600 MW亞臨界機組鍋爐氧化皮產(chǎn)生的原因及預防

姜在原，何曙勇

（浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波315612）

600 MW亞臨界機組鍋爐氧化皮產(chǎn)生的原因及預防

姜在原，何曙勇

（浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波315612）

介紹鍋爐氧化皮的形成機理，分析600 MW亞臨界機組鍋爐氧化皮形成的原因，提出去除已有脫落氧化皮的方法。同時，對鍋爐的啟動、運行、停運各階段運行參數(shù)提出相應建議，以減少氧化皮的形成和脫落。

600 MW；亞臨界；鍋爐；氧化皮；脫落；超溫

0 引言

浙江國華浙能發(fā)電有限公司2號鍋爐在某次C級檢修中，經(jīng)射線檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐后屏過熱器管有氧化皮剝落阻塞現(xiàn)象，割管檢查共85根管（87只彎頭）氧化皮超過流通面積20%以上，有的超過流通面積60%以上，其中2只彎頭為T91材質(zhì)、5只彎頭為TP347材質(zhì)、其余80只彎頭為12Cr1MoVG材質(zhì)。對氧化皮進行測試分析，認為管道的材質(zhì)、力學性能、金相組織符合要求，氧化皮為典型的Fe2O3結(jié)構氧化物，如圖1所示。

圖1 后屏過熱器管內(nèi)氧化皮

鍋爐過熱器﹑再熱器﹑主蒸汽管道及再熱蒸汽管道內(nèi)剝落下來的氧化皮，是堅硬的固體顆粒，會嚴重損傷汽輪機通流部分高/中壓級的噴嘴﹑動葉片及主汽閥﹑旁路閥等，導致汽輪機通流部分效率降低，損傷嚴重時甚至需要更換葉片。氧化皮堵塞管道，引起相應的受熱面管壁金屬超溫，甚至爆管導致機組停機。

2號鍋爐如此多的氧化皮剝落阻塞管道嚴重影響機組的安全運行，有必要對其形成的原因進行分析，并提出切實有效的防范措施。

1 鍋爐概況

2號鍋爐由上海鍋爐廠制造，型號SG-2028/ 17.5-M907，為亞臨界壓力一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐。鍋爐采用擺動式燃燒器調(diào)溫，四角布置、切向燃燒，正壓直吹式制粉系統(tǒng)、單爐膛、∏型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架結(jié)構、平衡通風。爐膛寬19 558 mm，深17 448.5 mm，高64 987 mm。

爐膛由1126根Φ51 mm×6 mm膜式水冷壁組成，爐膛上部布置分隔屏、后屏及屏式再熱器。前墻及兩側(cè)墻前部均設有墻式輻射再熱器，爐膛下水包標高7 760 mm。水平煙道深度8 548 mm，由水冷壁延伸部分和后煙井包覆延伸部分組成，內(nèi)部布置有末級再熱器和末級過熱器。

2005年12月23日正式投入商業(yè)運營,投產(chǎn)前鍋爐進行過EDTA清洗。截至此次C級檢修，鍋爐啟停共30次，運行時間46 340 h，經(jīng)過大修1次，小修3次，臨修1次，其中第1次大修：2008年3月10日—2008年4月25日。

2 氧化皮形成的過程

2.1 蒸汽氧化機理

在機組熱力系統(tǒng)的溫度范圍內(nèi)，鐵/水（汽）/O2體系的氧化反應依據(jù)溫度區(qū)間和作用機理的不同，可分為電化學反應和化學反應兩個反應區(qū)。

在低溫區(qū)（50～350℃）為電化學反應區(qū)，碳鋼（鐵）和水之間的基本化學反應是溶解的鐵經(jīng)過氧化還原過程、縮合過程（Schlkorr反應），最后生成熱力學上穩(wěn)定的Fe3O4。水本身的氧化性不足，水與金屬通過電化學反應形成雙層Fe3O4膜，包括致密的內(nèi)生氧化膜和疏松的外延膜。

在400℃以上進入化學反應區(qū)，隨著溫度的升高，鐵和水分子的離子化傾向增加，高溫氧化的化學反應速度加快。Fe3O4層呈微孔狀（1%～15%孔隙），由于不斷向金屬表面均勻地供氧，通過微孔擴散進行遷移的Fe2+在孔內(nèi)或在氧化膜表層發(fā)生氧化，生成Fe2O3或水合三氧化二鐵（FeOOH將陳化形成α－Fe2O3），沉積在Fe3O4層的微孔或顆粒的空隙中，封閉了Fe3O4化膜的孔口，從而降低了Fe2+擴散和氧化的速度，其結(jié)果是在鋼表面生成了致密穩(wěn)定的“雙層保護膜”，通常高溫段氧化膜俗稱為“氧化皮”。

2.2 氧化皮的脫落

管壁母材與氧化皮的膨脹系數(shù)不一樣，在管壁溫度突變的情況下，會造成氧化皮與母材之間產(chǎn)生較大熱應力，當熱應力超過氧化皮的抗拉/抗壓強度時就會破裂，形成微小空洞。隨著損傷的進一步加劇，氧化皮與母材之間的空洞面積不斷擴大，進而導致局部剝離翹起，但仍附著在管壁內(nèi)部。

汽溫和煙溫突變均可能造成氧化皮局部剝離。當管道內(nèi)壁的蒸汽溫度突變時，內(nèi)壁表層氧化皮的溫度突變，而母體的溫度還來不及發(fā)生變化，這是對內(nèi)壁損傷最嚴重的情況，也是氧化皮局部剝離最主要的原因。當氧化皮剝離后，內(nèi)壁暴露出未被氧化的金屬母材又開始新的氧化腐蝕循環(huán)過程。

面積較大、厚度較大和剝離較多的氧化皮在蒸汽沖刷或小的應力作用下即可整體剝落，但剝落速度較為緩慢。當管壁承受較大溫度突變時，附著牢固的氧化皮也會整體剝落，在短時間內(nèi)造成大量剝落的現(xiàn)象。氧化皮是在平穩(wěn)條件下逐步剝落，還是集中大量剝落，取決于所受的沖擊程度。

3 2號鍋爐氧化皮產(chǎn)生原因分析

3.1 運行時間已達氧化皮脫落條件

根據(jù)設計資料可知，后屏材料以12CrMoV為主，后屏出口溫度為540℃左右的鍋爐可能會在運行3萬h后首次出現(xiàn)氧化皮脫落，該鍋爐自2005年12月正式投運以來運行小時已達46 340 h，運行時間已達氧化皮脫落條件。

3.2 鍋爐結(jié)構可能促使氧化皮生成

后屏過熱器位于爐膛折焰角上部，管內(nèi)流動的為高溫蒸汽，其傳熱性能差，而且過熱器和再熱器又位于高溫煙氣區(qū)，所以管壁溫度較高。后屏過熱器受熱面面積2 349 m2，布置在分隔屏之后，共25片，每片由20根并聯(lián)管套組成，最外圈管子外徑Φ60 mm，其余內(nèi)圈均為Φ54 mm，橫向節(jié)距762 mm，材料除最外圈底部及最內(nèi)圈繞管底部用不銹鋼SA213－TP347H外，其余為12Cr1MoV，SA213－T91合金鋼。

屏式過熱器特點：

（1）屏式過熱器吸收了部分爐內(nèi)輻射熱。

（2）流經(jīng)管屏的煙氣流速達5～10 m/s，管屏吸收了相當部分的對流換熱量。

（3）屏式過熱器中緊密排列的各U型管受到的輻射熱及所接觸的煙氣溫度有明顯差別，并且內(nèi)外管圈長度不同會導致蒸汽流量的差別，平行工作的各U型管的吸熱偏差較大，有時管與管之間的壁溫差可達80～90℃。

因此，后屏受熱面運行工況在低負荷時比較惡劣，一方面蒸汽流量較低，另一方面輻射吸熱量較大，個別管壁溫易超溫。高負荷時主要集中在屏式再熱器，低負荷時主要在后屏過熱器。后屏平時溫度就較高，離超溫的裕度很小，每次變負荷就需要及時調(diào)整燃燒方式，有時爐膛燒偏，管壁就會超溫，容易超溫的后屏管壁點有：后屏過熱器第8排第14，15，16，19號管壁溫，后屏過熱器第18排第14，15，19號管壁溫。

3.3 與機組啟停次數(shù)有關

該機組為首臺投運機組，據(jù)統(tǒng)計機組啟停19次，鍋爐的啟停達30次，平均每年有近5次的鍋爐啟停，每次啟動過程中也會多次點火，頻繁啟停對后屏過熱器的管材壽命影響較大。

3.4 與使用等離子點火有關

鍋爐采用底層磨等離子點火方式，由于此方式對煤粉濃度有要求，磨煤機投入后需帶不小于16 t/h的煤量，由于煤粉燃燒后產(chǎn)生的熱量比使用油槍大許多，并且燃燒較不穩(wěn)定，導致壁溫汽溫變化波動比較大。

3.5 與機組滑停主汽溫控制參數(shù)有關

機組停運時一般為滿足檢修后盡早開工條件，采用滑參數(shù)停機方式，要求汽輪機缸溫350℃以下，鍋爐主汽溫一般控制在350℃～380℃，對運行汽溫調(diào)整壓力較大，且在大小修過程中需燒空煤倉，有較多的不可控因素，蒸汽量較小，需頻繁調(diào)整過熱器一級減溫水量，減溫水使用量比較大，導致屏式過熱器壁溫頻繁交變。統(tǒng)計最近幾次停機減溫水使用量及管壁溫度降溫速率，如表1所示。

3.6 水壓試驗后鍋爐啟動過熱器存水沸騰

鍋爐經(jīng)水壓試驗后分隔屏過熱器、后屏過熱器及末級過熱器因無疏水閥而存有大量冷水，在鍋爐啟動點火后，存水水塞過熱器管，流量不均且受熱沸騰對管道內(nèi)壁形成較大擾動，此過程中也會引起氧化皮脫落。

4 去除已有脫落氧化皮的方法

4.1 氧化皮機械清理

將射線檢查流通面積超過20%（含20%）的彎管進行切割，用機械方法清理干凈氧化皮，外觀檢查無異常，通球試驗合格后重新焊接恢復，最后焊口射線檢驗。

4.2 啟動機組時對管道進行沖洗

（1）利用過熱蒸汽管的安全門、空氣門及過熱器電磁泄放閥（PCV）對過熱器管道進行沖管。

（2）利用汽輪機高、低壓旁路對過熱器和再熱器進行大流量沖洗。

（3）視后屏過熱器管壁溫情況，在機組并網(wǎng)后采用快速升降負荷變壓沖洗，低汽壓大流量定壓沖洗。

此次在啟動中安排了后屏大流量沖洗，沖洗采用蓄能降壓法，低旁保持全開，沖管時迅速開啟高旁至100%，沖洗90 s。沖洗結(jié)果如表2所示。以凝結(jié)水鐵離子濃度作為判斷標準，共進行了8次正式?jīng)_洗，從并網(wǎng)后的運行來看，達到了較好的沖洗效果。

表1 近期4次機組滑停減溫水使用及壁溫變化情況

表2 管道沖洗后水質(zhì)分析

5 受熱面安全措施

5.1 鍋爐啟動階段

鍋爐啟動過程中應做到以下幾點：

（1）常規(guī)油槍暖爐，提高給水溫度。

（2）機組10%負荷以下禁止投運一、二級減溫水。

（3）鍋爐啟動階段嚴格控制參數(shù)：最大爐水飽和溫升≯1．5℃/min，最大汽溫升≯1．5℃/min，各蒸汽受熱面的最大壁溫升≯3℃/min。

5.2 鍋爐運行階段

鍋爐運行階段中應做到以下幾點：

（1）鍋爐運行中應加強汽溫和受熱面管壁溫度監(jiān)視和控制，嚴禁蒸汽或管壁溫度超限運行。

（2）機組負荷變化較大時（特別在啟停磨時），應注意汽溫自動的調(diào)節(jié)情況，如果溫度變化率大于5℃/min，應及時進行手動干預，適當降低加減負荷的速度或者提前調(diào)整減溫水進行預控制，同時監(jiān)視過熱器、再熱器管壁溫度的變化，防止發(fā)生蒸汽和管壁超溫。

（3）手動調(diào)節(jié)噴水減溫時，注意監(jiān)視減溫器出口溫度，保證減溫器出口溫度有一定的過熱度，避免濕蒸汽和水霧直接進入管屏，導致管壁氧化皮層的破損甚至剝落。

（4）機組低負荷滑壓運行時，應注意汽溫狀況、蒸汽受熱面壁溫狀況、減溫水用量和余量等，尤其要注意監(jiān)視分隔屏和后屏過熱器的壁溫情況。

（5）做好正常運行中的化學監(jiān)督工作，確保汽水品質(zhì)正常。

（6）認真做好蒸汽和管壁超溫數(shù)據(jù)的臺帳記錄工作，為檢修期間的割管取樣提供依據(jù)。

（7）熱工專業(yè)應加強有關測點的維護工作，確保顯示正確。

5.3 鍋爐停運階段

鍋爐停運時應做到以下幾點：

（1）機組的停運控制最大飽和溫降≯1．5℃/min，最大汽溫降≯1．5℃/min，各過熱器、再熱器管壁溫度的最大變化速率≯3℃/min。

（2）在停爐前，不應通過降低蒸汽溫度的方法冷卻汽輪機，如確實需要，應在檢修中安排各受熱面射線檢測及割管清理氧化皮工期。

（3）停爐前主蒸汽溫度不低于400℃。

（4）嚴禁鍋爐強制通風冷卻，若檢修需要須由總工批準，并保證悶爐時間不小于18 h且控制冷卻風量不大于25%。

（5）每次停爐后檢修，跟蹤檢查后屏過熱器等部位。

6 結(jié)語

氧化皮問題常見于大型鍋爐，長周期運行后的亞臨界機組尤其應逐步關注氧化皮的發(fā)展程度和附著狀態(tài)。建議采用正確的鍋爐啟動、運行、停運技術，防止氧化皮的產(chǎn)生和脫落。運行中要加強爐管溫度監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常溫度情況及時進行分析，嚴格控制運行中的超溫現(xiàn)象，加強檢驗和監(jiān)督，定期開展狀態(tài)評估和壽命評估工作。

[1]李英，高增，侯君明．超臨界鍋爐過熱器氧化皮形成和剝落機理分析及預防措施[J]．熱力發(fā)電，2007（11）∶77－80．

[2]黃偉，李友慶，熊蔚立．600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器氧化皮脫落爆管原因分析及對策[J]．電站系統(tǒng)工程，2008，24（7）∶32－34．

（本文編輯：陸瑩）

Causes of Oxide Scale of Boilers of 600 MW Subcritical Units and the Prevention

JIANG Zai-yuan，HE Shu-yong
（Zhejiang Guohua Zheneng Power Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315612，China）

The paper analyzes formation mechanism of oxide scale of the boiler and the causes of oxide scale of 600 MW subcritical units，and puts fornard the methods to remove the shedding oxide scale.It brings forward technical proposals on startup,operation and shutdown of the boiler for the purpose of reducing oxide formation and abscission.

600 MW；subcritical；boiler；oxide scale；abscission；over-temperature

TK227

：B

：1007-1881（2013）05-0049-04

2012-10-18

姜在原（1984-），男，江蘇連云港人，助理工程師，從事火力發(fā)電廠集控運行工作。