智能控制精确加氧技术在火电厂超超临界机组中的应用研究

施国忠，刘春红，朱云水，郑渭建

(浙江浙能能源技术有限公司(浙能技术中心)，浙江杭州 310052)

0 引言

近年来，随着我国火力发电技术的日益发展、节能与环保要求日渐严格，新投产的发电机组容量不断提高，逐步向超超临界参数发展。但大部分超超临界机组给水系统在全挥发处理(AVT，All Volatile Treatment)工况下运行［1］，产生流动加速腐蚀(FAC，Fluid Accelerating Corrosion)问题［2］，导致水汽系统铁含量高、结垢速率高、铁垢沉积量大、孔阀堵塞、锅炉压差上升、机组效率下降等问题产生，对机组安全经济运行造成巨大影响［3－4］。

目前，为解决给水系统流动加速腐蚀问题，给水加氧处理(OT，Oxygenated Treatment)是普遍采用方式［5］，通过改变水汽接触界面氧化膜的结构形态，使氧化膜更加坚固致密。但传统加氧为手动控制，加氧控制量宽泛，未反应完的氧气进入过热蒸汽，往往会对材质欠佳的过热器产生负面影响，对机组安全运行形成威胁。本文主要研究了新型智能控制精确加氧技术应用于基建新投产的百万超超临界机组，确保加入的氧气量消耗在水侧，蒸汽侧不进氧，抓住新机组给水系统氧化膜转换的最佳时机，进行智能控制精确加氧处理。

1 应用概况

1.1 机组概况

某机组为国产1000MW超超临界燃煤机组，配套超超临界变压运行直流锅炉，锅炉采用单炉膛、切向燃烧、一次中间再热、平衡通风、露天、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、Π型布置。锅炉最大连续蒸发量3101t/h，过热蒸汽压力27.56MPa。机组设置凝结水精处理系统，采用2×50%凝结水量的前置过滤器和4×33.3%凝结水量的中压高速混床系统和旁路系统。

该机组于2011年6月23日完成168h满负荷试运，机组启动和运行初期均采用全挥发处理;投产后待汽水品质符合加氧要求后，机组于2011年9月20日开始实施给水加氧处理，一个月后，通过智能控制精确加氧技术的开发和应用，实现加氧量的精准控制。

1.2 加氧原理

给水系统的AVT工况易导致水流加速腐蚀，在AVT工况下，给水pH 一般控制在9.2～9.6，水温在常温到300℃区域，给水介质氧化还原电位(ORP，Oxidation－Reduction Potential)低于0，此时水与碳钢通过电化学反应生成疏松的Fe3O4磁性氧化膜，无法使金属进入钝化区［6］。磁性Fe3O4膜处于活性状态，易受流体的冲刷和迁移，形成了严重的水流加速腐蚀，导致给水铁含量高［7］。

研究表明，充分利用给水中溶解氧，使Fe3O4转化为Fe2O3，提高给水氧化还原电位，使金属进入钝化区［6］。当电位高于0后，铁的氧化物的溶解度降低一个数量级;电位继续升高，溶解度再次发生数个数量级的降低。总之，ORP的提升在降低水汽铁含量的同时改变氧化物的形态，使之进入钝化区，有力地抑制系统的FAC。

1.3 智能控制精确加氧技术

1.3.1 智能精确加氧控制策略

智能控制精确加氧技术处理原则是加入的氧气量消耗在水侧，主要是高压给水系统和省煤器，蒸汽侧不进氧。加氧控制策略为以给水流量为前馈，省煤器入口溶氧量作为控制目标，根据省煤器入口溶氧量的变化自动调节加氧量，辅助比例—积分—微分控制(PID偏差调节)，对加氧进行微调，保证给水氧量的稳定。同时设置分离器出口溶氧高限、过热蒸汽溶氧高限和给水氢导高限报警保护，既保证解决给水系统流动加速腐蚀的问题，又规避因过量氧气进入过热器引发负面问题。

1.3.2 智能精确加氧调节执行设置

选用气体质量流量控制器为加氧自动调节执行装置，其检测回路为极细毛细管，为保证调节与检测加氧量的精度，选择高纯氧作为气源。

1.3.3 智能精确加氧报警保护设置

当给水水质恶化，为防止加氧对系统造成损害，即除氧器入口氢导、除氧器出口氢导和省煤器入口氢导上限高于上限时，发出音频报警，并进行相应保护调节。为了避免过多溶氧进入主蒸汽中，设置分离器出口溶氧和主蒸汽溶氧任一值高于上限时，发出音频报警并自动下调控制器至最低开度，并切换至手动调节状态;当两者溶氧指标恢复正常后，切回自动运行。

2 结果与讨论

2.1 智能控制精确加氧效果

分析智能控制精确加氧效果。发现负荷总体变化为先连续上升后下降再上升，具体为负荷在165min内经过4阶段从700MW升至1000MW，然后在 60min内从 1000MW降至 600MW，此后30min内又从600MW升至800MW，整个过程中省煤器入口溶氧目标值控制在20μg/L，即使负荷连续变化、持续波动，在智能控制精确加氧程序作用下，省煤器入口溶氧值控制非常稳定，上下变化后均能在30min内回归目标值。

2.2 氧化膜转化

基建新机组投运后，在水汽质量合格后尽早实施智能控制精确加氧具有明显优越性，致密的Fe2O3氧化膜转化速度较快，成膜时间短。正式实施给水加氧3天，高压给水系统氧化膜开始形成，此时省煤器出口检测不到溶解氧，省煤器出口ORP也没有明显变化。15天后省煤器出口ORP开始明显上升，省煤器段氧化膜开始形成。

通过表3可知，I≥6度面积与直接经济损失关联度最大，实际地震中，地震高烈度范围越大，说明受灾面积越大，导致的直接经济损失自然越高。框架结构比例、人均居住面积、农民人均纯收入、砌体结构比例与直接经济损失关联度靠前，事实上，这些方面均能反映该地区的经济发展水平，并且对该地区的经济水平产生重要影响，如框架结构建筑功能以商场和酒店为主，震害区框架结构建筑倒塌越多，所造成的直接经济损失也会越大。

2.3 给水铁浓度的变化

智能控制精确加氧对给水Fe的控制效果显著，机组AVT和OT工况下Fe浓度的变化如图1所示。AVT工况下，给水Fe浓度普遍偏高，等切换为OT工况后，Fe浓度明显下降，较好的控制在2μg/L以下;随着氧化膜的稳定程度提高，Fe浓度稳定在1μg/L以下。

图1 给水铁浓度的变化

2.4 主蒸汽铁变化

机组AVT和OT工况下主蒸汽Fe浓度的变化规律与给水Fe浓度变化规律一致。机组运行初期在AVT工况下，主蒸汽Fe浓度数值高、波动大。转至OT工况后，汽水品质逐步提高，主蒸汽Fe浓度明显下降，逐步降至3μg/L以下，随着氧化膜的稳定坚固程度提高，主蒸汽Fe浓度逐步稳定在1μg/L以下。

2.5 锅炉压差的变化

直流锅炉运行时，水汽回路中的压差及其上升速度是表征炉管内部清洁程度的重要参数。锅炉定型后，其在某一负荷下的基础压差是确定的，运行中的压差上升速度只与锅炉运行时炉管内部的结垢成分、结垢速率、表面形态等因素有关［8］。

机组投运后额定负荷下各压差变化如图2所示。图中高加压差取给水泵出口压力至省煤器出口压力的变化，锅炉总压差取给水泵出口压力至启动分离器出口压力的变化。由图可知高加系统压差稳定，基本维持在0.77～0.80MPa之间。锅炉总压差在AVT工况运行的两个多月内，从2.35MPa上升到2.89MPa左右，锅炉压差上升较快是采用AVT化学工况超(超)临界机组中的普遍现象。在应用智能控制给水加氧技术后，锅炉总压差呈明显下降趋势，压力差从2.89MPa减小到2.45MPa左右。随着汽水系统铁含量降低，省煤器和水冷壁的结垢速率大大降低，整个锅炉压差显著下降，锅炉热效率提高，给水系统阻力减轻。

图2 额定负荷下各压差变化

2.6 锅炉管样的变化

由于给水系统铁含量显著下降，减少了铁在省煤器和水冷壁的沉积，从而降低省煤器和水冷壁的结垢速率。研究结果显示该机组实施智能控制精确加氧后，省煤器内壁沉积物量少，且氧化膜致密，出口段弯头的内壁无明显结垢;未实施加氧的机组省煤器内壁氧化铁沉积严重，形态疏松。

3 结语

(1)基建新机组投运后，在水汽质量合格后尽早实施给水加氧具有明显优越性，致密的Fe2O3氧化膜转化速度较快，成膜时间短。

(2)传统AVT工况下，机组运行一段时间后，给水Fe浓度较大，锅炉压差上升明显;采用OT工况运行后，Fe浓度明显下降，锅炉压差下降显著。

(3)采用智能自动加氧控制技术，以给水流量为前馈辅助PID偏差调节，对给水进行微量加氧，调节品质精确，能根据机组负荷变化及时有效调整加氧量，平稳控制给水溶氧量;同时辅以报警和保护命令，保持机组安全经济运行。

精确加氧控制技术的应用，减小了超超临界机组给水铁浓度，降低了给水系统阻力，降低了锅炉压差，减轻了省煤器管内铁垢的沉积，最终解决了给水系统流动加速腐蚀造成的问题，确保了超超临界机组的安全性和经济性。

［1］DL/T 805.4－2004，火电厂汽水化学导则第4部份:锅炉给水处理［S］.

［2］何辉纯.重视水流加速腐蚀(FAC)的危害［C］.第六届全国电厂化学学术研讨会论文集.苏州:2000.

［3］Alexander Y Superfin，Prabhat Kumar Sinha.Alternative boiler feedwater treatment by using the oxygenated technique［C］.International Water Conference，1993.

［4］Irma Dedekind，Denis Aspden，Ken J Galt，et al.Oxygenated feedwater treatment at the world＇s largest fossil fired power plant－ beware of the pitfalls［EB/OL］.http://www.ppchem，net/issues/11 － 01，php，2001-11-01.

［5］DL/T 805.1－2011，火电厂汽水化学导则第1部份:直流锅炉给水加氧处理导则［S］.

［6］Marcel Pourbaix，Atlas d＇équilibres électrochimiques［M］.Paris:Gauthier－ Villars，1963.

［7］VGB guidelines for boiler feedwater，boiler water and steam of steam generators with a permissible operating pressure ＞ 68 bar，1988［S］.

［8］游喆，祝青，黄兴德.给水化学工况优化技术在超临界机组的应用［J］，华东电力，2010，38(8):1255－1258.