比情況，因沒有采取合適的防銹蝕措施，1個月時間碳鋼材料銹蝕比較嚴(yán)重。圖2為某6E燃機的余熱鍋爐蒸發(fā)器管腐蝕，因經(jīng)常停機在3個月以上，水平蒸發(fā)器管道積水部位因長時間腐蝕導(dǎo)致穿孔。

圖1 某廠凝汽器汽熱井底部停運期間銹蝕

圖2 某余熱鍋爐水平蒸發(fā)器管腐蝕穿孔

2 余熱機組停/備用腐蝕防護特點

由于材質(zhì)、運行工質(zhì)和所處環(huán)境的不同，余熱機組水汽系統(tǒng)的腐蝕防護是燃機系統(tǒng)中的重點。同樣以水汽作為運行工質(zhì)，余熱機組在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行方式、啟停調(diào)度等方面與普通燃煤發(fā)電機組有很大區(qū)別，余熱機組停/備用保護可借鑒燃煤機組的一些方法和經(jīng)驗，但在具體選擇和制定防腐蝕措施時還必須考慮適應(yīng)和滿足燃機的特點：

（1）燃機調(diào)峰方式多數(shù)為啟停調(diào)峰而非變負(fù)荷調(diào)峰，具有啟停頻繁、停/備用時間不確定的特點，停/備用保護方法應(yīng)考慮不同停機工況，滿足任何時長的停機保養(yǎng)需求。有保護期限的方法（如余熱烘干法）不適合作為唯一方法，還應(yīng)考慮長期停運情況下全系統(tǒng)保護的需求。

（2）余熱鍋爐一般采用多壓系統(tǒng)，機、爐組合形式多樣，水汽系統(tǒng)較燃煤鍋爐復(fù)雜，停/備用保護措施應(yīng)考慮保護范圍的全面性，對超過2周的停運，應(yīng)考慮包括鍋爐、汽輪機、凝汽器等所有水汽系統(tǒng)設(shè)備以及鍋爐煙氣側(cè)的大范圍保護。

（3）燃機開機速度快，鍋爐啟動過程水沖洗時間短，停/備用保護方法首先應(yīng)確保良好的防銹蝕效果，其次不影響機組水汽品質(zhì)，不影響機組快速啟動。

（4）燃機啟停次數(shù)多，相應(yīng)的停/備用保護措施投入、撤出次數(shù)也多，保護措施應(yīng)盡量操作簡便，能靈活應(yīng)對隨時開機或停機的情況。

（5）在當(dāng)前燃機停多開少情況下，總的停運保護時間較長，保護措施的經(jīng)濟性是重要參考因素，同時還應(yīng)考慮保護措施的環(huán)保影響。

綜合上述特點，余熱機組的停/備用保護措施應(yīng)能夠靈活適應(yīng)各種長、短期停機工況，符合機組快速啟停、保護范圍全面的要求，同時兼具良好的安全、經(jīng)濟和環(huán)保性能。

3 余熱機組常用的停/備用保護方法

目前余熱機組常用的停/備用腐蝕防護方法主要來自于燃煤機組的應(yīng)用經(jīng)驗，主要是余熱烘干法，也有使用成膜胺法、充氮法、濕法保護，這些方法在燃煤機組都有成熟應(yīng)用，但在余熱機組的實際應(yīng)用中存在各自局限或不足。

3.1 余熱烘干法

余熱烘干法（包括堿化烘干法）是在停爐放水后利用爐膛及金屬余熱使系統(tǒng)內(nèi)水分蒸發(fā)，爐內(nèi)相對濕度要達(dá)到60%以下，使金屬表面保持相對干燥，利用金屬表面鈍化膜耐蝕性能在一定時間內(nèi)防止銹蝕。該方法操作簡便，應(yīng)用最為普遍，但余熱烘干后的干燥狀態(tài)并不能長久維持，隨著爐內(nèi)相對濕度上升，水分在金屬表面凝結(jié)，表面保護層在氧氣、水分的作用下逐漸被破壞，所以余熱烘干法的保護時間有限，實際保護有效期與烘干程度相關(guān)。

余熱鍋爐應(yīng)用余熱烘干法主要存在鍋爐余熱不足、烘干不徹底的問題。相比燃煤鍋爐，余熱鍋爐爐膛體量一般較小，蓄熱量有限，熱爐放水很難保證低壓汽包、除氧器等低參數(shù)設(shè)備內(nèi)部積水蒸發(fā)，冷爐后積水現(xiàn)象比較普遍。積水的設(shè)備在冷爐后內(nèi)部相對濕度通常高達(dá)90%以上，處于碳鋼材料的高腐蝕區(qū)，與氧接觸后很快發(fā)生銹蝕，余熱烘干法基本起不到防銹蝕效果，這是一些燃機雖每月開機進行熱爐放水保養(yǎng)，但余熱機組水汽鐵含量仍然很高的主要原因。圖3、圖4為某9E級燃機余熱鍋爐執(zhí)行熱爐放水后第28天檢查情況，在低壓汽包和除氧器內(nèi)部存在積水和明顯銹蝕現(xiàn)象。

3.2 成膜胺法

圖3 低壓汽包熱爐放水后積水銹蝕

圖4 除氧器內(nèi)部積水銹蝕

該方法在停爐前向鍋爐加入一定量有機胺類物質(zhì)（如十八胺、咪唑啉或其衍生物等），使有機胺在水汽系統(tǒng)充分循環(huán)后停爐放水，有機胺吸附在金屬表面形成一層憎水性保護膜，保護膜起到隔絕水分和氧的作用使金屬得到保護。成膜胺使用溫度一般控制在300～500℃，最佳溫度為450℃，溫度過低成膜耐腐蝕效果差，過高則胺類物質(zhì)分解太快[6-8]。成膜胺法保護效果被廣泛認(rèn)可，保護期限長達(dá)3個月，滿足大部分余熱機組停/備用保護時間要求，操作上也較為簡便，保護范圍可以覆蓋鍋爐和汽輪機，比余熱烘干法有較大優(yōu)勢。

成膜胺法在余熱鍋爐應(yīng)用上有2個難以克服的問題：

（1）余熱鍋爐部分模塊運行溫度低于成膜工藝要求，如9F級燃機的余熱鍋爐中壓鍋筒設(shè)計運行溫度約225℃，9E級燃機的余熱鍋爐低壓鍋筒設(shè)計運行溫度約180℃，對應(yīng)的前級模塊溫度則更低，低溫區(qū)的設(shè)備成膜保護效果會比較差。

（2）殘留的有機胺在機組啟動后緩慢溶解釋放進入汽水系統(tǒng)，并在高溫下分解，分解產(chǎn)物甲酸、乙酸和CO2難以去除，導(dǎo)致汽水TOC（總有機碳）和氫電導(dǎo)率長時間難以合格，造成機組運行腐蝕風(fēng)險[9-10]。

3.3 充氮法

用純度大于98%的氮氣充滿鍋爐內(nèi)部空間或覆蓋保養(yǎng)液上部空間，維持氮氣純度和一定壓力，阻止氧與金屬的接觸從而避免氧腐蝕。滿足技術(shù)要求的充氮法具有良好的防銹蝕效果，對停運時間也沒有限制，適合鍋爐設(shè)備長期停用保護。

余熱機組使用充氮法進行鍋爐停運保護在技術(shù)上是比較好的選擇，需要考慮的是機組啟停次數(shù)較多、停運時間較長的情況下，氮氣置換和補充消耗氣量較大，經(jīng)濟性相比烘干法、成膜胺法較差。在保護范圍方面，充氮法只適合密封性較好的系統(tǒng)，凝汽器、汽輪機等無法密封的設(shè)備需采取其他方法進行保護。

3.4 濕法保護

用氨或氨與聯(lián)胺、二甲基酮肟等還原劑配制的緩蝕溶液充滿設(shè)備內(nèi)部空間，抑止金屬電化學(xué)腐蝕，是比較有效的長期停爐保護方法之一。濕法保護只能適用于無需防凍的季節(jié)或地區(qū)，保護范圍同充氮法一樣僅限于可密封的鍋爐本體和管道設(shè)備。

余熱機組應(yīng)用濕法保護除受到環(huán)境溫度限制，含大量氨氮和高TOC的保養(yǎng)廢液處理對很多燃機發(fā)電廠來說是一大難題。

4 余熱機組停/備用保護技術(shù)進展

4.1 通風(fēng)干燥法的概況

針對余熱機組特點和停運腐蝕防護需求，近年來部分燃機發(fā)電廠開展了適合余熱機組特點的停爐保護新方法的研究應(yīng)用。其中一個主要的技術(shù)方向是將干燥法與余熱機組結(jié)構(gòu)特點相結(jié)合，開發(fā)出可實用的通風(fēng)干燥法，通過控制熱力系統(tǒng)內(nèi)部相對濕度來抑制停運腐蝕。通風(fēng)干燥法的主要原理是以通風(fēng)方式調(diào)控?zé)崃ο到y(tǒng)內(nèi)部環(huán)境相對濕度在金屬腐蝕臨界相對濕度以下，避免水分在金屬表面凝聚形成水膜和電解液，阻斷金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的基本條件，從而阻止氧腐蝕的發(fā)生。

4.2 通風(fēng)干燥法的種類

降低空氣相對濕度有兩種方法，在常溫下除去空氣中水分降低空氣絕對濕度，或提高空氣溫度增加空氣飽和濕度，通風(fēng)干燥也相應(yīng)發(fā)展出熱風(fēng)干燥和干風(fēng)干燥兩種方法。

4.2.1 熱風(fēng)干燥法

該方法要點是使用加熱的空氣對停運放水設(shè)備進行強制通風(fēng)，用相對濕度較低的熱風(fēng)置換內(nèi)部相對濕度較高的空氣，同時高溫?zé)犸L(fēng)可加速水分蒸發(fā)，還能提高金屬溫度防止金屬管內(nèi)外表面結(jié)露。上海某9E燃機的余熱機組應(yīng)用了熱風(fēng)干燥法，針對余熱機組系統(tǒng)特點設(shè)計通風(fēng)管道系統(tǒng)，使用專用設(shè)備將壓縮空氣加熱到100～180℃后分別送入鍋爐各模塊和汽輪機本體進行升溫降濕。通風(fēng)合格標(biāo)準(zhǔn)為受保護設(shè)備金屬溫度高于環(huán)境溫度5℃以上，設(shè)備排風(fēng)口相對濕度降到40%以下，停止通風(fēng)后監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部相對濕度，當(dāng)相對濕度回升到60%則再次進行通風(fēng)干燥。機組啟動過程水質(zhì)分析對比表明，采用熱風(fēng)吹干法保養(yǎng)后水汽鐵含量較之前明顯下降[11]。

4.2.2 干風(fēng)聯(lián)合保護法

圖5 干風(fēng)保護法掛片試驗前后示片外觀

該方法是在鍋爐熱爐放水后用經(jīng)過深度除濕的常溫干風(fēng)以一定風(fēng)量置換熱力系統(tǒng)內(nèi)部高濕度空氣，將內(nèi)部環(huán)境控制在腐蝕臨界相對濕度以下，在通風(fēng)初期配合使用氣相緩蝕劑，加強停爐初期高溫高濕階段防腐蝕效果。因輸入干風(fēng)濕度遠(yuǎn)低于設(shè)備內(nèi)部濕度，具有較強的容濕能力，在通風(fēng)條件下干風(fēng)也可以加速內(nèi)部積水的蒸發(fā)。浙江某9F燃機采用干風(fēng)聯(lián)合保護法進行余熱機組全系統(tǒng)的停備用保護，干風(fēng)保護設(shè)備輸出的干風(fēng)絕對濕度達(dá)到5 g/m3以下，相對濕度15%以下，溫度為常溫-60℃可調(diào)，在首次通風(fēng)時配合使用氨類緩蝕劑。干風(fēng)從鍋爐蒸發(fā)器底部進入熱力系統(tǒng)，沿水汽流程走向進入凝汽器和汽輪機，從凝汽器和汽輪機軸隙排出，保護期間監(jiān)測凝汽器內(nèi)相對濕度并控制在30%～50%。該廠在汽包和凝汽器汽側(cè)進行了45天的腐蝕掛片試驗驗證保護效果，圖5為20號碳鋼腐蝕指示片試驗前后的外觀對比，除中壓汽包指示片因汽包人孔門不嚴(yán)密有輕微腐蝕，其他位置指示片表觀均無銹蝕，腐蝕速率基本為“0”，保護效果良好。

4.3 通風(fēng)干燥法的特點

熱風(fēng)干燥和干風(fēng)聯(lián)合保護法有以下共同特點：

4.3.1 優(yōu)點

（1）應(yīng)用范圍廣。不受機組材料、水處理工況、氣候環(huán)境限制，理論上只要能構(gòu)建通風(fēng)通道就可以使用，保護范圍可覆蓋鍋爐、汽輪機、凝汽器等完整的熱力系統(tǒng)，也可用于機組輔助系統(tǒng)和鍋爐煙氣側(cè)的防腐蝕保護。

（2）使用靈活。通風(fēng)干燥法操作簡單，可根據(jù)需要隨時投入或撤出保護設(shè)備，不影響隨時開機，不影響設(shè)備檢修，不受停機時間限制，適合長期停運保護。

（3）環(huán)保高效。經(jīng)實際應(yīng)用驗證，兩種方法都有良好的防銹蝕保護效果，而且是物理方法為主，對環(huán)境友好，也不影響后期機組的水汽品質(zhì)。

結(jié)合前述余熱機組對停爐保護的需求特點分析，這幾項特點幾乎完全滿足了當(dāng)前余熱機組停爐保護要求，采用一種方法既可以實現(xiàn)全部熱力系統(tǒng)的保護，而且還可向燃機煙氣系統(tǒng)延伸應(yīng)用，相比傳統(tǒng)方法，這兩種方法更適合于聯(lián)合循環(huán)機組的停備用保護。

4.3.2 缺點

兩種方法的共同缺點是都需要配備專用保護設(shè)備和通風(fēng)管道系統(tǒng)，增加設(shè)備投資和操作工作量。此外通風(fēng)干燥方式要求通風(fēng)系統(tǒng)中的管道不能有U型管道積水阻斷通風(fēng)通道，否則可能無法進行通風(fēng)保護。

4.3.3 兩種方法間的比較

兩種方法相比較，熱風(fēng)干燥法運行能耗相對較高，通過熱風(fēng)將冷態(tài)熱力系統(tǒng)金屬溫度提高5℃需消耗大量熱量，對大型鍋爐甚至難以實現(xiàn)。而干風(fēng)干燥法正常運行只需少量電耗維持設(shè)備除濕和送風(fēng)功能，風(fēng)量1 200 m3/h設(shè)備運行功率平均約為25 kW，且濕度維持期間不需連續(xù)運行，上述9F聯(lián)合循環(huán)余熱機組保養(yǎng)期間每臺機組平均每天運行約2 h，電耗約50 kWh，長期保養(yǎng)成本很低。此外，在安全性方面熱風(fēng)干燥法送風(fēng)溫度和壓力較高，有一定安全風(fēng)險，在通風(fēng)過程中還要注意控制好汽包壁溫差和汽輪機缸溫差，干風(fēng)聯(lián)合保護法則沒有此問題。

5 結(jié)語

燃機利用低碳清潔能源發(fā)電，其發(fā)展前景被看好，但目前部分燃機停多開少的局面預(yù)計短期內(nèi)難以改變，燃機的余熱機組停運腐蝕防護問題必須予以足夠重視，防止長期腐蝕累積造成設(shè)備不可逆的損傷。余熱機組停/備用保護措施應(yīng)結(jié)合當(dāng)前燃機運行特點和余熱機組系統(tǒng)特點制定，滿足保護時間、保護范圍和保護效果的要求。傳統(tǒng)的余熱烘干法、成膜胺法、充氮法、濕法保護都有各自的缺點或使用限制，單一方法不能完全滿足余熱機組停運期間全面保護要求。針對余熱機組開發(fā)的熱風(fēng)干燥法和干風(fēng)聯(lián)合保護法在保護范圍、使用靈活性方面比較適合機組特點，其中干風(fēng)聯(lián)合保護法在經(jīng)濟性和安全性方面更占優(yōu)勢，可作為余熱機組停/備用保護推薦方法。