联合循环机组停备用腐蚀干风联合保护技术应用分析

2019-12-04冯礼奎楼华栋胡孟文于志勇洪灿飞钱洲亥

热力发电 2019年11期

冯礼奎，楼华栋，胡孟文，于志勇，洪灿飞，钱洲亥

（1.杭州意能电力技术有限公司，浙江杭州 310014；2.华电浙江龙游热电有限公司，浙江龙游 324400；3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江杭州 310014）

国内部分燃气-蒸汽联合循环发电机组（简称联合循环机组）因气源不足、发电成本高等原因，主要作为电网调峰备用电源使用，导致运行时间少，停备用时间长，因停运腐蚀出现热力设备严重锈蚀、炉管失效等问题[1-2]。相比燃煤机组，联合循环机组具有设备模块多，水汽流程复杂，启动速度快，作为备用电源使用时停备用时间难以确定等特点，这给机组停备用腐蚀防护增加了难度。联合循环机组停备用腐蚀防护的保护范围大、设备多，不仅水汽系统设备需要重点保护，燃气轮机及烟气系统设备也需要纳入保护范围，以防止长期停运锈蚀。另外，保护方法要适应机组停备用周期不确定的特点，需具备长周期有效保护的能力，且保护措施不能影响机组快速启动并网。

目前，联合循环机组停备用保护常用方法包括水汽系统余热烘干法、保护液法、成膜胺法、充氮法，部分机组设计有压气机干燥保护模块。这些方法都有各自适用的条件、范围和保护时限，单一方法均不能同时满足联合循环机组保护范围和保护周期的要求，在实际应用中存在明显局限性[3-5]。为此，部分企业开展了针对联合循环机组的停备用保护新工艺研究，干风联合保护技术是主要方向之一。

1 干风联合保护技术

1.1 技术原理

热力设备停运腐蚀类似于金属在大气环境中的氧腐蚀，是大气中氧、水分、腐蚀性介质（SO2、Cl－等）和金属表面状态（清洁度、成膜情况）共同作用的结果。水分在金属表面形成液膜，氧和电解质溶于液膜形成腐蚀电池，导致电化学腐蚀发生。热力设备内部水分含量是决定设备停运腐蚀速率的重要因素，环境相对湿度越高，越容易在金属表面形成液膜，电极反应越容易发生[6-7]。在大气环境中每种金属都存在腐蚀临界相对湿度，当相对湿度超过这一临界值时腐蚀速率表现为迅速增加。图1为碳钢材料在不同湿度大气环境中的腐蚀速率，碳钢在空气中的腐蚀临界相对湿度约为60%，低于50%则腐蚀非常缓慢[8-10]。由于水汽残留或受外界高湿度环境影响，停运热力设备内部处于高湿度环境，在无适当保护措施的情况下，将一直处在大气腐蚀速率的高位区。

干风联合保护技术以控制热力设备内部环境相对湿度为主要手段，用深度除湿的干风置换设备内部潮湿空气并加速积水蒸发，将内部环境相对湿度控制在50%以下，达到抑制大气腐蚀速率的目的。在保护技术实施的高湿度阶段，因湿度高且供氧充足会导致腐蚀速率较高，此阶段需配合使用气相缓蚀剂。气相缓蚀剂可提高金属表面水膜和积水的pH 值；利用缓蚀剂的分子吸附作用可维持金属表面钝化状态，加强高湿度环境下的腐蚀控制；同时利用气相缓蚀剂的分子自由扩散特性，使得无法通风的设备死角和支管也能得到保护[11-12]。

图1 碳钢在不同相对湿度大气环境中的腐蚀速率Fig.1 The corrosion rate of carbon steel in atmospheric environments with different relative humidities

1.2 工艺方法

干风联合保护工艺主要是以干风通风方式对热力设备进行除湿干燥，维持设备停运期间干燥状态，在高湿度阶段利用干风携带挥发后的气相缓蚀剂组分输送到设备内部，协同进行腐蚀控制。干风联合保护工艺过程一般分为通风干燥和湿度维持2 个阶段（水汽系统还应先执行热炉放水操作，采用余热烘干法使热力设备初步干燥）。通风干燥阶段用相对湿度低于15%（相对于环境温度，下同）的干风携带挥发后的气相缓蚀剂，按照一定通风流程对热力设备进行通风。控制风量和气相缓蚀剂挥发组分质量浓度或pH 值使满足缓蚀剂保护技术要求。当通风干燥过程持续到热力设备排风相对湿度降至40%以下，进入湿度维持阶段。此阶段根据热力设备湿度回升情况，用常温干风维持相对湿度在50%以下，保持设备停运期间干燥。根据保护对象选择气相缓蚀剂，对不存在积水的设备或敞开系统，如燃汽轮机和锅炉烟气侧可以不使用。

干风联合保护工艺结合了余热烘干、干风干燥和气相缓蚀剂防腐方法的优点，几种方法协同互补，机组停运后各阶段均受到良好保护。干风联合保护属于一种干式保护法，其应用几乎不受设备结构类型、化学水处理工况、环境气侯等条件限制，理论上可用于所有可通风的设备，也没有保护时效性限制，即同时满足联合循环机组对停备用保护范围和时间周期的要求。

2 干风联合保护工艺应用实例

以浙江某9E 级（9E 指GE 公司9 系列（50 Hz发电）E 级（燃烧温度1 100 ℃级别））联合循环机组为对象，研究了干风联合保护技术的工艺应用。该机组配置为燃汽轮机+余热锅炉+凝气式汽轮机，余热锅炉为双压、双锅筒、一体化除氧器系统。该机组年均冷备用时间超过6 000 h，单次停运时间从1 周到3 个月不等。

2.1 保护范围

根据机组单次停运时间较长的情况，确定机组全时段、全系统保护的目标，保护范围覆盖余热机组水汽系统、燃汽轮机及锅炉烟气侧所有设备。水汽系统保护范围内总容积约550 m3，其中锅炉本体部分容积约160 m3，凝汽器350 m3，管道及汽轮机约40 m3。燃汽轮机及烟气系统空间约1 800 m3。

2.2 干风保护系统设计

根据热力系统特点设计合理的干风保护系统，实现热力设备通风和气相缓蚀剂输送。干风保护系统主要包括干风保护装置、热力设备通风系统和相关监测设备。

1）干风保护装置

干风保护装置技术参数见表1。该装置集空气除湿、风温调节、气相缓蚀剂加热挥发和输送功能于一体，处理风量满足锅炉和汽轮机设备置换不少于5 次/h 的要求[9]，除湿能力满足20 ℃时相对湿度低于10%的要求，气相缓蚀剂挥发功能满足常用气相缓蚀剂加热挥发要求。

表1 干风保护装置技术参数Tab.1 Technical parameters of dry-air protection device

2）通风系统设计

按照联合循环机组特点，将通风系统分为水汽系统和燃气轮机烟气系统两部分。

水汽系统通风流程如图2所示。按照水汽流程将水汽系统划分为除氧器、低压系统和高压系统3 个通风通道。锅炉本体以及汽轮机、凝汽器和蒸汽管道等设备全部分配到这3 个通道中。各通道干风接入口选择对应蒸发器下集箱定排管，进入各通道的干风沿水汽流程方向或逆水汽流程通过各热力设备，从各通道末端疏水阀或排空阀排出。低压系统和高压系统通道的干风可分别经由低压和高压蒸汽旁路阀进入凝汽器，实现锅炉与汽轮机侧的串联通风。进入凝汽器的干风从凝汽器真空破坏阀、底部放水、汽轮机轴隙等位置排出。

图2 水汽系统通风流程Fig.2 The ventilation flow of the steam-vapor system

图3为燃气轮机及烟气系统通风流程。将燃气轮机所有设备模块和余热锅炉烟气侧均纳入通风保护范围。干风从压气机入口处接入，通过压气机、燃气轮机、烟气扩散段进入炉膛，从尾部烟囱排出。

图3 燃气轮机及烟气系统通风流程Fig.3 The ventilation flow of the gas turbine and flue gas system

3）温湿度在线监测

在水汽系统低压汽包和凝汽器分别设温湿度在线监测仪表，用于通风干燥效果的监测。低压气包湿度通常是锅炉侧湿度最高值，凝汽器为串联通风系统最末端。这两个位置的相对湿度在水汽系统中具有代表性，检测其相对湿度可以判断通风系统内部干燥程度。

2.3 干风干燥性能试验

为检验干风保护系统设计合理性和干风干燥工艺对水汽系统的干燥效果，进行了水汽系统干风干燥性能试验。机组停运后按照余热烘干法进行余热锅炉热态放水操作，排空疏水和设备存水。锅炉冷却至环境温度后，用50 ℃、相对湿度为1%（对应20 ℃相对湿度为4.8%）的干风，以1 000 m3/h风量对锅炉和凝汽器进行串联通风，平均分配3 个通风通道的风量，监测热力系统相对湿度变化，试验结果如图4所示。

图4 水汽系统通风干燥过程相对湿度变化Fig.4 Changes of the relative humidity during drying process of the water-vapor system

由图4可知：通风初期低压汽包和凝汽器排风相对湿度均在80%以上；通风约10 h 后低压气包相对湿度降至50%；16 h 后凝汽器排风相对湿度降至50%；19 h 后低压汽包相对湿度降至30%，凝汽器排风相对湿度降至40%。这表明，所设计的干风保护系统干风干燥工艺能够在短时间内实现水汽系统干燥目标。同时，也反映出热力系统内部积水对设备内部环境相对湿度影响较大，蒸发前相对湿度一直维持在80%以上，随着通风时间的延长，积水大部分蒸发后相对湿度才逐渐下降。

2.4 气相缓蚀剂性能与工艺应用试验

按照干风联合保护工艺要求复配了一种含有无机铵和有机胺的固态气相缓蚀剂。无机铵分解提供NH3，起到快速碱化水膜和积水的作用；有机胺吸附在金属表面起到长效保护作用。分别在实验室和现场进行了气相缓蚀剂性能试验。

2.4.1 气相缓蚀剂缓蚀能力试验

按照气相缓蚀剂缓蚀能力试验方法[13]，在实验室用45 号碳钢在环境温度20、70、90 ℃，相对湿度均为90%的环境下，进行了20 h 的气相缓能力试验，结果如图5所示。相对湿度90%，环境温度70、90 ℃为模拟机组停运放水初期的高湿度、高温度环境。由图5可见，该气相缓蚀剂在20 ℃环境下的缓蚀能力达0 级，70 ℃和90 ℃环境温度条件下的缓蚀能力为1 级。这表明该气相缓蚀剂在常温及高温高湿度环境下都有良好的缓蚀性能。

图5 气相缓蚀剂缓蚀能力试验结果Fig.5 Test results of inhibition ability of the gas phase corrosion inhibitor

试验过程中用气体分析仪检测了试验1 h 和20 h 后试验瓶中气相NH3和VOC 质量浓度，结果见表2。由表2可见，温度越高气相缓蚀剂挥发性越强。认为试验20 h 后的挥发组分质量浓度是试验条件下气相组分起到缓蚀作用的有效质量浓度，将其作为气相缓蚀剂工艺应用过程中的控制标准。

表2 不同温度条件下气相缓蚀剂挥发组分质量浓度Tab.2 The mass concentrations of the volatile component in the gas phase inhibitor at different temperatures mg/L

2.4.2 气相缓蚀剂工艺应用试验

将上述气相缓蚀剂用于试验机组，在干风保护装置内加热挥发后输送至水汽系统。在干风保护装置出口和凝汽器排风口分别检测干风中NH3和VOC 质量浓度，用湿润pH 试纸检测干风pH 值。调整缓蚀剂加热温度和输送风量，使凝汽器排风口NH3和VOC 质量浓度不低于表2中常温条件下有效质量浓度（7.2、0.134 mg/L），同时pH 值达到9.0 以上为合格[14-15]。表3为缓蚀剂加热温度为90 ℃、输送风量660 m3/h 工况下检测数据。由表3可见，该工况下干风保护装置出口及凝汽器排风口NH3、VOC 质量浓度和pH 值均达到上述要求。这表明复配的气相缓蚀剂挥发性与干风保护装置功能相适应，能够满足热力系统气相缓蚀剂保护技术要求。

表3 干风pH 值和缓蚀剂挥发组分质量浓度Tab.3 The pH value and mass concentration of the volatile component in gas phase corrosion inhibitor in dry-air

3 保护效果

3.1 腐蚀挂片试验

在干风联合保护工况下进行腐蚀挂片试验，可以直观体现保护工艺效果。试验机组停运后分别在余热锅炉高、低压汽包、除氧器和凝汽器内顶端和底部热井悬挂20号碳钢腐蚀试片，投入干风保护系统，通风干燥阶段使用上述复配气相缓蚀剂，系统排风湿度降到40%以后，采用间断通风方式维持热力系统相对湿度在50%以下。试片挂入前用丙酮清洗表面油迹，干燥后称重。试验结束后取出试片拍照记录表面锈蚀状态，用除盐水和稀盐酸洗去浮锈后干燥称重，计算腐蚀速率。

腐蚀挂片试验共进行39天，试验后的试片表面状态如图6所示。由图6可见，除凝汽器底部试片悬挂孔边缘有轻微腐蚀外（腐蚀速率2.72 μm/a），其他位置试片基本无腐蚀，试片称重数据变化在1 mg以内。该试验结果表明，干风联合保护工艺对水汽系统不同位置碳钢材料防腐蚀效果总体良好。凝汽器底部腐蚀相对明显的主要原因是该位置积水多，通风条件差，干燥困难，试片接触高湿度环境时间长。

图6 腐蚀挂片试验39 天后碳钢试片表面状态Fig.6 The surface states of the carbon steel indicators after 39 days’corrosion coupon test

3.2 余热机组水汽品质对比

本文试验机组在应用干风联合保护工艺前，一直使用热炉放水余热烘干方式进行水汽系统的停运腐蚀保护。对该机组在余热烘干方式下9 次冷态启动和干风联合保护方式下7 次冷态启动过程中的水汽铁离子质量浓度进行对比。图7为汽轮机冲转和并网后8 h 凝结水、给水和高压过热蒸汽铁离子质量浓度平均值对比。

图7 机组冷态启动水汽铁离子质量浓度平均值对比Fig.7 The mean iron mass concentrations in water and steam during the unit clod start-up

由图7可见：采用干风联合保护工艺后，汽轮机冲转时的凝结水铁离子质量浓度平均值较之前下降63.5%，给水和高压过热蒸汽铁离子质量浓度平均值也分别下降26.7%和22.4%；并网8 h 的凝结水、给水平均铁离子质量浓度平均值分别下降80.5%和79.0%，高压过热蒸汽铁离子质量浓度下降19.5%。相比余热烘干法，干风联合保护工艺防腐蚀效果明显提高。

3.3 机组冷态启动水冲洗对比

机组冷态启动时，水冲洗至给水和炉水铁离子质量浓度合格的用水量也是判断机组停运期间锈蚀程度的重要标准之一。图8为试验机组采用余热烘干法和干风联合保护法进行停炉保护后机组冷态水冲洗用水量。由图8可见，在2018年改用干风联合保护工艺后冷态水冲洗用水量下降幅度接近50%，进一步证明干风联合保护工艺的优越性。