赵 玲，李植汶

(国投宣城发电有限责任公司，安徽 宣城 242052)

超临界机组汽水品质优化控制

赵 玲，李植汶

(国投宣城发电有限责任公司，安徽 宣城 242052)

比较了不同参数下杂质在水汽中的溶解特性，不同的超临界机组的给水水质标准，根据相关理论和超临界机组的实际使用经验，对超临界机组在系统设计优化，凝结水精处理系统选型优化，给水处理方式优化，机组停备用保护措施优化，化学监督管理工作，汽水品质控制方式，控制指标要求，运行中盐类、腐蚀产物控制以及水蒸汽高温氧化监控等方面给出建议。

超临界机组；给水水质；汽水品质；优化

我国目前在建和已投产的超临界机组已有几十台，最长运行时间也已有十几年，许多机组都经过了1次以上的大修，在机组汽水品质的管理上积累了一定的经验。

1 超临界机组汽水质量标准

1.1 超临界工况下的水化学特点

通常给水带入炉内的杂质主要有钙离子、镁离子、钠离子、硅酸化合物、强酸阴离子和金属腐蚀产物等。根据这些杂质在蒸汽中的溶解度与蒸汽参数的关系图得知，各种杂质离子在过热蒸汽中的溶解度及其随蒸汽压力增加的变化情况有很大差别。

给水中的钙、镁离子在过热蒸汽中的溶解度较低且随压力的增加变化不大;而钠化合物在过热蒸汽中的溶解度较大且随压力的增加而稳步增加;硅化合物在亚临界以上工况下的溶解度已接近同压力下的水中的溶解度，且溶解度随压力的增加也渐渐增加;强酸阴离子，如氯离子在过热蒸汽中的溶解度较低，但随压力的增加变化较大，硫酸根离子在过热蒸汽中的溶解度较低且随压力的增加变化不大;铁氧化物在蒸汽中的溶解度随压力的升高也呈不断升高趋势；铜氧化物在蒸汽中的溶解度随压力的升高而升高，当过热蒸汽压力大于17 MPa时有突跃性增加的情况发生。所以，对于超临界机组给水的铜含量应引起足够的重视。

1.2 超临界机组的结垢、结盐特点

从上述超临界工况下的水化学特点可知，假如给水水质不纯，给水中的钙、镁离子及部分铁氧化物将沉积在水冷壁管上而影响锅炉的安全运行；绝大部分的钠化物、硅化合物、强酸阴离子、铜氧化物和部分的铁氧化物将溶解于过热蒸汽中被带入汽轮机。随着过热蒸汽在汽轮机中做功后蒸汽压力、温度的下降，杂质在蒸汽中的溶解度也会不断下降，原溶解于过热蒸汽中的铜氧化物和铁氧化物及部分钠化物就会沉积在汽轮机高压缸的通流部分，硅化合物和部分钠化物就会沉积在汽轮机低压缸的通流部分而影响汽轮机的效率;部分强酸阴离子可能会随阳离子沉积在汽机叶片上，而没有沉积在汽机叶片上的部分强酸阴离子就有可能溶解在汽轮机低压缸的初凝结区的液滴内，对该部位的叶片及金属部件产生应力腐蚀、点蚀或产生腐蚀疲劳裂纹。

1.3 超临界机组的给水水质标准

从上述杂质离子在汽水中的溶解度的变化情况和在不同部位沉积的可能性看，由于超临界工况下过热蒸汽中的铜、铁氧化物的溶解度与亚临界相比有较大的提高，尤其是铜氧化物的溶解度从亚临界到超临界有一个急剧的提高，如果在给水中不加以严格限制，将会造成大量铜氧化物沉积于汽轮机高压缸的通流部位。为了保证超临界机组的安全运行，在对给水水质的要求上，对铜、铁氧化物的标准将比对亚临界直流锅炉的要求更高。另外由于超临界机组中奥氏体钢的使用量比亚临界机组有较大的提高，且与相同再热蒸汽温度的亚临界机组相比，低压缸末几级叶片的湿度增加，为了防止发生奥氏体钢的晶间腐蚀和汽机末几级叶片的腐蚀，对阴离子的含量也提出了较高的要求。

从表1可看出，各国制定的给水品质指标虽有所不同，但要求都较高。超临界机组在我国起步较晚，但因借鉴国外的先进经验，在指标的确定上已明显提高。另外，还应充分认识到，国标只是确保机组能安全运行的最低标准，在制定厂级标准时应要求更高，才能确保机组的高效、安全运行。

2 超临界机组的汽水优化途径

为了达到上述标准中的给水质量要求，尤其是对铜氧化物的要求，可以从热力系统设计、补给水处理、凝结水精处理、给水处理工艺、停炉保护及化学监督管理等方面的优化来给予保证。

2.1 补给水处理系统的选型优化

机组在运行过程中，所有损耗的水均由补给水处理系统补给，所以补给水质量的好坏将直接影响到机组给水的水质。由于我国幅员辽阔、水系发达，不同地区的水质类型不同，为了能取得满意的补给水处理效果，首先应收集设计所用水源的水质情况，再根据收集到的水质数据选择行之有效的原水净化处理系统和与此水质条件相适应的除盐系统。在具体选型时，应具体情况具体分析，否则所选的系统将很难达到理想的补给水处理效果。

2.2 热力系统设计时的管材选型优化

热力系统中的凝汽器、低压加热器、高压加热器的管材选择，是热力系统运行时影响给水品质的主要设备因素。因为高、低压加热器管材的不同将影响到给水处理工艺，如果采用铜管，铜管的腐蚀会引起给水的铜氧化物浓度不合格；如果采用不锈钢管，可避免给水铜氧化物浓度不合格现象的发生。所以，高、低压加热器应采用无铜系统。

凝汽器管材的不同将影响到投运后凝汽器的泄漏问题。从我国沿海地区大型电厂的凝汽器管材使用情况来看，凡是凝汽器采用钛管和碳钢包钛隔板的机组，凝汽器发生泄漏的概率都很小，甚至有的机组已运行了8年以上也未发生过泄漏；但采用铜管的机组都存在不同程度的泄漏。所以在超临界机组热力系统设计时， 凝汽器应采用无铜系统。对于无法采用无铜系统的机组，其凝汽器铜管的选材应综合考虑适应当地的冷却水水质和防止凝汽器抽空区铜管的氨蚀等问题，选择合适的铜管管材并选择产品质量信誉较好的生产厂家进行生产。只有在设计热力系统时从材质选择和技术选型上满足了超临界机组汽水化学运行工况的要求后，运行中才有可能达到优质的汽水品质。

表1 超临界机组的给水水质标准

2.3 凝结水精处理系统的设置模式优化

凝结水精处理技术作为适应大机组的发展而产生的水处理技术，在机组技术的不断发展中也得到了发展。目前经过不断的技术改造后用得较多的凝结水处理系统有下列形式。

(1) 低压系统：覆盖过滤器+高速混床；前置氢型阳树脂过滤器+高速混床；阳床+阴床+阳床等。

(2) 中压系统：裸高速混床；前置氢型阳树脂过滤器+高速混床；前置过滤器+高速混床。

目前国内直流锅炉的凝结水精处理设备均在氢型下运行，不论是国产设备还是进口设备，不论采用何种再生方式，其出水水质一般均较好，电导率都能低于0.1 μS/cm。再加上OT处理时凝结水的pH值一般在8.5左右，凝结水精处理系统运行工况又大大改善，所以在选择超临界机组凝结水精处理系统的再生方式时，目前常用的几种再生方式均能满足要求，可以不作特殊考虑。

中压系统的布置方式具有系统连接简单、运行调节方便、安全性高、无空气泄漏进系统的可能性等优点，已被绝大部分厂家所接受，成为主流布置方式。因此，在考虑超临界机组凝结水精处理系统的设置模式时首先应采用这种布置方式。

2.3.1 中压系统的3种处理效果比较

2.3.1.1 除盐效果

由于前置氢型阳树脂过滤器+高速混床方式中，高速混床的进水为中性或呈微酸性，工作中的负离子大大减少，因此在相同的杂质离子含量下，其运行周期长，出水水质比其他2种方式略好。裸高速混床、前置过滤器+高速混床这2种设置方式的高速混床只要再生好，即使在氢型状态下的运行周期较短，出水的氢电导率也能在0.06 μS/cm以下，完全能满足超临界机组给水水质的要求。由此可见，只从系统的除盐效果看，上述3种方式都可采用。

2.3.1.2 裸高速混床的除铁情况

某厂2台超临界机组的凝结水精处理系统是最简单的裸高速混床系统，运行至今出水的氢电导率一直控制在0.06 μS/cm以下，能完全满足超临界机组的水质要求。

(1) 机组启动阶段的过滤除铁效果。统计了2台机组最近20次的启动分析报告，得出进水水质和过滤除铁率的关系曲线如图1所示。

图1 启动阶段过滤除铁率与凝结水含铁量的关系

由图1可看出，机组启动阶段凝结水含铁量变化较大，随着凝结水含铁量的增加，裸高速混床系统的过滤除铁率也在增加。在凝结水含铁量非常高时的过滤除铁效果为98 %以上，但此时的裸高速混床系统出水的铁含量的绝对值很高，有时会超过50 μg/L，使点火水质不合格。

(2) 机组正常运行时的过滤除铁效果。机组正常运行时凝结水中的含铁量与启动时相比明显减少。统计了机组多年的运行分析数据，得出正常运行时凝结水含铁量和过滤除铁率的关系曲线如图2所示。

图2 正常运行时过滤除铁率与凝结水含铁量的关系

由图2可看出，在机组正常运行时，凝结水含铁量较低的情况下，裸高速混床系统的过滤除铁率一般多在70 %以下；而当凝结水含铁量非常低时该系统的过滤除铁率也较低，约为59 %，即有近一半的铁无法通过过滤除去又随系统循环进入热力系统，对进一步降低给水的含铁量造成困难。

2.3.1.3 前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统的除铁情况

根据过滤原理，相同的水流在相同的过滤流速下流过不同的过滤器时，固体颗粒的除去率只与不同过滤器内滤料的直径和滤料的高度有关。如果滤料的直径和滤料的高度相近，那么其过滤效果也就会相近。常规的前置氢型阳树脂过滤器的树脂层高度均在1 m以上，与裸高速混床的树脂层高度相近或略高，所以在处理凝结水时的过滤效果与裸高速混床相近。

由于没有详细的试验数据，下面就套用裸高速混床的数据对前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统的除铁效果进行模拟计算。

在凝结水含铁量高的启动阶段，前置氢型阳树脂过滤器的除铁效果按90 %～98 %计算(根据EPRI导则介绍，启动阶段前置氢型阳树脂过滤器的除铁效果能在90 %以上)，后置的高速混床除铁效果按59 %计算，则整个系统在启动阶段的除铁率可在96 %～99.2 %。这样的过滤效果即使在凝结水的铁含量达到5 000 μg/L时也能确保出水铁含量小于50 μg/L，满足锅炉点火水质要求。

在凝结水含铁较低的正常运行阶段，前置氢型阳树脂过滤器的除铁效果如按59 %～70 %计算，后置的高速混床除铁效果仍按59 %计算，则整个系统在正常运行阶段的除铁率可在83 %～88 %，比裸高速混床系统的过滤除铁效果有较大幅度的提高，这样的过滤效果可以使系统出水的铁含量达到更低的水平。

另外，在前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统中，凝结水中的铵离子已由前置氢型阳树脂过滤器去除，后置的高速混床工作在中性或微酸性状态下，更有利于去除溶解状态的铁离子，对整个系统的除铁效果会有进一步的提高。

该系统的主要缺点是系统较复杂，需要为前置氢型阳树脂过滤器配置一套再生系统，占地面积大。另外，该系统运行的压差比裸高速混床大1倍左右，比前置过滤器+高速混床系统略大；运行工作量比前置过滤器+高速混床系统大，与裸高速混床系统相近。

2.3.1.4 前置过滤器+高速混床系统的除铁情况

在前置过滤器+高速混床系统中，前置过滤器滤元的过滤孔径可以根据需要进行选择，不同的阶段可以采用不同过滤孔径的滤元来适应不同凝结水水质的需要。随着安装质量和设备维护质量的提高，装有2台900 MW超临界机组的某电厂已成功使用1 μm过滤孔径的滤元来处理机组启动阶段的凝结水，对于不同凝结水中铁的过滤除去效果能在70 %～92 %。按此效果计算前置过滤器+高速混床系统的过滤除铁效果，与前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统相近，比裸高速混床系统的过滤除铁效果有较大幅度的提高。

该系统比裸高速混床系统复杂，但比前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统简单。占地面积比裸高速混床系统大，但比前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统小。运行的压差比裸高速混床大(0.2～0.5)kg/cm2，比前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统略小。运行工作量最小，运行的灵活性和安全性最高。

2.3.2 凝结水精处理系统设置的优化选择

如上所述，综合考虑凝结水精处理系统的除盐效果、除铁效果、系统的复杂性、安全性、运行压差和运行工作量的大小等情况，超临界机组凝结水精处理系统应选中压系统。系统设置模式应首选前置过滤器+高速混床系统，其次是前置氢型阳树脂过滤器+高速混床系统，尽量避免选用裸高速混床系统。目前常用的几种再生方式均可选用，在不提高总价的前提下可首选高塔式完全分离技术或锥形分离技术。

2.4 启动冲洗和停炉保养优化

2.4.1 停炉保养优化

正确选择机组的停炉保养方法是确保机组汽水品质的重要保证，对于超临界机组的停炉保养方法，可根据停运时间的长短选择，在DL/T956—2005《火力发电厂停(备)用热力设备防锈蚀导则》中所提到的所有方法都可以采用。

对于机组检修停用的保护，由于涉及设备的检修，热力系统要打开并接触空气，使得充氮密封保养的措施无法实施。假如停炉保养采用加有机成膜胺进行保护，那么机组启动运行后再次恢复OT时，氧就会与热力系统表面上的有机胺膜进行氧化反应，生成低分子有机酸，影响机组汽水品质的氢电导率值。另外根据有关试验报导，溶解到凝结水中的有机胺膜会对凝结水精处理装置中的阳树脂发生不可再生的吸附和离子交换，使阳树脂失去部分交换功能。所以一般不提倡在超临界机组停炉保养时采用加有机成膜胺的方法。

超临界机组没有汽包锅炉中热炉放水时上下汽包壁温差控制的限制，因此可以采用较高的放水温度及较长的闷炉烘干时间，确保最难烘干的U型过热器和再热器下弯头烘干，从而对锅炉本体、高加水侧、除氧器等部位的干燥起到保护作用。

根据以上情况，建议对机组的停炉保养进行如下优化。

(1) 对于停机检修的超临界机组，其锅炉本体、高加水侧、除氧器等可采用热炉放水余热烘干的方法进行保养；其汽机和凝汽器可采用先对凝汽器热井进行人工清理擦干，然后打开汽侧上、下人孔门进行自然通风干燥的办法进行保养。

(2) 对不进行检修的长期停运备用的超临界机组，其锅炉本体、炉前系统建议采用加氨提高给水pH值至10以上，同时结合锅炉上部充氮隔绝空气的方法进行保养；其汽机本体建议采用通干燥风进行干燥的方法进行干燥保养。只有在机组无法采用充氮和通干燥风保养时，才可考虑采用加有机成膜胺进行保养；但启动后应在AVT方式下运行一段时间，待热力系统表面的有机胺膜绝大部分被溶解或分解后再转换成OT。这种保护方式要以损失部分凝结水精处理装置中的阳树脂的离子交换功能为代价。

2.4.2 启动冲洗优化

超临界机组启动时，可以根据停炉保护的执行情况和热力系统的清洁情况，对热力系统进行分段冲洗。首先进行凝汽器冲洗；冲洗合格后进行从凝汽器到除氧器的小循环冲洗；冲洗合格后转入从凝汽器到汽水分离器的大循环冲洗，直到符合点火标准后再点火；蒸汽产生后通过旁路系统对蒸汽系统进行冲洗。

上述几种不同系统的冲洗标准可以根据补给水供给的情况不同，控制冲洗水在回收终点的含铁量为200～500 μg/L。蒸汽系统的冲洗标准为，控制主蒸汽的品质达到启动控制指标，然后才能进行冲转。

随着机组运行时间的延长，以及热力系统氧化情况的加剧，机组停运时不可避免地会发生氧化皮剥落的情况；如不注意对蒸汽系统的冲洗工作，就有可能引起对汽机的颗粒冲蚀，尤其对有一定运行时间的超临界机组，更应注重启动时蒸汽系统的冲洗工作。

3 超临界机组的化学监督管理优化

3.1 汽水取样点的设置和在线仪表的配置优化

直流炉的水汽工况具有特殊性，即从凝水到主蒸汽是一次完成的，锅炉无汽包等中间容器，给水水质的好坏取决于凝结水精处理系统的出水水质，这些特性是超临界机组化学监督取样点的设置和在线仪表的配置应该充分考虑的。

超临界机组的参数较亚临界机组有大幅度的提高，为了密切监视金属材料发生高温氧化的情况，建议在设置常规取样点的基础上增加汽水分离器蒸汽出口和再热器出口取样点，并在汽水分离器蒸汽出口、主蒸汽和再热器出口取样点上安装氢表。通过监测系统内不同取样点的氢气含量变化来推测过热器和再热器内金属材料发生高温氧化的情况。

在线仪表的选型应做到仪表工作性能可靠、维护工作量小、受环境影响小，所反映的情况要直观、真实、明了。从保证机组正常运行的实际情况出发，每台超临界机组只需配置如表2所示的取样点和在线仪表，就足以全面监测机组的汽水品质。

表2 超临界机组较经济的取样点和在线仪表的配置建议

在在线仪表配置少而精的同时,实验室可以适当配置一些精度较高的便携式电导率表、溶解氧表、pH表，以及一些高级的实验室仪器，如原子吸收分光光度计等作为系统查定和校验仪表。这样就可以对超临界机组的水汽品质进行快速、全面而有效的监督。

3.2 汽水品质中阴离子监控优化

超临界机组中奥氏体钢的使用量比亚临界机组有较大的提高；与相同再热蒸汽温度的亚临界机组相比，低压缸末几级叶片的湿度增加。为了防止发生奥氏体钢的晶间腐蚀和汽机末几级叶片的腐蚀，对超临界机组汽水品质中阴离子的监测和控制是十分必需的。但目前对超纯水中微量级阴离子的直观检测技术还没有过关，只能采用实验室的离子色谱仪来进行测量。由于影响离子色谱测量结果的因素很多，同时离子色谱仪的投资费用和使用维护费用均较高，其使用和维护较复杂，一般电厂无法经常用其进行监测。

根据有关阴离子的当量电导理论，可推导出超纯水中的氢电导率值(25℃时，μS/cm)与水中的主要阴离子——氯离子和硫酸根离子的浓度之间近似的数学关系：

氢电导率=0.058+0.012×CL-+0.009×SO

式中：CL——氯离子浓度(μg/L);

(1) 当给水氢电导率控制在0.1 μS/cm以下时，氯离子、硫酸根离子均在2 μg/L以下；

(2) 当给水氢电导率大于0.1 μS/cm时，给水中氯离子、硫酸根离子就会超标，需要对系统进行检查和调整；

(3) 给水氢电导率控制在极低的范围时，通过氢电导率表的测量值和上述数学关系式，就可立即估算出水中主要杂质阴离子的含量情况，达到对阴离子监控的目的；只有当系统存在泄漏或不明原因的汽水品质恶化时，才有必要进行阴离子的分类监测，以方便查找问题原因。

3.3 化学监督管理

与亚临界机组相比,在超临界机组安全运行工作中，化学监督工作的作用显得尤为重要。为了确保超临界机组的安全运行，从工程的科研工作开始直到机组投产后的正常运行，都应该有化学专业人员参与，开展全过程的化学监督管理工作。

3.3.1 从设计到投产阶段的化学监督

(1) 在机组设计时就应充分考虑超临界机组的特点，采用无铜的热力系统及完善的水处理工艺。

(2) 在设备验收、保管和安装验收过程中均要有化学专业人员参与并提出验收和保管建议。

(3) 在机组冲管和整组启动阶段，化学专业应严格按“汽水品质控制标准”控制点火给水水质及汽机冲转蒸汽品质，不达标准禁止点火及冲转。

(4) 在机组的设计及基建阶段就应着手进行化学专业人员的技能培训工作。通过规程编写、调试方案讨论、调试操作等工作锻炼队伍，使得化学专业人员从设备调试开始就能独立开展工作，并为机组的安全投产准备好素质较高的化学专业人员。

3.3.2 机组正常运行时的化学监督

机组交付生产后，化学监督网应立即投入并做好以下工作。

(1) 主要抓好汽水品质合格率和水处理设备的完好率，发现问题及时组织人力进行消缺。

(2) 定期对化学在线仪表进行校对，发现误差及时联系维护，保持在线仪表的高正确性。

(3) 定期开展热力系统汽水品质查定工作，并对查定数据进行分析，找出薄弱环节，及时采取针对性措施进行调整，确保机组在较好的汽水品质下运行。

机组正常运行后的化学监督工作内容如下。

(1) 应高度重视机组大小修时的化学监督检查，及时对检查结果进行分析总结。通过分析总结找出存在的化学水处理设备问题、给水处理及日常化学监督中的问题，并在以后的工作中进行改进。

(2) 做好化学监督检查的影像资料积累工作，以便通过直观的影像资料对一些需要长期观察的现象进行对比分析。

3.3.3 汽水品质异常时的化学监督管理

超临界机组正常运行时对汽水品质危害最大的异常是机组凝汽器水侧泄漏。防止凝汽器泄漏的最好办法是在检修时定期对凝汽器管进行探伤检查，发现薄弱环节就预先采取封堵的措施。但是即使采取了以上措施，还是有可能会发生泄漏，最关键就是要做到早发现、早查漏和早堵漏。

为了做到早发现，应该将能最快体现凝汽器泄漏的凝泵出口氢电导率的报警信号接入相应机组的报警盘，同时制定相应的4级异常处理标准和处理预案。发生报警后，应立即按相应的处理标准和处理预案进行处理。只有高度重视凝汽器的泄漏处理工作，才能确保汽水品质，才能确保机组的长期安全运行。

4 结论

(1) 目前的水处理技术、水处理工艺及设备已能完全满足超临界机组对水质的要求。但机组汽水品质的好坏与管理工作的好坏有密切关系。

(2) 从设计时就要全面考虑超临界机组的汽水工况特点，凝汽器尽量采用钛管和钛板、低加必须采用不锈钢管、高加采用碳钢管，使系统成为无铜系统，从系统材质上保证超临界机组给水对铜的高要求。

(3) 在设计时选择完善的补给水处理系统和完善的凝结水精处理系统。凝结水精处理系统的首选是中压、前置过滤器+高速混床系统。

(4) 在设计时要全面考虑机组正常运行时采用OT处理对机组的要求，设计安装相应的加氧系统，机组转入正常运行后立即采用OT运行。

(5) 加强化学监督，开展全过程化学监督管理，确保机组从设计到正常运行的全过程都在化学监督之下。只有保证机组一直处于较好的水化学工况，才能确保机组长寿、安全、经济运行。

(6) 加强防止机组凝汽器泄漏的工作，制定严格的凝结水水质异常时的4级处理标准、处理措施和相应的处理预案。做到早发现、早检查、早堵漏，努力将机组凝汽器泄漏的影响降到最低。

(7) 每次机组检修或停备用时应选择合适的保护措施，确保停运阶段热力系统不发生腐蚀。机组启动时严格按要求进行水侧和蒸汽侧的冲洗，严格按标准控制点火和冲转的汽水品质。

(8) 超临界机组在我国还处于一个成长期，机组汽水品质的优化还有许多问题有待研究，目前虽然已做了一些工作，但较之世界一流超临界机组的运行水平还有相当大的差距，有待进一步开展工作。

1 肖作善．热力设备水汽理化过程[M]．北京：水利电力出版社，1987.

2 沈保中．600 MW超临界机组给水加氨、加氧联合处理应用研究[J]．热力发电，1998(6).

3 GB/T12145—1999火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量[S].

2013-07-16)