发电厂热力设备腐蚀、积盐与结垢的研究

2022-12-07酒泉职业技术学院

电力设备管理 2022年22期

酒泉职业技术学院张琪

对于发电厂来说，锅炉和汽轮机组是重要的热力设备，关系着发电工作效率。然而，设备在运行过程中难免会出现腐蚀、积盐与结垢问题，严重影响发电安全。据调查统计，因锅炉出现结垢问题所引发的安全事故所占比例高达70%。与此同时，汽轮机的叶片上经常会沉积蒸汽所携带的盐分，长时间也会导致汽轮机发生安全事故。另外，结垢和盐分沉积必然会导致设备逐渐被腐蚀，严重损坏设备机能。

1 发电厂热力设备水垢分析

在20世纪六十年代，我国各发电厂多是用软化水为热力设备充当补给水，这种水硬度比较高，容易导致锅炉设备出现严重的水垢问题。随着科技的发展，除盐水被用作补给水，这种水的硬度明显比软化水低，其中杂质含量也少，应用效果比软化水好。进入21世纪后，发电厂热力设备组合零部件、机组参数与容量均有所改善，热力设备水垢问题也发生了新变化[1]。

发电厂热力设备所产生水垢属于锅炉水中杂质在接触管壁和受热面上所形成的固体附着物，这种附着物并非某一种化合物所组成，而是含有多种化合物，具有复杂性。从水垢成分来看，锅炉设备上所产生的水垢大致分为以下四种：一是钙镁水垢。如果锅炉补给水中的硬度在持续增加，就会产生逐渐产生钙镁水垢。目前，作为补给水的除盐水通常流动于密封状态良好的冷凝器中，水质纯净，杂物含量低，因而热力设备一般很少产生钙镁水垢。

二是硅酸盐水垢。如果热力设备凝汽机存在泄露问题，所选用的补给水中含有较多的含硅化合物与铁铝化合物，当热力设备处于高热负荷状态，容易产生硅酸盐水垢，这种水垢难以清除，会严重损害设备机能。

三是氧化铁水垢。近年来，热力设备机组参数均有所提升，这在一定程度上加剧了氧化铁水垢问题，这种水垢的主要成分是磁性氧化铁。据调查了解，如果锅炉参数高，容量大，热负荷高，容易在管壁上产生氧化铁水垢。

四是磷酸盐铜铁水垢。如果发电厂热力设备存在泄露和破损问题，补给水中的杂质含量较高，则会产生磷酸盐铜铁水垢。

从发电厂热力设备产生水垢的部位来看，在过热器、水冷壁的管壁、凝汽机、机组的集箱底部和节流孔圈、省煤器、循环水系统、高低压加热器、气包中均会产生水垢。在发电厂热力设备运行过程中，高温蒸汽会对过热器内的热量予以充分吸收，进而生成过热蒸汽，这样会使过热器的管壁和在高温高压热蒸汽流中流过的干过热蒸汽直接接触，诱发腐蚀问题，如果外在温度波动较大，存在高热负荷现象，就会产生氧化铁水垢。

当代发电厂所配备的热力设备机组的水冷壁内部组合工质温度都比较高，其管壁上容易沉积水垢，如果不及时处理，水垢会越来越多，致使管壁出现环形裂缝或者横向裂缝，严重时会引发爆管与火灾事故。通常，水冷壁的管壁向火侧的水垢程度必须高于背火侧，以免引发严重事故。

如果凝汽机出现严重的水垢问题，会影响热力设备机组与辅助设备运行效果。在凝汽机部件组合中，在水侧的铜管更容易产生水垢，而且和冷却水最先产生接触的管壁水垢现象最严重，这是因为冷却水的水质并不稳定，容易加剧水垢问题。

在热力设备维护工作，不难发现机组的集箱底部和节流孔圈经常出现水垢。主要原因是当代机组设备参数高、耗煤量低、容量大，融入了节能环保设施，配有先进的控制技术手段，提高了发电效率，具有经济性和节能性，所以运行速度快，水循环也会加快，补给水会迅速流入集箱的底部，途中经过节流孔圈，长期下去，集箱的底部和节流孔圈就会产生水垢。

2 发电厂热力设备积盐问题

虽然当代发电厂会运用除盐水来缓解水垢和积盐问题，却并未完全消除这两种问题。从本质上讲，发电厂热力设备积盐问题是含有盐分的蒸汽，在汽轮机组和过热器的运行作用下出现沉积现象，其所沉积的盐分有以下三种：一是硅酸盐；二是钠盐；三是铁盐。其中，钠盐具有可溶解性，会混入补给水中，可细分为氯化钠、磷酸钠、硫酸钠等。硅酸盐和铁盐不可溶解，大多会沉积在过热器管壁和汽轮机叶片上。

根据调查研究，热力设备上所沉积的盐分会随着蒸汽参数的变化，以及溶解能力而发生改变，不同设备组合部件上沉积的盐分含量与成分不尽相同，如汽轮机不同叶片上所沉积的盐分含量各异。同时，热力设备上所沉积的盐分呈现出规律性，这主要体现在以下两个方面：一方面在过热器上所沉积的盐分主要为钠盐，其主要原因是钠盐具有可溶解性，在过热器中受到高温与高压的影响，不易溶解，因此会沉积。相比之下，过热器中沉积的钠盐含量通常远比饱和蒸汽内的钠盐含量少。

另一方面，在汽轮机组内部所沉积的盐分包括硅酸盐、钠盐和铁盐。在汽轮机的不同叶片上，所沉积的盐分含量与种类不尽相同。在高压和中压级别的叶片上，所沉积的盐分以钠盐为主；在低压级叶片上，沉积盐分主要是硅酸盐、铁盐。

在热力设备运行过程中，有一部分盐类会随着蒸汽流经不同组合设备，最终随着凝结水进入锅炉，另一部分是在蒸汽流程中瞬间沉积中热力设备中。从积盐分的主要部位来看，过热器和汽轮机组中沉积的盐分最多，同时蒸汽管道、再热器、集汽联箱中也会沉积盐分。在过热器中，盐分沉积现象较为普遍。饱和蒸汽被分离出汽水分离器之后，最先会进入过热器，而饱和蒸汽中所含有的一部分盐分，会在受到过热器内加温加压的作用后发生沉积，从而增加过热器中的盐分含量。如果不及时处理，积盐现象愈演愈烈，就会使过热器管在瞬间发生超温爆管事故，因此必须加以重视。

在汽轮机中，叶片上的积盐量较多。蒸汽在受到过热器的加温加压作用后，必然会产生过热蒸汽，然后会经过主蒸汽的管道成功转入汽轮机并开始做功。这样过热蒸汽会在汽轮机中进行扩容，使压力温度在短时间内骤降，溶解于蒸汽中的盐分和金属腐蚀产物会因此在汽轮机的叶片和汽缸中有所沉积。当前，随着我国汽轮机设计技术与加工技术的升级与改善，因为发电运动所导致的叶片断裂现象也大幅度减少，然而如果蒸汽质量低下，造成严重的盐分沉积问题，就会滋生叶片事故，这种现象也时有发生。

3 发电厂热力设备腐蚀问题

从腐蚀类型来看，发电厂热力设备腐蚀问题主要分为以下三种：一是氧腐蚀；二是酸腐蚀；三是锅炉介质造成的浓缩腐蚀。在发电厂热力设备运行过程中，氧腐蚀颇为常见，在整个设备运行与停止期间均会发生。出现这种腐蚀问题的原因是，热力设备表面材料的电化学性质并不均匀，使设备微电池发生了电化学反应，一旦该反应产生的物质堵塞了腐蚀部位，就会使电池处于闭塞状态，进一步加剧腐蚀问题。实践研究表明，在锅炉停运过程中，锅炉设备、凝汽机、加热器和汽轮机等组合设备均有可能出现停用腐蚀问题，较为常见的现象是，过热器的下部弯头以及加热器的停用积水处会出现氧腐蚀。在国内发电厂，因为氧腐蚀引发的设备损坏和爆管事故不少，不仅给发电厂带来重大损失，而且严重威胁工作人员的生命安全。

酸腐蚀具有酸性特征，在热力设备中所应用的工质并不完全纯净，一旦有杂质进入热力设备，受到高温高压作用的影响，就会分解出有机酸、二氧化碳与其他强酸物质。其次，如果凝汽机存在泄露问题，离子交换树脂发生破碎，就会导致补给水中进入酸性物质，在热力系统运行中，酸性物质与热力设备会直接接触，导致金属表面的氧化膜被破坏，金属因此大面积受损，锅炉、给水系统和汽机会严重受到酸腐蚀。

锅炉介质造成的浓缩腐蚀是指某些介质因为浓缩会产生大量的浓酸或者碱，导致钢材料表面的保护膜被破坏，致使锅炉炉管的某些部位受到浓酸或者碱的严重腐蚀。在热力设备正常运作中，无氧锅水和钢材料的表面发生直接接触进而产生反应，会在金属表面生成良好的四氧化三铁双层结构，起到保护作用。相比之下，结构内层具有连续性和密封性，可以防腐蚀；而结构外层通常多孔，附着性较差，无法起到保护层的作用，这一点不容忽视。其次，如果在水冷壁管出现介质浓缩腐蚀问题，沉积物、稀锅水、浓锅水不易对流，就会产生浓缩膜，加剧了腐蚀问题。同时，如果锅炉存在水垢问题，也会引发浓缩腐蚀问题。

4 解决对策

4.1 做好设备维护管理工作

解决发电厂热力设备水垢、积盐和腐蚀问题，必须全面做好热力设备维护管理工作，定期对设备进行检修，消除水垢和积盐，修复被腐蚀的部位。当前，应借助信息自动化技术构建发电厂热力设备系统监控平台，运用该平台收集锅炉机组系统自动化运行信息，及时对信息进行整合与分析，做好发电厂热力设备运行监测工作，根据信息分析结果控制好系统运行参数，如果发现异常问题后立刻进行修复，及时清除设备内的水垢、盐分与其他杂物，做好被腐蚀设备修复工作，这样不仅有助于确保热力设备系统运行安全，而且能够进一步提升发电效益。

从当代发电厂热力设备系统自动化发展趋势来看，我国较为重视设备系统安全运维管理工作。对于热力设备系统来说，安全设备控制系统是对整个系统运行实施安全控制，这种控制系统有以下三项基本功能：一是安全通信控制功能；二是安全信息保护控制功能；三是数据实时传输功能。为了确保发电厂热力设备系统运行安全，需要做好安全信息管理工作，健全数据生成系统，做好各方面的安全维护管理工作，不断提高热力设备控制系统的安全度，改善其相关性能。

与此同时，发电厂应做好热力设备系统备件管理工作，因锅炉机组设备组合零部件较多，内部结构精密、复杂，如果备件不足或者某一零部件因为水垢、盐分和腐蚀问题出现了故障，必然会导致整个系统运行受到负面影响。因此，必须重视完善备件管理体系，发现某一零部件出现问题后必须用新的备件来替换。在热力设备系统运维工作中，维修技术人员应注意对设备的细节保养方案进行全面优化，做好细节性维护工作，借助远程监控技术对系统设备的运行状态和参数的变化情况进行全面监督。

4.2 引入低温余热回收技术

运用低温余热回收技术是发电厂必须考虑的问题，对低温余热进行回收并合理循环使用方能降低能耗，缓解水垢、积盐和腐蚀问题，落实节能减排理念，提高发电效益。从低温余热回收使用类型来看，大多数发电厂通常会采用两种回收利用方式：第一种，同级回收利用。第二种，升级回收利用。前者是直接会在间接回收利用低温余热来代替高位热源或者中位热源来满足不同用户相应的需求，这样不仅可以避免使高位热源和中位热源产生的过大温差，控制能量传递损失问题，避免剩余的蒸汽、凝结水、加热炉的烟气、剩余的干气以及分馏塔侧线加剧水垢、积盐和设备腐蚀问题，与节能降耗理念相符[2]。图1是低温余热回收技术结构图。