大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司 刘建生

发电厂热力系统新型氮气保养节能创效工艺的应用

大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司 刘建生

发电厂热力系统大部分设备、管道均为碳钢材质进行制造，设备管道停备中处于易发生金属腐蚀，降低设备的强度，减少使用寿命。对热力系统氮气保养方式进行研究，对多种设备的保养方案进行分析，在电厂热力系统的停备保养方面具有一定的推广应用价值。

发电厂；热力系统；氮气保养；应用

随着我国机械工业的快速发展和电力事业的技术进步，大容量、高参数的发电设备在各地得到了大量安装和使用，电力电量供应也出现了较大的盈余，市场格局也产生了显著变化。原来以600MW机组作为主流机型的形势逐渐向百万机组过渡，部分地区600MW等级机组已进入调峰运行状态，原有的北方地区单机发电量200MW、300MW级热电机组除在冬季供暖期及夏季大负荷能够连续运行外，也出现了较长时间的停备。

无论是大型燃煤机组还是天然气联合循环机组，锅炉和热力管道都是其重要的组成部分，对应机组运行中的高压力、高温度，重要部件的金属材质多为高强度合金钢或碳钢，具有暴露在空气中易腐蚀的特性。锅炉设备在备用条件下无法快速蒸发掉内部水分，在机组停运后空气进入，导致腐蚀速度加剧。锅炉和汽水管道受到腐蚀会产生铁锈，并会在金属壁面温度变化时逐渐剥落，一方面会造成金属壁厚减薄，锅炉和管道的承压强度降低，影响锅炉的使用寿命；另一方面铁锈进入给水，导致给水中的Fe离子严重超标，需要大量排污。

1 传统热力设备的保养方式

为了防止锅炉和其他热力设备在停备期间发生金属部件腐蚀，需要对其进行可靠保养。按多年的锅炉及管道系统保养经验，余热锅炉的保养方式主要有充氮保养、干燥剂保养和干燥通风保养三种。充氮保养采用高纯度的氮气充入锅炉和管道内部空间，利用氮气惰性气体的性质，隔绝氧气防止金属壁面受到腐蚀，保养效果优于其他两种方式，因而在发电设备停机设备保养中得到较多的应用。

图1 氮气集装格、液氮杜瓦罐

1.1 锅炉氮气保养的常用做法

为了研究分析高效可行的余热锅炉保养方式，达到较好的保养效果，浙江绍兴某燃气热电公司对不同的充氮保养常用做法进行了试用和比较。

1.1.1 瓶装氮气充氮保养。保养用氮气采用40L高压钢瓶存储，氮气压力10MPa，为减少充氮操作，租用了某特种气体公司20瓶组集装格，利用多个接口同时向锅炉系统连续进行充氮。实践表明，在连续充入300瓶方能在锅炉表计微正压显示。因要达到机组备用状态，锅炉系统无法加装固定堵板，系统不严造成氮气流失，每天需补入20瓶氮气，在单台锅炉瓶装保养中，一个月时间消耗约900瓶氮气。

图2 液氮槽罐车

1.1.2 杜瓦罐液氮充氮保养。杜瓦罐是一种存储液态氮气的装置，经过液氮气化器气化后可形成一定压力的氮气。气化后的氮气压力仅有0.5MPa压力，且气化速度较慢，如果增加氮气流量，则会在气化器处结冰，管路堵塞，无法快速对余热锅炉进行充氮。2台杜瓦罐装置连续两天充氮无法达到氮气正压效果，无法满足使用要求。

1.1.3 采用液态槽罐车进行充氮。槽罐车也是用于储存液态氮气的车载装置，和杜瓦罐不同的是氮气气化量大，可以快速对系统进行充氮，能够满足使用要求，但需每天租用槽罐车对系统进行充氮，产生的费用较高。

采用槽罐车和杜瓦罐因涉及到液态氮气的气化，液氮在气化中要吸收大量的热，因此需要对操作人员进行专业培训，对气化装置进行可靠隔离，防止人员在操作接触气化设备中被冻伤，产生人身伤害。

2 新型氮气制备工艺的提出

由于传统工艺的氮气制备方式无法满足锅炉设备系统快速充氮的要求，2013年绍兴某燃气热电公司对先进的空气分子筛氮气制备技术进行了调研。该种方式利用分子筛技术对空气进行分离，得到高纯度的氮气。该制氮工艺为物理提取，对环境没有影响，较常见的低温空气分离制备氧气和氮气技术有较大的优势。

分子筛是由碳组成的多孔物质，具有气体分子级大小的微孔结构，利用空气中各种气体在分子筛微孔中的不同扩散速度进行分离。其原理类似于常见的高过滤精度的纳米级网布，用于过滤空气对氮气和氧气进行分离，得到一定纯度的氮气。氮气制备装置一般由2台分子筛容器和过滤器、氮气储气罐、阀门及控制系统等附件组成。制氮工艺流程一般采用变压吸附法，碳分子筛对氧气在充压、产气时吸附，在降压排气时向外排出氧气，在此过程中完成氮气的收集。氮气生产装置设置A、B两只分子筛吸附塔，吸附塔中填充碳分子筛，一塔吸附氧，制取氮气，另一只塔解吸再生，排出上次吸附在碳分子筛表面的氧，两组分子筛循环作用连续生产高品质氮气。

该氮气制备装置可室外布置，在常温下即可完成氮气生产。控制系统由PLC和电磁阀组成，通过电磁阀的开关改变系统流程压力完成制氮功能。在制氮装置接入清洁度符合要求的压缩空气，在出口储气罐就能够得到浓度99.9%的氮气。

3 氮气保养系统的设计和现场实施

现以浙江绍兴某燃气热电公司余热锅炉、燃气锅炉等设备保养为例进行说明。该公司对全厂氮气系统进行了规划，氮气系统设计覆盖两台余热锅炉系统、两台启动炉系统保养用气，同时考虑了天然气调压站和燃机系统天然气置换用气。为了选择合理流量的氮气制备装置，该公司对余热锅炉、燃气锅炉保养容积进行了核算。经计算每台余热锅炉本体、受热面和管路总容积约为800m3。两台燃气炉需保养容积约80m3。考虑一台机组运行，另一台机组备用，共计需保养容积为880m3。

在燃机停机冷却系统放水后开始充氮保养，按1-2小时完成系统充氮计算，考虑系统充氮过程中的泄漏因素，采用每小时600m3的氮气制备装置能够满足余热锅炉、启动炉共880m3容积的保养，充氮压力能快速达到50kPa以上。

图3 氮气制备装置工艺示意图

为保证氮气管路清洁，氮气系统管路全部采用不锈钢材质，氩弧焊接。氮气供应系统最远敷设至天然气调压站，管路总长约600余米，系统流程如图4所示。该氮气供应系统管路系统于2014年1月施工，2月完成氮气制备装置和氮气稳压罐的安装。设备管路系统安装完成后对管路系统进行了吹扫，保证管路系统清洁。

4 新型氮气保养系统的现场应用

4.1 氮气保养系统现场应用情况

2014年2月，该公司氮气供应系统安装完成，氮气制备投入试运，氮气压力0.6MPa，浓度99.9%，流量达到了600m3/h的设计参数要求。两个小时完成了对1号机组余热锅炉系统的充氮，检测口检验氧气含量小于1%。由于锅炉未装设临时堵板，在氮气供应装置停运后锅炉氮气压力逐步下降。经比较采用定期充压的方式进行充氮保养，每6个小时启动制氮机一次，将氮气压力升至50kPa以上。目前已实现了DCS远程的控制，节省了制氮装置起动和停用所需的人力。

氮气系统已多次完成了天然气调压站、燃机系统检修的多次气体置换操作，充氮置换过程操作简便，氮气置换过程快速，提高了检修工作效率。

4.2 氮气保养系统的应用经验

绍兴某燃气热电公司在应用氮气供应装置以后，成功采用了多种方式对余热锅炉系统进行充氮保养。

4.2.1 锅炉带水充氮保养。对于短时间的停机备用，在锅炉汽包压力小于0.2MPa开始充氮保养。首次充氮合格后，对氮气压力进行监视，维持氮气压力20-50kPa，低于20kPa补充氮气。

4.2.2 干法停炉充氮保养。在余热锅炉锅炉受热面水放净后，向高中低压汽包充入氮气，通过控制阀门逐个完成三个压力省煤器，蒸发器和过热器换热模块的氮气置换操作。各受热面氮气置换完成后，对氮气压力进行监视，维持氮气压力20-50kPa，低于20kPa补充氮气。

4.2.3 湿法充氮保养。锅炉水侧采用化学加药的方式进行保养，通过添加无机盐或挥发性的联氨和氨水来达到水侧保养效果；锅炉气侧采用氮气进行密封，防止空气进入。

4.2.4 为了保证充氮保养效果和操作中的安全，需在实施中采取如下措施：

（1）规范锅炉充氮保养作业流程。在余热锅炉充氮中要根据充氮方式的不同，采取不同的氮气浓度检查方法。如在锅炉放水前由锅炉高点充入氮气，则需要在水放净前建立氮气压力，保证氮气充满余热锅炉上部空间，在余热锅炉下部放水点测取氧气浓度。在余热锅炉无水状态下充氮时，空气已完全占据余热锅炉的内部空间，在余热锅炉内部氮气压力升高后，连续由锅炉下部进行放气，确保空气中的氧气全部排出，直至在锅炉下部放水点测取氧气浓度合格。

（2）氮气保养装置产出的是0.6MPa的常温氮气，因其压力低，在充氮操作中不会因压力下降导致温度下降过多，因此没有瓶装氮气压力降低导致的温度下降而可能会造成冻伤的情况。因此在正常操作中是安全的。

（3）在有限空间作业中如果氮气浓度过高，在其中工作存在窒息的危险。因此要提前对保养区域通风，并对其中的氧气含量检查确认，防止发生危险。

5 锅炉系统停机氮气保养实施效果

5.1 提高了锅炉系统的安全可靠性和使用寿命

绍兴某燃气热电公司2014年2月完成了余热锅炉氮气保养系统的安装和使用，实现了设备的远程监控和启停，该公司实现了机组即停运即保养的良好操作模式。在机组停运，锅炉系统压力消除后开始投入氮气保养系统进行设备保养，对锅炉系统空气进行置换，保持系统内氮气压力50kPa左右，随时抽样测取氧气的浓度，保证锅炉内部无氧气进入。

根据使用经验，即使在长达3个月的机组停备，机组上水循环后给水中的Fe离子仍处于较好水平，说明锅炉和管道金属未受到腐蚀。该公司在2015年10月小修中，技术监控单位对锅炉汽包和管道系统进行了全面检查，汽包及管道壁面光滑、无锈蚀，锅炉保养评价效果为优。

5.2 该成果取得的经济效益

5.2.1 如采用传统的瓶装氮气对锅炉系统进行保养，根据绍兴某燃气电厂经验单台锅炉每月需900瓶氮气（首次充氮300瓶，每天补充20瓶），按瓶装氮气每瓶35元进行计算，每月需要氮气保养费用9.45万元，按每年每台机组保养3个月进行测算，费用为18.9万元。两台燃气炉保养首次充氮需30瓶，每天充氮5瓶，按需3个月进行计算，每年费用为 3.78万元。年用于天然气系统滤网清理、阀门检修等检修置换用氮气计400瓶，需瓶装氮气费用1.4万元。经计算每年消耗瓶装氮气约为24.8万元，但因氮气充入缓慢，无法保证锅炉充满氮气，保养效果较差，仍需在锅炉启动和运行中大量排污。

该氮气系统采用物理分离方式对空气分离，如果提供的压缩空气清洁，则氮气生产中分子筛不会产生老化现象，质量较好的分子筛填料使用寿命可达十年以上，运行中无其他运行费用。该公司新的氮气供应系统安装费用如下，氮气制备装置50万元，管路系统敷设3万元，人工2万元，共计55万元。

根据以上数据，可以得出该项目在充氮保养和置换方面的直接投资回收期为2.21年。

5.2.2 该公司锅炉采用氮气保养系统后，减少了冷态启动除盐水的消耗。按两台机组年冷态启动30次，在氮气系统安装前每次启动放水3次，每次换水量300t计算，每年可节省除盐水2.7万t，除盐水按10元/t进行计算，每年可节省费用达27万元。锅炉减排水量也得到了大幅减少，减少了工业废水的处理和外排，有利于节能环保。机组启动期间高、中、低压系统需100%开度连续排污需5-6个小时，日补水在700t以上。实施后20分钟后锅炉水质合格，连排全关。单台机组日节约除盐水500t/台次。按机组启动360次（该机组两班制运行，昼起夜停）计算，年可节约除盐水18万t，可节省费用达180万元。

5.3 取得的社会效益

采用氮气系统对锅炉系统进行保养后，运行人员可以在控制室完成充氮保养的所有操作，并能进行连续监视，保证锅炉的充氮保养效果。相对于采用瓶装氮气、杜瓦罐液氮，槽罐车液氮等保养方式而言，采用氮气制备装置后节省了大量的人力。该装置采用后减少人力操作，消除了瓶装氮气和液氮带来的安全隐患。

在采用了氮气系统对锅炉保养后，金属壁面锈蚀状况得到改善，锅炉启动及正常排污次数大幅减少，减少了除盐水的制备量和炉水的排污量，有利于节能环保。可以低成本提供氮气用于天然气系统的检修置换操作，缩短了设备检修时间。

6 氮气保养设备的应用前景

6.1 在锅炉保养取得较好的效果后，该燃气热电公司已逐步将氮气保养范围扩充至整台机组，将汽机侧管路系统、供热系统管路也纳入到保养范围。在凝汽器、汽机汽缸内部也由主汽管路充入氮气，减少内部氧气含量，降低汽轮机隔板叶片、凝汽器腐蚀。

6.2 改变氢冷发电机组瓶装氮气置换的现状，将氮气制备装置用管路接至发电机氢排位置，快速地完成发电机的氮气氢气置换，节省检修置换时间，也避免高压氮气瓶经减压后温度降低对人员造成的冻伤等问题，提高发电机氮气置换过程的安全性。

6.3 北方热电企业采暖供热系统热网加热器、蒸汽管路系统庞大，传统的热风干燥保养效果较差，如采用该氮气制备系统对热网系统进行保养，可以短时间内完成系统充氮，达到以较小的成本实现设备充氮保养。减少供热站设备的腐蚀，减少由于设备腐蚀造成的系统停运，保证居民的采暖用热。

6.4 对于市政系统热力采暖长输管道保养具有重要意义。热力系统管路内部采用防锈漆防腐，供热停运后采用不放水处理，管道内壁腐蚀严重。如采用氮气进行保养，可以延长管路系统的使用寿命。以600m3/h的氮气供应装置计算，只需一天时间即可完成直径1米管路几十公里的充氮保养任务，取得的经济效益和社会效益不可估量。