亞臨界鍋爐汽水化學(xué)工況優(yōu)化的探討

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摘要： 通過熱化學(xué)試驗(yàn)，分析了鍋爐在不同運(yùn)行工況下的汽水品質(zhì)變化規(guī)律，在額定負(fù)荷條件下保證蒸汽品質(zhì)合格的爐水中鹽的最大允許質(zhì)量濃度，以及鍋爐汽水分離裝置的效果，提出了爐水運(yùn)行控制指標(biāo)。
關(guān)鍵詞： 熱化學(xué) 溶解攜帶 爐水 蒸汽品質(zhì)

　　作者簡(jiǎn)介：劉世念（1972—），男，廣東梅州人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)樗幚砑胺栏?/p>

　　目前，隨著高參數(shù)、大容量機(jī)組的不斷發(fā)展，在電力系統(tǒng)中超高壓、亞臨界鍋爐占了主導(dǎo)地位。為了掌握這類鍋爐在不同運(yùn)行工況下的汽水品質(zhì)變化規(guī)律，考查鍋爐汽水分離裝置的工作效率，監(jiān)測(cè)在額定參數(shù)下制造廠家規(guī)定的汽水指標(biāo)，確定保證蒸汽品質(zhì)合格的最佳排污量，對(duì)其進(jìn)行熱化學(xué)試驗(yàn)顯得特別重要。1999年3月對(duì)湛江電廠2號(hào)爐進(jìn)行了熱化學(xué)試驗(yàn)。湛江發(fā)電廠2號(hào)鍋爐目前汽水工況：連續(xù)排污門開度10％，定期排污周期為6 h，爐水控制指標(biāo)SiO₂質(zhì)量的濃度ρ（SiO₂）＜250μg／L，PO₄^3－的質(zhì)量濃度ρ（PO₄^3－）為0．3～5．0 mg／L，pH＝9．0～10。

　　1　爐水中鹽的質(zhì)量濃度對(duì)蒸汽品質(zhì)的影響的試驗(yàn)

　　1．1　爐水中鹽的臨界質(zhì)量濃度

　　機(jī)組在正常運(yùn)行下，汽包的壓力維持在16．0～17．8 MPa，鍋爐蒸發(fā)量維持在860～1001 t／h，電負(fù)荷維持在260～300 MW，汽包水位維持在（0±20）mm。鍋爐連續(xù)排污和定期排污全部關(guān)閉72 h，因?yàn)檠a(bǔ)給水的水質(zhì)好且此階段凝汽器無(wú)泄漏現(xiàn)象，爐水中鈉和二氧化硅的質(zhì)量濃度上升不明顯。

　　利用鍋爐磷酸鹽加藥系統(tǒng)，向鍋爐加入鈉鹽和硅酸鹽以提高爐水中鈉和硅的質(zhì)量濃度，確定能維持蒸汽品質(zhì)合格的爐水中鹽的最大質(zhì)量濃度。爐水中鹽的質(zhì)量濃度（以二氧化硅計(jì)）與蒸汽中硅的質(zhì)量濃度如圖1所示。由圖1可見，蒸汽品質(zhì)隨爐水中鹽的質(zhì)量濃度的增大而不斷變差，爐水中硅的質(zhì)量濃度在250～350μg／L時(shí)，可以保證蒸汽品質(zhì)合格。

　　1．2　蒸汽的溶解攜帶

　　1．2．1　蒸汽硅酸鹽溶解攜帶

　　隨著壓力的增大，飽和蒸汽也象水那樣能溶解某些物質(zhì)。飽和蒸汽溶解物質(zhì)的能力可用分配因數(shù)來表示，在實(shí)際工作中，常用溶解攜帶因數(shù)來表示飽和蒸汽的溶解能力。

　　硅酸的溶解攜帶K_SiO2按下式計(jì)算：

　　從水解平衡式可知硅酸的攜帶因數(shù)隨爐水pH值的增大而減小。由于鍋爐的運(yùn)行參數(shù)不同，其溶解攜帶因數(shù)也不一樣，所以，通過熱化學(xué)試驗(yàn)可以測(cè)出對(duì)硅酸的溶解攜帶因數(shù)。

　　爐水的p H值在9．0～9．5之間，汽包壓力在16．0～18．4 MPa時(shí)，飽和蒸汽的硅質(zhì)量濃度與爐水的硅質(zhì)量濃度如圖2所示。利用回歸法計(jì)算圖2直線斜率，得K_SiO2＝8．7％。

　　1．2．2　蒸汽磷酸鹽溶解攜帶

　　磷酸鹽在蒸汽的溶解攜帶非常小，其汽水分配因數(shù)隨壓力變化而變化。2號(hào)鍋爐汽包運(yùn)行壓力在14．0～18．5 MPa，磷酸根的分配因數(shù)為0．2×10^－4～1×10^－4左右。由于蒸汽中磷酸根的質(zhì)量濃度非常低，因此采用濃縮方法測(cè)定，即先將飽和蒸汽的水樣濃縮后再檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)爐水中磷酸根的質(zhì)量濃度為0．5～3 mg／L時(shí)，飽和蒸汽的磷酸根質(zhì)量濃度約為4～20μg／L。

　　爐水進(jìn)行磷酸鹽處理的主要目的是將進(jìn)入爐水的鈣鎂離子形成水渣，利用鍋爐的排污使水渣排走。蒸汽總要按一定比例攜帶磷酸根，因此，在凝汽器不泄漏的情況下盡量少加磷酸鹽，以防止汽輪機(jī)結(jié)磷酸鹽垢。

　　2　鍋爐運(yùn)行工況對(duì)蒸汽品質(zhì)的影響的試驗(yàn)

　　2．1　鍋爐負(fù)荷及負(fù)荷變化速度對(duì)蒸汽品質(zhì)影響

　　汽包水位維持在（0±20）mm，鍋爐負(fù)荷按額定負(fù)荷的70％，80％，90％和100％4種情況變化，同時(shí)分別以30 t／min，60 t／min和90 t／min的速度改變鍋爐負(fù)荷。蒸汽品質(zhì)的變化如圖3所示。

　　鍋爐汽包壓力是隨機(jī)組負(fù)荷變化的，機(jī)組負(fù)荷為額定負(fù)荷的100％時(shí)，鍋爐汽包的壓力為18．44MPa；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為額定負(fù)荷的50％時(shí)，鍋爐汽包的壓力約為14．0 MPa。由于機(jī)組負(fù)荷低時(shí)汽包壓力也低，蒸汽的溶解攜帶少，在汽水分離效果相同的條件下，如果滿負(fù)荷時(shí)蒸汽品質(zhì)合格，則低負(fù)荷時(shí)也能合格，這與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

　　試驗(yàn)結(jié)果：機(jī)組負(fù)荷在額定負(fù)荷的70％～100％的范圍內(nèi)，穩(wěn)定在某個(gè)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)對(duì)蒸汽品質(zhì)無(wú)明顯影響，負(fù)荷變化速度在10 MW／min時(shí)對(duì)蒸汽品質(zhì)無(wú)明顯影響，負(fù)荷變化速度在30MW/ min時(shí)對(duì)蒸汽品質(zhì)有影響，飽和蒸汽的二氧化硅質(zhì)量濃度從13.4μg／L上升至14.35μg／L，鈉的質(zhì)量濃度從0．73μg／L上升至0．87μg／L，過熱蒸汽的二氧化硅質(zhì)量濃度從12．6μg／L上升至14．36μg／L，鈉的質(zhì)量濃度基本不變。

　　2．2 鍋爐汽包水位及汽包水位變化對(duì)蒸汽品質(zhì)的影響

　　在機(jī)組負(fù)荷維持300 MW左右，爐水采用磷酸鹽加藥處理，連續(xù)排污全部關(guān)閉的條件下，當(dāng)爐水中二氧化硅質(zhì)量濃度在250～360μg／L時(shí)，汽包水位及水位變化速度對(duì)蒸汽品質(zhì)的影響見圖4。

　　汽包水位在－75～＋100 mm范圍時(shí)，穩(wěn)定的水位對(duì)蒸汽品質(zhì)無(wú)明顯的影響。汽包水位的變化速度在30 mm／min以下時(shí)，對(duì)蒸汽品質(zhì)也無(wú)明顯的影響。

　　3　試驗(yàn)結(jié)果分析和結(jié)論

　　3．1　汽水分離效果

　　蒸汽的污染是由爐水水滴攜帶（機(jī)械攜帶）和爐水中的雜質(zhì)溶解在蒸汽中而造成的。為了減小機(jī)械攜帶所造成的蒸汽污染，本鍋爐的汽包內(nèi)設(shè)有旋風(fēng)分離器、波形板分離器和汽水清洗裝置等，當(dāng)汽水分離裝置有缺陷或者鍋爐運(yùn)行不正常時(shí)，機(jī)械攜帶就會(huì)增加。除此之外，影響汽水分離效果的主要因素有爐水濃度、汽包水位和鍋爐負(fù)荷。在汽包水位和爐水中鹽的質(zhì)量濃度過高時(shí)，汽包壓力的劇變（負(fù)荷的快速變動(dòng)）也容易使汽水分離效果變差，污染蒸汽。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，只要給水水質(zhì)合格，爐水的硅質(zhì)量濃度分別控制在300μg／L以下就能保證蒸汽的品質(zhì)合格。汽包水位在－75～＋100 mm，汽包水位的變化速度在30 mm／min以下，鍋爐負(fù)荷變化速度在90 t／min以下時(shí)，汽水分離效果良好。

　　3．2　鍋爐排污

    機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，爐水中硅和鈉的質(zhì)量濃度低于試驗(yàn)得出的允許值，說明平時(shí)鍋爐的排污過大，增加了汽水損失。在試驗(yàn)過程中，在連續(xù)排污門、定期排污門都關(guān)嚴(yán)的情況下，鍋爐爐水中硅和鈉的質(zhì)量濃度濃縮速度小。實(shí)際上，只要鍋爐給水的硅質(zhì)量濃度不大于20μg／L（絕大部分時(shí)間小于15μg／L），凝汽器不泄漏，即使鍋爐連排門全關(guān)，蒸汽品質(zhì)都能在長(zhǎng)時(shí)間保證合格。但為了降低爐水中鐵的質(zhì)量濃度和水冷壁的結(jié)垢速度，總排污率控制在0.3％～0.5％，定期排污周期控制為24 h。

　　3．3　爐水運(yùn)行控制指標(biāo)

　　a）當(dāng)爐水采用磷酸鹽處理時(shí)，鍋爐爐水允許的硅質(zhì)量濃度為300μg／L。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，爐水的硅質(zhì)量濃度控制在250μg／L以下。

　　b）汽包水位控制在－75～＋75 mm的范圍內(nèi)，汽包水位變化速度小于30 mm／min。

　　c）在負(fù)荷的穩(wěn)定或負(fù)荷以10 MW／min的速度變化的工況下，蒸汽品質(zhì)較穩(wěn)定，基本不受負(fù)荷的影響；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷以30 MW／min的速度變化時(shí)，蒸汽品質(zhì)有明顯變化，飽和蒸汽的鈉質(zhì)量濃度、硅質(zhì)量濃度有所上升，但仍在合格范圍內(nèi)。因此，機(jī)組負(fù)荷變化速度控制在小于30 MW／min的范圍內(nèi)。

　　d）在額定負(fù)荷下蒸汽大約按爐水濃度的0．01％攜帶磷酸根，為了防止過熱器和汽輪機(jī)結(jié)磷酸鹽垢，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，爐水中的磷酸根質(zhì)量濃度最好維持在低限。在凝汽器不泄漏的情況下，爐水中磷酸根的質(zhì)量濃度控制值為0．3～1 mg／L。