淺談600MW等級鍋爐氧化皮堵塞末級過熱器管的處理技巧

張小平 朱朝剛 丁吉偉

【摘 ?要】公司建有三臺650MW—HG-1950/25.4-YM1型鍋爐，末級過熱器位于折焰角上方，沿爐寬方向排列共30片管屏，入口段的管子φ44.5×8.5，材質(zhì)為SA-213 T91，底部彎頭及出口段的管子為φ44.5×8.5/9.5，材質(zhì)為SA-213 TP347H，底部彎頭采用大“R”的平底結(jié)構(gòu)，在啟動期間，曾發(fā)生過個別管子堵塞，壁溫異常，通過加負(fù)荷、變流量等一些列操作后，堵塞的氧化皮被沖走，壁溫恢復(fù)正常。

【關(guān)鍵詞】氧化皮;末級過熱器;壁溫;許用應(yīng)力;快速升降負(fù)荷;蒸汽擾動

1 概述

華潤電力（常熟）有限公司建有三臺650MW—HG-1950/25.4-YM1型鍋爐，是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司利用英國三井巴布科能源公司（MB）的技術(shù)支持，進行設(shè)計、制造的。鍋爐為一次中間再熱，超臨界壓力變壓運行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的本生直流鍋爐，單爐膛，平平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架，全懸吊結(jié)構(gòu)，π型布置。鍋爐島為露天布置。

末級過熱器的壁溫計算是由計算機程序來完成數(shù)值計算的。程序根據(jù)管屏數(shù)量、單片管屏的并聯(lián)管數(shù)量和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、煙氣溫度的分布，計算管屏之間和管屏并聯(lián)管之間的流量分布，再根據(jù)流量分布及煙氣分布進行循環(huán)計算，最終得到各根管子的壁溫數(shù)值。末級過熱器的材料選取和強度核算是根據(jù)最高壁溫來進行的，留有足夠的裕量。

末級過熱器位于折焰角上方，沿爐寬方向排列共30片管屏，管屏間距為690mm，每片管組由20根管子20根管子繞 繞而成，入口段的管子φ44.5×8.5，材質(zhì)為SA-213 T91。底部彎頭及出口段的管子為φ44.5×8.5/9.5，材質(zhì)為SA-213 TP347H。底部彎頭采用大“R”的平底結(jié)構(gòu)，每片末級過熱器均連接有入口及出口集箱各一只，在車間內(nèi)焊接完成出廠。從φ219×40，材質(zhì)為SA-335 P91的末級過熱器出口集箱引出的蒸汽通過φ168×30，材質(zhì)為SA-335 P91的出口連接管引至φ508×80，材質(zhì)為SA-335 P91的末級過熱器出口匯集集箱，并經(jīng)出口匯集集箱兩端引出的兩根主蒸汽管道進入汽機。

2末級過熱器管氧化皮堵塞實例

公司1號爐2017年6月11日調(diào)停檢修結(jié)束后啟動過程中，于6月12日凌晨2點10分左右末級過熱器11-11（紅色線）、22-9（藍色線）兩個測點壁溫比別的的測點（綠色線）高出50度左右，11-11測點壁溫絕對值更高，見下圖SIS截圖。

3末級過熱器管堵塞原因分析

本爐型的末過蒸汽是從屏式過熱器流過來的，屏過入口管節(jié)流孔最小內(nèi)徑為12mm，最大內(nèi)徑為24mm，末過管無節(jié)流孔，最小內(nèi)徑為27.5mm，末過內(nèi)徑27.5>屏過內(nèi)徑24，因此屏過能通過的異物末過管子依然能通過。本次啟機中，屏過壁溫正常，從而排除是異物飄逸，堆積在末過入口的現(xiàn)象。

此外，鍋爐點火后13小時壁溫一直正常，說明管子在此期間是暢通的，在6月12日凌晨2點10分左右突然壁溫比別的管子增加50度，說明管子通流突然下降，完全符合氧化皮脫落堵管特征。

由于主汽溫度參數(shù)較高，受材質(zhì)高溫抗氧化性能、爐膛高溫?zé)煔狻⑹軣崦娌贾?、流量分配等因素的影響，目前超臨界機組的末級過熱器產(chǎn)生高溫氧化皮是不可避免的，且容易脫落。

在高溫下，高溫蒸汽管內(nèi)的鐵會和水蒸汽起發(fā)應(yīng)，生成氧化鐵系列如FeO、、FeO、FeO，并放出氫氣。最初生成的氧化層主要是由FeO構(gòu)成，這層氧化層是較為致密和富有韌性的，對金屬母材起著保護作用。但當(dāng)管壁內(nèi)溫度達560℃至570℃左右時，生成的氧化物則含有較多的FeO，該層氧化物結(jié)構(gòu)較為疏松，且由于鐵基體和Fe3O4 氧化物、、FeO氧化物之間熱膨脹系數(shù)各不同，在溫度變化范圍較大時，就容易剝落，剝落的氧化皮隨蒸汽流動，多數(shù)被帶入汽輪機，在某些情況下會在垂直管屏的U形彎頭底部沉積，阻礙蒸汽流動，當(dāng)鍋爐燃燒不穩(wěn)，熱負(fù)荷波動較大時，管子壁溫溫度變化過大，因氧化皮層和鍋爐管母材的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致氧化皮層開裂，則瞬時大面積脫落，管內(nèi)蒸汽來不及帶走（管子進出口兩端部壓差只有0.3MPa，從底部彎頭至末過管子出口垂直高度為13～14米）脫落的氧化皮堵塞在彎頭處，嚴(yán)重時會引起爐管內(nèi)流量減少而過熱爆管。

4測點顯示值復(fù)合及強度校核

在2017年6月12日凌晨4點28分左右對11-11測點熱電偶進行檢查，未發(fā)現(xiàn)測溫電阻有異常。壁溫偏差仍為30-50℃，可以證明上述兩個測點顯示值是真實有效。

因為上述兩個測點的壁溫均超過報警值，因此需要確定此時末級過熱器運行的臨界參數(shù)，以防止末過由于強度不足而瞬時爆破。

查找鍋爐廠提供的《小口徑管強度計算匯總表》，得知安裝壁溫測點處末級過熱器的設(shè)計情況為：材質(zhì)SA-213T91，規(guī)格44.5×9.5，設(shè)計溫度為600℃，壓力為28.4MPa，最小壁厚為8.21。由表1

注 ?S值取自于ASME鍋爐壓力容器法規(guī)第Ⅰ卷（表PG-23.1）和第Ⅷ卷第一部分（表USC-23）

為便于運行操作，現(xiàn)對末過管子650℃時的運行參數(shù)進行校核：

參照公式1

公式1：[p]=2ψ[σ]δ/D+δ

查詢表1得知：S=29.6 MPa，則σ=29.6，ψ=1，δ=9.5，D=25.5，

則：[p]=（2×1×29.6×9.5）÷（25.5+9.5）=16.07≈16.1

因此，末過管子在氧化皮沒吹通之前，最高溫度不得超過650℃，運行壓力最高不超過16.1MPa。

5 氧化皮堵塞末級過熱器管處理

5.1利用PCV閥啟閉進行過熱器壓力波動

2017年6月12日早上8點利用PCV閥啟閉進行過熱器壓力波動干涉，但沒有效果.

5.2利用安全閥及PCV閥啟閉進行過熱器壓力波動

2017年6月12日下午3點10分左右，利用人工同時微啟過熱器6個安全閥以及PCV閥多次，未產(chǎn)生效果。

5.3通過升負(fù)荷，增大蒸汽流量

2017年6月12日，16：30開始升負(fù)荷，隨著負(fù)荷的升高，超溫壁溫一直在增加，11-11測點達到峰值640℃時（17：43，348MW），開始下降至630℃（18：00，336MW）持續(xù)23分鐘左右，18：23時，突然由629下降到455℃，此時負(fù)荷339MW.

隨后，繼續(xù)緩慢升負(fù)荷，22-9測點溫度由587緩慢上升至634℃峰值，突然下降到495℃，此時負(fù)荷437MW.

2017年6月12日20：13，兩個超溫測點恢復(fù)正常，機組正常投AGC調(diào)節(jié)。

6結(jié)論

6.1材質(zhì)為SA-213 TP347H的末過管子容易產(chǎn)生氧化皮，且在啟爐過程中（點火不超過24小時期間）氧化皮極易集中脫落堵塞管子，啟爐過程中需加強壁溫測點觀測，條件允許情況下，可每根管子加裝壁溫測點。

6.2當(dāng)確定氧化皮堵塞末過管子后，不能急著升負(fù)荷及提高主汽壓力，需要根據(jù)相關(guān)資料計算出管子安全的運行參數(shù)，防止瞬時過熱爆管。

6.3可通過快速變動蒸汽流量、壓力等手段，如快速升降負(fù)荷，將堆積的氧化皮沖走。

6.4僅靠微啟安全閥，一般無法沖走堵塞末過管子的氧化皮，因存在安全風(fēng)險，不建議將安全閥全啟來增加蒸汽流量、壓力擾動。

6.5通過采取大流量低參數(shù)升負(fù)荷，是最有效的帶走堆積的氧化皮方法。

6.6如果采取快速升降負(fù)荷、及大流量低參數(shù)升負(fù)荷等手段任然無法將氧化皮沖走，則可考慮發(fā)電機解列，開旁路進行吹掃。

6.7如果上述手段任然無法將堆積的氧化皮沖走，這種情況很少見，則建議停爐清理，雖然會影響電廠經(jīng)濟性，但無論時間還是檢修成本均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鍋爐爆管。

參考文獻：

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[3] 李立人等，水管鍋爐?第四部分：受壓元件強度計算（GB/T 16507.4-2013），中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會

（作者單位：華潤電力（常熟）有限公司）