李少杰，談群興

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663）

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得火力發(fā)電在我國(guó)當(dāng)今乃至將來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)都將成為最重要的電力供應(yīng)方式。超超臨界參數(shù)機(jī)組在國(guó)內(nèi)外已有多年的應(yīng)用，由于超超臨界機(jī)組效率比亞臨界機(jī)組提高4%～5%，具有較強(qiáng)的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，因此，超超臨界技術(shù)應(yīng)用對(duì)我國(guó)節(jié)約能源有著重要的意義。

火力發(fā)電廠的工質(zhì)是水蒸汽［1］，其臨界壓力為22.12 MPa，蒸汽壓力稍低于臨界壓力的范圍稱亞臨界區(qū)，大于臨界壓力的范圍稱超臨界區(qū)。超超臨界與超臨界的劃分界限目前尚無(wú)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為蒸汽壓力大于25 MPa，蒸汽溫度高于580℃稱為超超臨界。

超超臨界機(jī)組由于水工質(zhì)狀態(tài)超過(guò)臨界點(diǎn)后，水汽一相，雜質(zhì)在水工質(zhì)中的溶解和沉積特性發(fā)生顯著變化，因此超超臨界機(jī)組面臨解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一就是更高溫度、更高壓力參數(shù)下的水汽品質(zhì)控制，以防止熱力系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕，保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在臨界點(diǎn)以上，各類雜質(zhì)在蒸汽中的溶解能力顯著增強(qiáng)，因此超臨界參數(shù)機(jī)組水質(zhì)控制要求高。但更高溫度、更高壓力下的超超臨界機(jī)組工質(zhì)特性只是在超臨界參數(shù)基礎(chǔ)上延續(xù)變化，不存在由亞臨界參數(shù)到超臨界參數(shù)那樣的顯著變化，因此對(duì)超超臨界機(jī)組水汽質(zhì)量控制認(rèn)識(shí)應(yīng)建立在對(duì)超臨界參數(shù)機(jī)組水質(zhì)控制認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，許多對(duì)超臨界參數(shù)機(jī)組水質(zhì)控制的方法同樣適合于超超臨界參數(shù)機(jī)組。超超臨界參數(shù)機(jī)組與超臨界參數(shù)機(jī)組主要應(yīng)用差別在給水、主蒸汽、再熱管道材料選擇要求上，特別是對(duì)材料的耐高溫腐蝕性能提出更高要求［2］。

1 超超臨界機(jī)組水工況特點(diǎn)

1.1 熱力系統(tǒng)水循環(huán)特性

超超臨界機(jī)組采用直流爐，直流爐中給水依次流經(jīng)省煤器、水冷壁、過(guò)熱器等受熱面，變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽送出鍋爐。直流爐無(wú)汽包，不能進(jìn)行排污以排除水中雜質(zhì)，也不能進(jìn)行爐水加藥進(jìn)行防垢、防腐處理。給水中若含有雜質(zhì)，將在爐管內(nèi)沉積或被帶入汽輪機(jī)，在汽輪機(jī)內(nèi)發(fā)生沉積和腐蝕。因而對(duì)給水、蒸汽品質(zhì)有更高要求，如對(duì)給水、蒸汽的電導(dǎo)率和鈉、硅、總鐵等雜質(zhì)的含量要求比亞臨界汽包爐更嚴(yán)格。

1.2 水化學(xué)特性

超超臨界工質(zhì)由給水泵至過(guò)熱器出口，保持單相（非水汽二相）結(jié)構(gòu)，在低溫時(shí)，其工質(zhì)性質(zhì)接近于水，在高溫時(shí)，接近于蒸汽，在鍋爐高低溫過(guò)渡區(qū)，工質(zhì)的比容和焓在溫度不發(fā)生顯著變化時(shí)發(fā)生劇烈變化。低溫工質(zhì)具有侵蝕性，能攜帶出大量懸浮態(tài)及溶解態(tài)物質(zhì)，高溫工質(zhì)侵蝕性顯著降低，所含懸浮固體顆粒也較少。

超超臨界機(jī)組水汽系統(tǒng)中各種雜質(zhì)溶解特性：鈉化合物、硅化合物、氯離子和鐵氧化物在蒸汽中的溶解度隨壓力的升高均呈不斷升高趨勢(shì)，所以對(duì)于超超臨界機(jī)組應(yīng)嚴(yán)格控制給水中各類雜質(zhì)的含量。

1.3 積鹽、結(jié)垢特性

由于超超臨界直流爐工質(zhì)的快速蒸發(fā)，由給水帶入的部分鐵氧化物可能沉積在水冷壁管上而影響鍋爐的傳熱，從而威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

由于超超臨界參數(shù)機(jī)組蒸汽密度大，蒸汽溶解雜質(zhì)能力強(qiáng)，即雜質(zhì)在蒸汽中的溶解度顯著增大，鹽類、硅等幾乎全部被蒸汽帶到汽輪機(jī)，汽機(jī)葉片結(jié)垢危險(xiǎn)性大大增加。超超臨界汽輪機(jī)通流部分結(jié)鹽是影響汽輪機(jī)效率主要因素之一，與蒸汽含鹽量和沉積部位有關(guān)［3］。強(qiáng)酸陰離子、鈉和硅化合物中的絕大部分以及部分鐵氧化物會(huì)溶解于過(guò)熱蒸汽中帶入汽輪機(jī)，在汽輪機(jī)中作功后過(guò)熱蒸汽壓力和溫度均會(huì)下降，導(dǎo)致原溶解于過(guò)熱蒸汽中的雜質(zhì)的溶解度下降，進(jìn)而沉積在汽輪機(jī)高、低壓缸的通流部分而影響汽輪機(jī)的效率。

1.4 超超臨界參數(shù)蒸汽的高溫氧化特性

高溫水汽氧化是金屬腐蝕的一種特殊形式。在高溫條件下，因?yàn)闅滟|(zhì)子的影響，水蒸汽對(duì)不銹鋼材料表現(xiàn)為一種強(qiáng)氧化劑［2］。

超超臨界鍋爐工質(zhì)水動(dòng)力特性變化會(huì)引起受熱面?zhèn)鳠崽匦缘母淖?，高溫受熱面易發(fā)生蒸汽側(cè)氧化腐蝕［4］。

控制高溫氧化和氧化皮剝落，應(yīng)該選擇適合超超臨界參數(shù)的金屬管材，并嚴(yán)格控制過(guò)熱器和再熱器的金屬壁溫不超過(guò)金屬高溫氧化的突變點(diǎn)。

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)熱器和再熱器高溫氧化的變化情況，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)蒸汽中的氫含量的方法監(jiān)測(cè)高溫氧化的變化和發(fā)展。

2 超超臨界機(jī)組水質(zhì)控制要求

2.1 超超臨界機(jī)組水汽質(zhì)量控制參考標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)超超臨界機(jī)組的特點(diǎn)，應(yīng)盡可能地提高水汽品質(zhì)，減少水汽中鹽類雜質(zhì)含量。為有效防止超超臨界機(jī)組水汽系統(tǒng)的腐蝕結(jié)垢，水汽質(zhì)量推薦按《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB/T 12145—2016）的期望值要求控制。

2.2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)分析

日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家超超臨界技術(shù)應(yīng)用發(fā)展已有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，但這些國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)并未明確區(qū)分超臨界與超超臨界參數(shù)，水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)均統(tǒng)一執(zhí)行超臨界參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)及部分國(guó)家的水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。從表1可看出各國(guó)的給水的水汽質(zhì)量參數(shù)控制指標(biāo)雖有所不同但并不比我國(guó)要求嚴(yán)，但應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)只是確保機(jī)組能安全運(yùn)行的最低標(biāo)準(zhǔn)。為確保機(jī)組的高效、安全運(yùn)行，我國(guó)水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，基于國(guó)內(nèi)大量新建超超臨界項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并參考主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將部分水汽質(zhì)量控制指標(biāo)適當(dāng)提高。因此，按《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB/T 12145—2016）進(jìn)行超超臨界機(jī)組汽水質(zhì)量控制，且推薦按其期望值控制是安全可靠的。

表1 超臨界機(jī)組的給水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［5-6］Tab.1 Feedwater quality standards for supercritical units［5-6］

3 超超臨界機(jī)組水汽質(zhì)量控制措施

3.1 選擇恰當(dāng)?shù)某}水生產(chǎn)工藝

除鹽水作為鍋爐補(bǔ)給水源其帶入的雜質(zhì)是水汽系統(tǒng)雜質(zhì)最主要來(lái)源，除鹽水質(zhì)量將直接影響到超超臨界機(jī)組的水汽質(zhì)量。因此，應(yīng)重視選擇除鹽水生產(chǎn)工藝，保證除鹽水出水質(zhì)量達(dá)到超超臨界機(jī)組的要求。

除鹽水的水質(zhì)建議控制值要求如下：電導(dǎo)率（25℃）≤0.10μS/cm，二氧化硅≤10μg/L，TOCi（總有機(jī)碳）＜200μg/L。

3.2 配置可靠的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)

凝結(jié)水精處理主要有去除懸浮物（包括除鐵）和除鹽2個(gè)功能［7］，去除懸浮物可采用精密過(guò)濾工藝，可在機(jī)組啟停和正常運(yùn)行過(guò)程中去除鐵、銅等氧化腐蝕產(chǎn)物，以縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，保護(hù)后續(xù)除鹽設(shè)備的樹(shù)脂免受污染。除鹽則常采用混合離子交換器，用于連續(xù)去除凝結(jié)水中因補(bǔ)給水帶入或凝汽器泄漏進(jìn)入的二氧化硅、鹽類等雜質(zhì)。應(yīng)保證凝結(jié)水精處理系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)行凝結(jié)水全容量處理。

凝結(jié)水精處理系統(tǒng)出水水質(zhì)要求如下：Na+≤0.1 μg/L、Cl-≤0.1μg/L、SO42-≤0.18μg/L、電導(dǎo)率≤0.08 μS/cm［8］。

3.3 選用合適的給水處理方式

鍋爐的給水調(diào)節(jié)是通過(guò)化學(xué)加藥等手段，改善熱力系統(tǒng)水汽的腐蝕特性，保護(hù)過(guò)流金屬材料免遭腐蝕。主要方式有：一是加入堿性物質(zhì)（如氨）中和給水中的酸性物質(zhì)（如二氧化碳），防止給水系統(tǒng)中的酸性腐蝕；二是用熱力和化學(xué)的方法除去給水中的氧氣，防止氧腐蝕。三是用加氧的方法，改變金屬表面的物理化學(xué)性質(zhì)，使其處于耐蝕的鈍化狀態(tài)［1］。對(duì)于超超臨界機(jī)組，給水推薦采用加氧處理（OT）［9］。在給水氫電導(dǎo)率（25℃）≥0.15μS/cm、無(wú)法實(shí)行加氧處理時(shí)，可采用只加氨的氧化性全揮發(fā)處理即AVT（O）。與AVT（O）工況相比，給水OT工況下，給水pH控制較低，相應(yīng)的給水加氨量大幅減少，凝結(jié)水精處理混床的運(yùn)行周期大大延長(zhǎng)，可有效緩解AVT工況下凝結(jié)水精處理混床氫型運(yùn)行周期過(guò)短的問(wèn)題［10］。

3.4 配置合理的水汽在線監(jiān)測(cè)儀表

對(duì)于超超臨界機(jī)組，在線化學(xué)儀表測(cè)量不準(zhǔn)確會(huì)嚴(yán)重影響化學(xué)監(jiān)督與控制的準(zhǔn)確判斷，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)水汽品質(zhì)超標(biāo)問(wèn)題，長(zhǎng)期積累將導(dǎo)致腐蝕、結(jié)垢、積鹽和爆管等事故，對(duì)機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)及危害［11］。配置合理的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀表可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)水汽品質(zhì)的變化，并根據(jù)儀表的信號(hào)采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整化學(xué)加藥量等，改善熱力系統(tǒng)水汽品質(zhì)。根據(jù)《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL 5068—2014），超超臨界機(jī)組水汽取樣點(diǎn)及在線儀表建議按表2配置。

表2 直流爐機(jī)組水汽取樣點(diǎn)及在線儀表配置［12］Tab.2 Water and steam sampling points and on-line instruments configuration of once-through boiler unit［12］

3.5 選擇合適的凝汽器管材

因凝汽器泄漏使機(jī)組被迫降負(fù)荷或停機(jī)的事故時(shí)有發(fā)生，為提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，選擇耐蝕性能優(yōu)良的凝汽器管材是超超臨界機(jī)組水汽質(zhì)量控制的關(guān)鍵措施之一。對(duì)于冷卻水為地表水的發(fā)電機(jī)組，由于使用不銹鋼管材的凝汽器在性能上比使用銅管的凝汽器具有明顯的優(yōu)勢(shì)——強(qiáng)度高，抗沖擊、抗腐蝕能力強(qiáng)，脹管泄漏率低等特點(diǎn)，建議火力發(fā)電廠優(yōu)先選用不銹鋼管作為凝汽器冷卻水管［13］。對(duì)于冷卻水為海水的發(fā)電機(jī)組，應(yīng)采用全鈦冷凝器。

根據(jù)《發(fā)電廠凝汽器及輔機(jī)冷卻器管選材導(dǎo)則》（DL/T 712—2010），對(duì)不同的循環(huán)水水質(zhì)建議按表3選擇凝汽器管材。

表3 常用不銹鋼凝汽器管材適用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［14］Tab.3 Water quality standards for commonly used stainless steel condenser tubes［14］

3.6 做好停爐保護(hù)

機(jī)組運(yùn)行一定時(shí)間后，需定期進(jìn)行檢修維護(hù)。熱力設(shè)備停運(yùn)檢修或備用期間，不可避免地會(huì)接觸到大氣中的氧氣、二氧化碳、水等對(duì)熱力設(shè)備造成腐蝕的介質(zhì)。熱力設(shè)備停運(yùn)檢修期間做好防護(hù)措施，可以有效避免水汽系統(tǒng)的金屬材料遭受腐蝕，進(jìn)而避免影響傳熱效率和系統(tǒng)安全。因此，在每次停爐后對(duì)鍋爐水汽系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)是很有必要的［15］。不同的電廠可根據(jù)實(shí)際情況選擇十八胺、氨水鈍化烘干、真空干燥等停爐保護(hù)措施。

4 結(jié) 論

選擇恰當(dāng)?shù)某}水生產(chǎn)工藝、配置可靠的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、采取給水加氧處理（OT）、設(shè)置合理的在線監(jiān)測(cè)表計(jì)、選擇合適的凝汽器管材、做好停爐保護(hù)、按《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB/T 12145—2016）的期望值進(jìn)行水汽質(zhì)量控制等措施可以有效防止熱力系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕，保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

水汽質(zhì)量的控制是推動(dòng)超超臨界機(jī)組發(fā)展的重要保證，已有機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還需不斷進(jìn)行總結(jié)，以更好地促進(jìn)超超臨界機(jī)組技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。