1 前言

为抑制炉前给水系统的流动加速腐蚀，避免因给水携带大量腐蚀产物迁移至下游设备并沉积、结垢而产生的次生危害，给水加氧 (Oxygenated treatment，简称OT) 技术在国内外超 (超) 临界发电机组中得到广泛应用^[1]。但近年来，超临界机组蒸汽系统金属高温氧化问题十分突出，蒸汽中氧气是否会对金属高温氧化产生影响一直是争论焦点。为此，芜湖发电公司于2012年5月在2号机组上进行给水低氧工艺的实践，在充分利用给水加氧工艺优越性的同时，尽量避免蒸汽中过多氧对金属高温氧化可能存在的影响。本文通过2号机组实施低氧工况后给水腐蚀产物含量、锅炉受热面表面状态、锅炉结垢速率及锅炉压差等实际数据，分析评价了660 MW超超临界锅炉实施给水低氧处理工艺的应用效果。

芜湖发电公司2号炉为660MW超超临界直流锅炉，过热蒸汽压力26.03 MPa，温度585 ℃；再热蒸汽温度603 ℃。机组于2011年12月4日投运，投运初期采用只加氨的全挥发处理 (AVT (O))，2012年6月转为加氧运行工况，给水溶解氧含量控制在10~30 μg/L，低于传统加氧工艺下给水氧含量30~80 μg/L的控制水平。至2013年2月小修，机组运行约15个月，其中低氧工况下运行约9个月。

2 低氧工艺实践效果与评价

2.1 有效抑制热力系统流动加速腐蚀

给水加氧目的是抑制热力系统的流动加速腐蚀，降低水汽腐蚀产物Fe含量，从而降低锅炉受热面的结垢速率。因此给水Fe含量的变化是评价加氧处理效果的最直观指标。图1是2号机组实施OT过程中给水Fe含量变化情况^[2]，OT使锅炉给水中Fe含量由2~5 μg/L降低至1.0 μg/L以下，平均降低幅度超过50%。通过0.45 μm滤膜截留给水腐蚀产物的情况 (如图2所示)，也可看出加氧后给水中颗粒状或胶体Fe含量明显减少。很显然，低氧工况有效减缓了炉前系统金属腐蚀，给水携带的腐蚀产物含量明显下降。

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图1    

   2号机组加氧过程给水系统铁含量变化趋势

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图2    

   加氧前 (a)、后 (b) 给水取样滤膜上截留腐蚀产物的对比

2.2 降低锅炉结垢速率

锅炉受热面的结垢量主要由两部分构成，即自身腐蚀形成氧化膜和给水带入的铁氧化物的沉积，后者一般是结垢速率升高的主要因素。实施加氧处理后，给水腐蚀产物含量明显降低，这显然有利于降低锅炉受热面结垢速率。机组投运以来2次割管的实际结垢量情况也表明，给水低氧运行近1 a内水冷壁管垢量增加很少 (两次割管位置相近，可近似处理)，仅增加10 g/m左右 (见表1)。另外，从2012年2月机组小修时安装的监视管来看，结垢速率也比较低 (见表2)。由于炉管自身氧化膜的形成，短期内得到的锅炉结垢速率数据会偏高。因此，从长期运行来看，OT对于抑制锅炉结垢速率的效果会更加明显。

为了便于比较，作者调查了国内同类型机组在AVT工况下的锅炉结垢速率调查情况，如表3所示。相比之下，给水低氧工况抑制超临界机组锅炉结垢速率的优势非常明显。

2.3 改善了锅炉受热面低温段的内表面状态

根据氧化膜形成机理，在300 ℃以下热力系统中，水中加入的O使Fe^2＋氧化为Fe^3＋，并随后形成为具有保护作用的棕红色FeO覆盖层^[3]，这是抑制炉前系统金属材料的FAC关键所在。理论上温度超过300 ℃时且温度逐渐升高时，热水本身氧化性逐渐增加，金属氧化膜已处于钝化状态，由氧气氧化促进金属表面形成棕红色FeO层的作用减弱。从图3a和b可以看出，在超临界锅炉的省煤器，尽管温度已较高，但金属表面氧化膜略显棕褐色，说明仍有部分氧气参与氧化作用生成少量FeO。

X射线衍射 (XRD) 也表明了FeO的存在，由O氧化作用形成的FeO沉积在FeO外延层的微孔或空隙中，降低了Fe²⁺扩散和氧化速度，从而增强氧化膜致密性和保护性。

对于水冷壁系统，如图3c和d所示，炉管内表面为钢灰色致密氧化膜，说明水冷壁系统已完全进入高温氧化区域。在这里，高温水或水蒸气中氧化膜的生成机理随温度升高有了本质的改变，增加水中氧气对于氧化膜的防腐性能已无关紧要。这也是应用给水低氧处理工艺具有可行性的主要原因。尽管如此，加氧处理的间接作用仍在水冷壁得到充分体现：由于炉前系统金属材料腐蚀速率降低，大大减少了给水携带的腐蚀产物在水冷壁管内表面产生的沉积，因此使得金属表面状态得到很大改善。

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图3    

   2号机组省煤器、水冷壁管样表面形貌

采用扫描电镜 (SEM) 对炉管内表面进行微观分析，如图4和5所示。可以看出，省煤器管内表面腐蚀产物的晶粒较细，尤其是监视管表面，晶粒相对致密且晶粒间隙小，具有明显赤铁矿FeO晶格特征。省煤器原始管加氧转换前由于腐蚀造成的腐蚀产物沉积较多，因此表面状态稍差一些。同样，水冷管监视管主要是原位氧化形成的致密、光滑氧化膜，表面状态要好于原始管。在这里，除了温度的影响之外，给水携带腐蚀产物含量的多少在很大程度上影响了氧化膜的形态。为了便于比较，图5中同时列出了某660 MW超超临界锅炉在AVT (O) 工况下运行1 a后的案例 (见图5c)。在这个案例中，AVT (O) 工况下给水携带的大量腐蚀产物沉积在水冷壁表面，形成晶粒粗大、疏松且呈波纹状的氧化膜外层。

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图4    

   省煤器管样内表面微观形貌: (a) 原始管内表面, (b) 监视管内表面

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图5    

   水冷壁管样内表面微观形貌: (a) 原始管表面, (b) 监视管表面, (c) 某锅炉水冷壁AVT (O) 1 a

很显然，相比AVT (O) 工况，低氧运行后省煤器、水冷壁管内表面状态得到较大改善，金属氧化膜较致密、光滑，因而可以提高锅炉受热面换热效率和降低水汽流动阻力，有利于发电机组的节能降耗。

2.4 减缓锅炉压差的上升速率

锅炉压差上升较快是超临界直流锅炉运行的普遍性问题，是制约大机组运行经济性的重要因素。锅炉运行中的压差上升速度与炉管内部所结垢的成分、表面形态、结垢速率等因素有关。因此，锅炉压差及其上升速度也是衡量炉管内部清洁程度的一个重要参数。图6列出了芜湖发电公司1号、2号机组投运后机组锅炉压差的对比数据 (注：两台机组压差选取点均在满负荷660 MW左右，以某个月内几个满负荷点下锅炉压差的平均值作为该月份的锅炉压差值)。可以看出，目前2号机组的锅炉压差在2.4 MPa左右，而1号机组锅炉压差为2.7~2.8 MPa。很显然，两台机组运行时间接近，但2号机组锅炉压差比1号机组要低0.4 MPa左右。这说明给水低氧处理对抑制锅炉压差上升的效果较明显，2号机组实施低氧处理后，锅炉压差几乎不再上升，甚至略有下降。

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图6    

   1号、2号机组锅炉压差变化曲线图

2.5 解决减温水调阀堵塞问题

在给水AVT工况下，由于水汽中腐蚀产物含量较高，在热力系统有缩孔变径部位，例如节流孔、调节阀、滤网等，通常会发生磁性FeO聚集、沉积堵塞现象。1号机组在给水AVT (O) 工况下运行，减温水调节阀套就经常出现堵塞，影响机组的正常运行。而2号机组实施给水加氧处理后，减温水调节阀未发现FeO沉积堵塞现象，这与2号机组实施低氧处理后给水腐蚀产物含量明显下降的现象相吻合。

3 结语

通过芜湖发电公司2号机组给水低氧实践的效果分析，表明给水低氧处理在抑制炉前系统流动加速腐蚀，减缓锅炉结垢和锅炉压差上升速率等方面同样具有明显优势，节能降耗效果明显。同时可避免蒸汽中高氧含量对金属高温氧化可能造成的不良影响，对提高机组运行的安全性和经济性也具有重要意义。

致谢：感谢上海交通大学分析测试中心提供XPS分析,孙立民老师对XPS分析提供的帮助。