锅炉启动前蒸汽加氧清洗的试验和应用

锅炉启动前蒸汽加氧清洗的试验和应用

1、前言

众所周知，锅炉清洗，新建锅炉启动前一般都需要进行清洗和吹管,以除去管子内表面的氧化皮、腐蚀产物及沙、焊瘤等杂质,使启动后水汽质量迅速达到规定的标准,保证锅炉受热面安全运行,预防汽轮机蒸汽通流部分损伤。传统的用无机酸或有机酸溶液循环化学清洗的方法,清洗效果好,但也存在一些重大缺点,如:临时设施和系统庞大复杂,安装和拆除工作量大;需用大量化学药剂(有的价格贵或稀缺)和水,废液又需经处理才能排放;清洗后钝化形成的保护膜性能差,甚至不能完全防止启动前再锈蚀,启动后水汽质量达到运行标准的时间比较长。此外,机组越大(特别是过热器)化学清洗越困难。因此,化学清洗法主要在寻求新的清洗介质和简化工艺系统方面,一直在不断研究和改进。

前苏联在本世纪八十年代初期,就研究提出了“锅炉启动前蒸汽-氧清洗和钝化”的新方法,可以避免上述化学清洗法的一些缺点,所以随即在数十台200～800MW机组的不同型式锅炉上应用,取得了大量经验和较好的技术经济效果,并且制定了相应的导则。这种方法的原理是:往吹管的蒸汽中加入适量的氧,可促使管子内表面上的低价铁氧化物氧化成高价铁氧化物,其相成分和晶格相应改变,从而与基体金属的结合力减弱,容易脱落被汽流带出;同时,含有氧的蒸汽可使金属表面氧化,形成保护性能非常好的保护膜。实施这种方法的基本工艺是:将吹洗的设备划分成若干个吹洗回路,用从相邻运行炉取得的一定参数的蒸汽加氧后,以一定的质量流速依次吹洗各回路一定时间,即完成清洗和钝化。国内对前苏联的这种新方法,在八十年代初就相继有译文和综述介绍,九十年代初西安热工研究所率先进行了研究和试用,从报导看迄今已有近十台锅炉采用了这种方法,多数取得较好的技术经济效果。与前苏联原来的方法比较,西安热工研究所研究并在国内目前应用的方法主要特点是:在保证规定的吹管系数的前提下,显著降低了吹管的蒸汽质量和流速,这样就能利用锅炉自身产生的蒸汽,结合国内普遍采用的“降(变)压”吹管,进行过热器、再热器和蒸汽管道的吹洗和钝化。

我省某发电公司改建200MW机组,引进了俄产E∏—670—13.8—540BΓ型锅炉,经云南省电力工业局组织有关单位几次讨论,并征得俄锅炉厂代表同意,确定采用“综合法”进行启动前清洗,即锅炉本体及炉前系统主管道用盐酸清洗,而过热器、再热器和蒸汽管道用蒸汽加氧吹洗。因此,在局的组织和支持下,我们收集了前苏联和国内部分有关资料,于1996年7月利用宣威电厂中压炉的蒸汽进行了一些试验台试验,10月在上述锅炉上实际应用,总的看来取得了较好的宏观效果。

2、试验简况

为了对蒸汽加氧吹管有一些实际认识,以制订在上述锅炉上实际应用的具体技术措施,我们参考有关资料制作了一套简单的试验台,利用运行的中压锅炉的蒸汽进行了一些吹管试验。

试验台系统如图1所示。试验用管样为锅炉备用管,碳钢管内大气腐蚀比较严重,12CrMoV低合金钢管内有明显点蚀,腐蚀和腐蚀产物的分布都不均匀。管样总长近4米,做成高约1米的U形。吹洗用蒸汽引自运行的中压机组主蒸汽母管的疏水管,由于其直径较小等原因,温度降低甚多。氧是从气瓶经自动减压后加入蒸汽中。每次试验开始前,通过旁路疏水和排汽,直至进汽温度上升并接近稳定。然后将蒸汽切换到吹洗回路,尽快调节蒸汽压力、温度和流量等参数稳定,吹洗样管一定时间,即“稳压”吹管。少数试验中,定时关闭和开启排汽阀进行“变压”吹管,这时蒸汽流量在零到预定值变化,但实际温度变化幅度不大。“加氧”分别在蒸汽参数稳定,蒸汽吹洗一定时间,以及“变压”吹管一定次数之后进行。加氧速度按照气瓶氧气压力下降速度,以及减压后氧气压力与蒸汽压力之差调节,或用量气法测定蒸汽凝结水样含氧量作对照,控制在0.8～1.2g/kg左右;每次试验的总加氧量按照气瓶氧气压力降低值计算。吹洗过程的监督,在现场主要按照排汽凝结水样的浊度进行,并定时取保留样在试验室中测定总铁、二氧化硅和硬度。试验结束后,从样管切取一段试样,测定残余垢量,并用酸性硫酸铜溶液作点滴试验检查氧化膜的耐蚀性,作为判断吹洗和钝化效果的主要依据。试验条件与结果综合。时吹洗过程中排汽凝结水样的水质变化情况,以试验6为例。

尽管试验不全面,管样代表性和试验条件也不如预想,但从这些结果仍可看出一些趋势。首先从吹洗效果方面看,加氧的促进作用并不大(№2,№3～№4),只是在蒸汽质量流速很低时才比较明显(№5～№6,№7);蒸汽质量流速对吹洗效果有较大影响(№1～№5,№2～№8);也许由于温度变化幅度不大的缘故,“变压”时吹管效果也没有明显影响(№2～№3,№6～№7);总的吹洗除垢效率不够高(40%～70%),特别是锈蚀比较严重、原垢量大的管样,吹洗后残余垢量仍然偏大,表面状况也较差。其次,从钝化效果看,加氧的作用相当显著,尽管吹洗蒸汽温度偏低,碳钢和低合金钢的耐蚀性都明显增强(№5～№6,№7,№1和№2,№3,№8～№4),而两种材料间的差别可能是材质不同决定的。另外,从排汽凝结水样水质变化看,浊度与全铁、二氧化硅的变化趋势相近,可作为现场快速监测吹洗过程的间接指标;吹洗过程通常在20—30分钟即基本结束,试验管样长度小可能是一个重要因素。

3、应用简况

在前述阳电EΠ—670—13.8—540BБΓ锅炉,采用蒸汽加氧—阶段降压吹洗过热器、再热器和蒸汽管道。选定的吹管蒸汽参数为:临时控制门开启时汽包压力7.0MPa,临时控制门关闭时汽包压力4.5MPa,过热器出口蒸汽温度350—440℃。再热器出口蒸汽温度460—500℃。吹管系统示于图3。为避免过热器吹出的大颗粒杂质进入再热器,加速吹管过程,加装了集粒器;考虑到再热器冷段管道的承压等,集粒器装在冷段管道前。

由于电厂处在旅游区附近,而且紧靠干线公路,所以在排汽口加装了小孔式消音器,以减少噪音对环境的影响。考虑到消音器加装方便,临时排汽管由零米引出。汽轮机主汽门加堵板,吹管临时管道从主汽门上直接引出,在临时管道布置两个临时控制门(A、B),减少了焊接工作量。电动主汽门安装就位,吹管时开至最大开度,高压旁路阀先不装,在其位置加装临时控制门C。高压缸排汽逆上阀阀芯取出,以防止吹管时受损伤。再热器入口及旁路调节阀为蝶阀,未拆除处理,只是在吹管时全开并固定。加氧系统。为保证加的氧均匀分布到整个吹管蒸汽中,根据锅炉的结构,并且考虑吹管后便于恢复,将氧加入汽包12根饱和蒸汽引出管的排空气小管中。未考虑在再热器前二次加氧。此外,在两根排汽管上装了排汽取样冷却器,以监督吹管过程。吹管过程和参数见表2。为吹管过程的压力变化曲线,当再热器出口压力达最大值时,吹管系数达最大,从图中可以看出,在开始吹管40秒左右时,吹管系数达最大值,有效吹管时间约3′20″,在此过程中,蒸汽流量达450～550t/h,各受热面在吹管过程中达到的质量流速。

从以上参数可看出,过热器质量流速可基本满足600～800kg/m2.s的要求,而再热器侧的则低得多。由于设备缺陷故障使停炉次数较多,而每次重新启动时运行调整的时间过长,造成燃油及除盐水耗量偏大。例如20～24日停炉3次,总计运行共49小时,吹管16次,耗燃油近300吨;25～26日只停炉1次,总计运行24小时,吹管27次,加上及时投用制粉系统,共耗燃油80吨。除盐水耗用量将近为吹管蒸汽量的2倍,除排汽和排污、换水外,除氧水箱溢流等因素也占很大一部分。原拟的加氧方式为:初期不加氧,先吹洗掉焊瘤等杂物及表面疏松的大气腐蚀产物;中期加较高浓度(～1g/kg)的氧,以促使比较致密的氧化(轧)皮氧化脱落;后期及稳压吹管时,加较低浓度(0.3～0.5g/kg)的氧,以改善钝化效果。实际上由于加氧系统接头漏泄,气瓶未分组使更换时间较长,总气瓶数偏少使加氧速度受到限制等原因,加氧次数及数量均比预期的少一些。

由于排汽取样管有较长一段水平管道,开始吹管时即被堵塞不能取样监督,直到第28次吹管时才疏通。排汽凝结水样含铁量的分析结果列,到第38次吹管时突然降低也可能与取样管道疏通后冲洗不彻底有关。这次吹管共试吹3次,降压吹管42次,稳压吹管1次(20分钟),加氧14次,总加氧量264千克。最后两次降压吹管连续安装靶板检查合格,靶板颜色接近铝板原色,靶板上点直径均小于1mm,A侧为7点,B侧为3点。只装了一段监视管(低温过热器12CrMoV低合金钢管),内壁原有均匀致密黑色氧化皮,管口部分有少量褐红色铁锈,垢量为100.7g/m2;吹管后割下检查,表面呈褐红色,残余量61.5g/m2,点滴试验耐蚀时间为18分钟。吹管后期排汽凝结水含铁量达0.21～0.08mg/kg,二氧化硅小于20μg/kg;随后机组启动试运转期间,尽管由于炉前系统一些设备和支路冲洗清洗不够彻底等原因,锅炉水浑浊、含铁量高,直到72小时试运转后期才澄清透明,但是蒸汽质量仍迅速达到了启动和正常运行的标准。因此,从总的吹管次数和时间,靶板和监视管的检查结果,以及启动运行期间的蒸汽质量等综合评价,可以认为这次应用蒸汽加氧吹管的效果是良好的。此外,在第36次吹管后,从集粒器排渣口取出渣共重7.7kg(空气干燥状态),绝大部分是微带褐色的黑色粉末,从中分拣出的短焊条、金属熔渣和小垫圈等共320g;吹管结束后,第二次从集粒器取出2.14kg粉末。吹管期间在电厂生活区测量,噪音最大为79dB。这说明采用集粒器和消音器都取得了预期的效果。

4、问题讨论

苏联研究提出的蒸汽—氧清洗和钝化法避免了传统的化学清洗法的主要缺点;西安热工研究所研究提出的蒸汽加氧吹管工艺,又克服了需要划分吹洗回路和相邻运行炉蒸汽的缺点,从而得到较快应用和推广。同时也应当看到,蒸汽—氧法的清洗效率远不如化学清洗法,即使在最佳条件下除垢率也只到80～90%,实际上往往还低一些(加氧的作用还只是其中一部分),一般采用的残余垢量“标准”也达50或70g/m2。这可能与方法的机理有关,氧化的机理在热力学上无凝是正确的,但从动力学考虑,气—固两相间反应的速度往往受固相中的扩散速度控制。原有铁氧化物的成分和结构也是一个不容忽视的因素。因此,还需要更深入的研究和积累更多的资料(包括汽轮机蒸汽通流部分状况),从原垢量及其性质两方面对该方法的适用范围和残余垢量标准作出明确界定。蒸汽—氧法可大大提高钢的耐蚀性,其钝化膜的保护性能远优于化学清洗中的各种钝化方法,这一点已为前苏联的大量研究资料和国内的经验证实。

众所周知,按照钢腐蚀理论以及“中性或综合氧处理水工况”的机理,发电厂水汽系统钢表面的保护膜是Fe3O4。在蒸汽—氧钝化时,如果钢表面的氧化物已全部除去,则Fe与H2O或O2反应生成FE3O4;如果还残留有氧化物,Fe3O4表面氧化生成γ—Fe2O3,也能提高耐蚀性,但如进一步氧化成α—Fe2O3,则不仅无保护作用,反而容易脱落。因此,清洗和钝化的机理和条件似应有所区别,否则将引起混淆甚至矛盾。此外,目前普遍采用经典的硫酸铜点滴试验法检验氧化膜的耐蚀性,报导的数据差别很大,是否与材质和残余垢量等有关,也需要进一步试验查明,制订出相应的标准。