作者:Brad Buecker, 万搏manbext手机版ChemTreat和Ken Kuruc, Hach

随着燃煤发电的减少和可再生能源的兴起，两者之间的巨大桥梁已经并且将继续是简单的-特别是以天然气为主要燃料的联合循环发电。

对于现有的和计划中的联合循环发电厂来说，用最少的人员来运行是很常见的。对于这些电厂的燃气轮机部分，“精益和平均”操作可能令人满意。但经常被忽视的是，热回收蒸汽发生器(HRSGs)需要特别注意，以防止这些装置中的腐蚀和沉积，否则可能会影响装置的可用性，甚至在某些情况下可能威胁到员工的安全。本文重点介绍了工厂人员优化HRSG性能和可靠性所必需的关键在线水/蒸汽化学分析。

采样点和监测参数

在整个蒸汽发生网络中最重要的样本是:

• 彩妆护理系统
• 冷凝泵排量
• 给水或省煤器入口
• 锅炉水
• 饱和蒸汽
• 主蒸汽和再热蒸汽

彩妆护理系统

即使在最紧凑的蒸汽发生器中，也会有少量的工艺水/蒸汽不断泄漏。这些损失必须用高纯度的水来弥补。作为补给系统的核心过程，最常见的是反渗透(RO)，然后是混合床离子交换(MBIX)或电去离子(EDI)来“抛光”RO出水。RO装置通常包括许多仪器来监测系统性能，包括压力、温度、流量和特定电导率，这些是单独讨论的主题。下表概述了合成系统出水的三个推荐采样参数的推荐上限。

• 比电导率(sc):≤0.1µS/cm
• 二氧化硅:≤十亿分之十(ppb)
• 钠:≤2ppb

这些测量确保高纯度的水被分配到蒸汽发生器。任何数值的上升都表明MBIX树脂已经耗尽，或者EDI单元出现了问题。及时采取纠正措施是必要的。

(注:在本节和以下各节中，每个参数的正常上限或范围都包括在内。这些数据和许多其他细节可以在电力研究所(EPRI)发表的文件中找到。然而，这些文件通常只提供给EPRI成员。国际水和蒸汽特性协会(IAPWS)提供了类似的技术文件，尽管信息更浓缩，但可以从他们的网站上下载。www.iapws.org。)

冷凝泵流量(CPD)

在蒸汽发电机组中，潜在污染物进入的主要位置是冷凝器，特别是水冷式冷凝器，其中管道泄漏使冷却水渗入高纯度冷凝水。冷却水泄漏会给蒸汽发生器带来各种杂质，当这些杂质在锅炉(HRSGs的通称是蒸发器)的恶劣环境中受到影响时，会导致严重的问题。

建议的持续持续专业发展分析如下:

• 阳离子电导率(CACE):≤0.2µS/cm
• s.c.:与pH值一致
• 钠:≤2ppb
• 溶解氧:≤20ppb
• pH: 9.6 ~ 10.0(这是最常见的三压前馈低压型HRSG设计的pH范围。其他HRSG设计的范围可能略有不同。)

钠离子监测是检测凝汽器管泄漏的有效手段。使用紧凑的冷凝器，冷凝液中的钠含量通常很低(< 2ppb)，在许多情况下低于1ppb。钠的升高是冷凝器管泄漏的最早迹象。

阳离子电导率已被一些研究机构重新命名为“阳离子交换后的电导率(CACE)”，以表示样品通过阳离子交换柱以氢离子代替阳离子，例如铵、钠、钙等。这产生了一种非常稀的酸溶液，主要是微量的氯化物和硫酸盐离子，然后测量其电导率。与钠一样，CACE升高表明有杂质渗漏。CACE可能受到二氧化碳侵入的影响，通常来自冷凝器中空气泄漏的增加。因此，脱气CACE越来越受欢迎，它利用再沸器或氮气喷射室去除高达90%左右的CO₂。

溶解氧分析是监测冷凝器空气泄漏的重要手段。溶解氧的突然增加可能表明冷凝器或冷凝器附近出现机械故障，从而使过量的空气进入系统。

关于电导率和pH值，氨(有时是胺或氨/胺混合物)是冷凝水/给水的pH调理剂。然而，直接测量高纯水的pH值可能很棘手，并且已经开发出基于sc和CACE测量来计算pH值的算法，以提供更准确的结果。高纯水中的S.C.与氨浓度直接相关，因此S.C.测量比pH值更好地控制氨饲料。

总有机碳(total organic carbon, TOC)是一个通常不会连续监测，但可能具有一定重要性的参数。对于公用事业蒸汽发生器，CPD中建议的TOC限值为100 ppb。

低压省煤器入口/锅炉给水泵排出量

关于HRSG给水系统化学控制的主要问题是最小化流动加速腐蚀，这是作者在前面讨论过的电力工程篇文章。[1]

给水化学的推荐参数如下:

• CACE:≤0.2µS/cm
• sc:与pH值一致
• 钠:≤2ppb
• 溶解氧(范围):5至10 ppb(除非给水系统含有铜合金，这在HRSG冷凝水/给水系统中几乎不存在)
• pH: 9.6 ~ 10.0(这是最常见的三压前馈低压型HRSG设计的pH范围。其他HRSG设计的范围可能略有不同。)
• 铁:≤2ppb

对CACE、sc、pH和钠的讨论反映了对冷凝泵排放的讨论。测量可以提供有价值的冗余，以确定潜在的扰动是由于实际问题还是由于仪器错误。

请注意，铁元素也包含在这个列表中。铁监测提供了FAC(或希望没有FAC)的直接测量和给水化学程序的相应有效性。通常，FAC产生的90%或更多的铁腐蚀产物本质上是颗粒。有几种监测碳钢腐蚀的方法，包括:

• 连续颗粒物监测
• 腐蚀产物取样
• 抓取样本分析

对于后者，改进的抓取取样技术是可用的，其中，通过适当的样品处理，铁测量低至1 ppb是可能的。这种方法可以提供近乎实时的腐蚀速率数据，尽管是基于快照。

图1所示。铁消解单元/分光光度计抓样。照片由哈奇提供。

将简单的比色全铁实验室分析与灵敏的激光浊度分析仪相结合，也可以提供一种成本效益高、定量、实时的腐蚀监测方法。

图2所示。安装在水/蒸汽样品板上的浊度计。图片由哈奇提供。

当适当校准时，仪器提供的浊度测量单位可以与总铁浓度值相关联。给水中铁的浓度是钢腐蚀的直接指标。然而，根据工艺中使用的给水化学，可能存在几种物质中的任何一种。这些包括铁_3.O₄(磁铁矿，灰黑色)，α-铁(III)氧化物(赤铁矿，红色)，通常还有少量的溶解铁。这些物种中的每一种对可见光产生不同的浊度响应。黑磁铁矿比红赤铁矿吸收更多的光，反射更少的光。溶解的铁不产生任何浊度反应。腐蚀产物的直径从亚微米到10 μm不等，平均直径为1 μm。由于浊度计对不同粒径的颗粒响应不同，因此这个粒径范围对颗粒监测提出了另一个挑战。

这些变量使得不可能创建用于腐蚀产物定量的通用浊度校准。适用于具有特定腐蚀特性的特定样品位置的校准对于具有不同参数的不同应用并不准确。因此，通过浊度法定量总铁必须通过特定地点的校准来完成。

蒸发器(锅炉)水

蒸发器水样是至关重要的几个原因。首先，不良的化学控制和/或不良的监测可能会导致不可接受的过量杂质携带到蒸汽中。其次，大多数HRSGs都是多压力单元，其中每个回路中的化学成分与其他回路不同。全面的监测是必要的，以确保适当的化学整个蒸汽发生器。第三，最高的热通量发生在蒸发器内，特别是高温蒸发器内。这些电路中的高温高压放大了杂质进入或不良化学反应的影响。想想氢气损坏的经典问题吧，这个问题已经困扰高压装置几十年了。

在这一机制中，在冷却泄漏过程中进入的最严重的腐蚀剂氯化物可以集中在水冷壁管沉积物下并产生酸。下面的等式概述了一种常见的机制:

酸的产生本身就有问题，但非常小的氢原子会穿透钢基体，然后与钢中的碳发生反应。

大量甲烷分子的形成会导致裂缝，从而导致故障，而金属损失很少。

图3所示。氢损伤。注意厚唇失败，显示很少金属损失。

作者Brad Buecker曾直接观察到1,250 psig传统蒸汽发生器严重氢气损坏的后遗症，其中广泛的腐蚀需要完全更换水冷壁管。氢损害仍然是现代蒸汽发生器的主要腐蚀机制之一，这就是为什么，如下表所示，如果锅炉水pH值低于8.0，则需要立即关闭机组。

推荐的锅炉水分析包括:

• pH值(<8.0，立即关闭锅炉)
• CACE
• 特定的电导率
• 氯
• 硅
• 磷酸盐(用于进行磷酸盐处理的单位)
• 铁:<5 ppb

读者会注意到，除了ph值的“下降”下限外，大多数参数都没有直接限制。这是因为限制或控制范围是根据锅炉压力而变化的。EPRI和IAPWS指南提供了如何计算任何系统的适当范围的详细信息，其中可能需要根据运行数据进行一些调整。

关于磷酸盐的评论是必要的。几十年来，磷酸三钠(Na_3.阿宝₄)已成为许多汽包机组的核心锅炉水处理化学品。然而，控制磷酸盐浓度是困难的，因为化合物的反溶解度，即“隐藏”，高于300°F。一些工厂的工作人员，特别是电力行业的工作人员，已经改用苛性碱(氢氧化钠)进料来消除磷酸盐的隐藏，但这些程序需要非常小心，以防止苛性碱凿穿水壁管。为了避免这些问题，在机组设计中包含冷凝水抛光器，可以消除锅炉水处理程序中的磷酸盐或苛性碱。

蒸汽

蒸汽纯度测量非常重要，很大程度上是因为涡轮机是整个系统中加工最精密、最昂贵的设备。污染物沉积在涡轮叶片上可能导致腐蚀和可能的叶片故障，这代表了涡轮以数千转/分钟的速度旋转时潜在的灾难性情况。岩心监测参数包括:

• CACE:≤0.2µS/cm
• 钠:≤2ppb
• 二氧化硅:≤10ppb

钠提供了盐或氢氧化钠随蒸汽携带的直接指示。盐会沉淀在低压涡轮的最后几排，在那里它们会导致点蚀和随后的应力腐蚀开裂(SCC)以及涡轮叶片和转子的腐蚀疲劳(CF)。氢氧化钠的残留是一个非常严重的问题，因为苛性碱可以迅速引起涡轮部件的SCC。

CACE提供了氯化物和硫酸盐携带量的间接测量，≤0.2µS/cm的值一直是涡轮机制造商的长期指导方针。然而，对于氯化物和硫酸盐，CACE的准确性值得怀疑。现在有可靠的仪器来监测这两种杂质的痕量水平。目前氯化物和硫酸盐的推荐限量是2 ppb，但在一个运作良好的装置中，它们可以而且应该低得多。

人们早就知道蒸汽中的二氧化硅会沉淀在涡轮叶片上。虽然这种化合物没有腐蚀性，但它会影响涡轮的空气动力学并降低效率。因此，10 ppb以上的建议限值。

在发电机组中有几个蒸汽采样点。这些包括饱和蒸汽、主蒸汽和再热蒸汽样品。主蒸汽和再热蒸汽是最重要的，因为它们提供了直接进入涡轮机的杂质的数据，这些杂质也可能来自被污染的降温水。在连续的基础上，对饱和蒸汽的分析不太重要，但定期检查蒸汽鼓的机械携带问题是有价值的，常见的原因是鼓中的水分分离器损坏或失效。钠监测是最好的评估方法。

免责声明:这个讨论代表了经过多年研究和实践经验发展起来的良好工程实践。然而，工厂所有者有责任在咨询行业专家的基础上开发可靠的监测系统。许多额外的细节涉及到水/蒸汽化学取样系统的设计和后续操作。

参考文献

1. Buecker, B.， Kuruc, K.和L. Johnson，“蒸汽生成化学控制中铁监测的整体效益”;电力工程2019年1月。
2. Kuruc, K.和L. Johnson，“监测流动加速腐蚀的新发现”;35人会议录^th年度电力公用事业化学研讨会，2015年6月2-4日，伊利诺斯州香槟。
3. B. Buecker，“凝汽器化学和性能监测:可靠蒸汽装置运行的关键必要条件”;六十人会议录^th年度国际水会议，1999年10月18-20日，宾夕法尼亚州匹兹堡。
4. B. Buecker，“汽轮机化学监测的进展”;电力工程2018年3月。

作者简介:Brad Buecker是ChemTreat的高级技术公关。万搏manbext手机版他在电力行业或与电力行业有35年的经验，其中大部分是在蒸汽发生化学，水处理，空气质量控制，以及在City water, Light & power(伊利诺伊州斯普林菲尔德)和Kansas City power & Light Company的La Cygne, Kansas站的结果工程职位。他还在一家化工厂担任了两年的代理水/废水主管。Buecker拥有爱荷华州立大学的化学学士学位，并在流体力学，能源和材料平衡以及高级无机化学方面进行了额外的课程学习。他是美国化学学会、美国化学工程师学会、美国机械工程师学会、钢铁技术协会、冷却技术研究所(通过公司会员资格)、全国腐蚀工程师协会、电力公用事业化学车间规划委员会、epri赞助的发电厂与环境化学委员会以及Power- gen国际规划委员会的成员。Buecker撰写了许多关于发电厂的文章和三本书籍水/蒸汽化学主题。你可以在……找到他bradley.buecker@万搏manbext手机版chemtreat.com。

肯Kuruc是哈希公司化石能源行业客户经理。他在电力行业有25年的工作经验，主要是围绕蒸汽循环。他早年的工作重点是用于腐蚀监测的溶解气体，作为Orbisphere的一部分，后来被整合到Hach中。库鲁克拥有约翰卡罗尔大学(University Heights, OH)的化学学士学位，并在美国各地的电力会议上就这一主题与其他人发表过演讲kkuruc@hach.com。

本文最初发表于电力工程杂志，并已获许可转载。点击这里在上面读电力工程的网站。

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