1 000 MW超超臨界鍋爐高溫腐蝕原因分析及防治對策

陳 杰，姜 波，丁 楊

（1.華電國際鄒縣發(fā)電廠，山東 濟寧 273522；

2.山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；3.華能沾化熱電有限公司，山東 濱州 256800）

0 引言

電站鍋爐水冷壁區(qū)域高溫腐蝕是燃煤發(fā)電廠普遍存在的問題，也是影響電力安全生產的主要因素之一［1］。高溫腐蝕即金屬高溫受熱面在高溫煙氣環(huán)境下在管壁溫度較高處所發(fā)生的煙氣側金屬腐蝕，腐蝕可使水冷壁壁厚減薄，強度降低，容易造成爆管、泄漏等事故，導致機組發(fā)生非計劃停運，嚴重影響火電機組運行的安全性、經濟性以及整個電網的安全生產和調度［2-3］。

1 設備概述

鄒縣電廠8號機組于2007年6月投產，鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限公司、BHK、BHDB制造的DG3000/26.15型，額定蒸發(fā)量時鍋爐主要參數(shù)：蒸發(fā)量為2 888.5 t/h，過熱器出口蒸汽壓力為26.11 MPa（a），過熱器出口蒸汽溫度為605℃，省煤器進口給水溫度為298.5℃。采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、運轉層以上露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構∏型。

制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，配6臺BBD-4360型雙進雙出鋼球磨；燃燒器為低NOx旋流式HTNR3煤粉燃燒器，分上下3層，共48只，前后墻對沖布置；配風采用有內分隔倉的大二次風箱，并設有燃盡風。設計煤種為兗礦煤和濟北煤礦的混煤，設計煤種的收到基硫Star不大于0.6%。

水冷壁分為上下兩部分，下部水冷壁（包括冷灰斗水冷壁、中部水冷壁）采用螺旋盤繞膜式管圈，上部水冷壁為垂直管段，水冷壁各部位的設計管材見表1。

表1 水冷壁各部位的設計管材

爐膛下部水冷壁形式 垂直上升膜式管屏前墻536根、側墻2×244根、凝渣管66根、后墻折焰角及水平煙道底部共534根、水平煙道側墻前 2×43根材質 SA-335P12管子根數(shù)

2012年2月機組檢修時發(fā)現(xiàn)兩側墻水冷壁標高18.8～45 m存在較嚴重的高溫腐蝕現(xiàn)象，其中，側墻水冷壁的高溫腐蝕情況如圖1所示，經測厚檢查共有109根水冷壁管減薄超標，部分水冷壁的檢查情況見表2。檢修中將所有的超標管段更換（規(guī)格：Φ38.1 mm×7.5 mm；材質為 SA-213T2），并對兩側墻水冷壁標高30.4～45 m區(qū)域以中間吹灰孔為中心兩側各3.5 m進行耐磨防腐蝕噴涂，總計面積約204.4 m2。經分析，水冷壁垢中含有大量Fe3O4和少量的FeO及Fe2O3，腐蝕產物中的含硫量較高。

圖1 側墻水冷壁高溫腐蝕圖

表2 部分水冷壁檢查情況

2 水冷壁高溫腐蝕原理及過程

高溫腐蝕是一個復雜的物理化學過程，雖然目前還不能解釋得十分確切，但一般認為主要與爐膛火焰溫度、燃煤含硫量、煙氣與灰顆粒的沖蝕有關［4］。其中，硫化物是鍋爐高溫腐蝕的主要因素。從8號爐水冷壁腐蝕情況看，主要是硫化物型高溫腐蝕。

硫化物型高溫腐蝕主要發(fā)生在管壁附近呈還原性氣氛和有H2S存在的條件下，其反應過程如下。

1）黃鐵礦粉末隨高溫煙氣流到管壁，在還原性氣氛下受熱分解釋放出硫化亞鐵和自由原子硫：

當管壁附近有一定濃度的H2S和SO2時也可能生成自由原子硫：

在還原性氣氛下，由于缺氧，自由原子硫可單獨存在。當管壁溫度達到350℃以上時，自由原子硫與鐵反應生成硫化亞鐵，管壁受到腐蝕，其反應式為：

當爐內燃燒不良，造成局部供氧不足時將產生較多的H2S氣體。H2S氣體會加快硫化物型高溫腐蝕，與磁性氧化鐵中復合的氧化亞鐵反應生成硫化亞鐵，直接腐蝕金屬管壁，其反應式為：

3 水冷壁腐蝕的原因分析

根據(jù)鄒縣發(fā)電廠8號機組水冷壁發(fā)生高溫腐蝕，結合國內外相關研究［1，5，6］綜合分析。

3.1 燃料性質的變化

自投產之后，該爐燃用的煤種除了設計煤種，還經常燃用高硫分的汽車煤，個別煤種的含硫量常常大于2%，甚至達到3%。該煤種發(fā)熱量高，易著火，燃燒劇烈，造成了爐膛燃燒區(qū)域溫度偏高，燃燒中心溫度在1 700℃以上，而燃用設計煤種時，爐膛中心溫度則在1 500℃左右。有關資料顯示，管壁溫度在300～500℃范圍內，每升高50℃，管壁腐蝕增加一倍。因此，腐蝕速度明顯加快。

3.2 爐膛缺氧燃燒

由于空預器腐蝕堵灰、漏風嚴重等原因，鍋爐在相應負荷下，氧量指示很小，嚴重偏離規(guī)定值，在此情況下，煤粉不完全燃燒加劇，爐膛還原性氣氛濃厚，結焦加劇，可燃硫以及硫化氫等氣體含量增高，硫的完全燃燒發(fā)生困難，因而硫或硫化氫產生的游離硫與金屬產生劇烈的反應，從而引起管子腐蝕。

此外，小指標考核對氧量影響也比較大。風機電耗、制粉單耗控制較嚴，運行人員人為降低輔機電耗，往往采用減少送風量的辦法，使鍋爐運行缺氧燃燒。

3.3 爐膛火焰偏斜

8號爐自投產以來，燃燒優(yōu)化和空氣動力場一直沒有得到很好的調整和實驗，造成爐內燃燒不均勻，火焰偏斜，屏過兩側汽溫偏差大，整個火焰中心偏右側，造成右側管壁溫度處于高限附近。長期運行下來，燃燒工況惡化，容易引起超溫，加劇腐蝕。

3.4 一、二次風影響

由于風門的調節(jié)特性差、傳動機構動作不夠線性、風門開度不均勻、卡澀等不利因素的存在，使得一、二次風分配不均勻，爐內燃燒不均勻，進而在煤粉濃度高的部位可能出現(xiàn)缺氧、噴嘴周圍結焦變形，造成爐內燃燒工況惡化、汽溫或者壁溫超限，從而加快腐蝕。

4 防止水冷壁高溫腐蝕的運行措施

原則上摻燒兗礦火車煤，確保摻燒后的平均入爐煤Sar.zs≯0.2%，確保上層制粉系統(tǒng)對應煤倉入爐煤硫含量Sar.zs≯0.3%。

鍋爐正常運行中，嚴格控制氧量在規(guī)定范圍內，嚴禁鍋爐采用低氧燃燒方式。嚴格控制好一、二次風配比，保持配風比率、風速、風溫符合規(guī)定，控制燃盡風開度不高于40%，盡量提高燃燒器區(qū)域氧量。氧量與負荷的對應關系按表3控制。

表3 氧量與負荷的對應關系

投入運行的制粉系統(tǒng)各自動控制，注意檢查火焰監(jiān)測器、燃燒器套筒擋板、磨煤機一次風關斷擋板、分離器出口擋板的運行狀態(tài)，就地檢查各燃燒器、二次風箱、風門運行情況，發(fā)現(xiàn)問題及時聯(lián)系處理。正常運行時，及時檢查爐內燃燒工況，保持爐內燃燒穩(wěn)定，火焰應呈光亮的金黃色，不偏斜，不刷墻，具有良好的火焰充滿度。

鍋爐正常運行，將爐膛負壓、風量投入自動控制，爐膛負壓維持 -100 Pa左右，嚴禁鍋爐正壓運行，防止火焰貼壁燃燒。 爐膛各人孔門、觀察孔應關閉嚴密，發(fā)現(xiàn)爐膛及尾部煙道漏風，及時聯(lián)系封堵，防止因鍋爐漏風，影響燃燒器區(qū)域的氧量水平。

正常運行中，將螺旋水冷壁、上部水冷壁溫度做好曲線，實時監(jiān)視壁溫變化趨勢，壁溫高時，及時調整，防止出現(xiàn)壁溫超限，兩側壁溫偏差大時，及時查明原因，調整兩側壁溫基本一致。

機組在正常運行中，盡量增大下層磨出力，減小上層磨出力，降低火焰中心，降低高溫腐蝕區(qū)域溫度水平。增帶負荷時，應先增風、后加煤，減負荷時，先減煤、后減風，根據(jù)運行磨煤機出力情況，及時啟動備用磨煤機，防止爐膛局部區(qū)域熱負荷過度集中。

5 結語

針對1 000 MW超超臨界鍋爐發(fā)生水冷壁高溫腐蝕問題，根據(jù)事故現(xiàn)場及運行數(shù)據(jù)分析發(fā)生腐蝕的主要原因，從運行調整方面提出了改進建議及具體措施。