高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

楊占君，賀文健，張 龍，陳 璟，鄭準(zhǔn)備

高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

楊占君1，賀文健2，張 龍2，陳 璟1，鄭準(zhǔn)備1

（1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710018；2.大唐彬長(zhǎng)發(fā)電有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 710036）

針對(duì)長(zhǎng)期困擾火電廠的因高溫受熱面管氧化皮剝落與堆積造成的過(guò)熱與爆管問(wèn)題，提出了一種氧化皮顆粒物在線監(jiān)測(cè)方法，并研發(fā)出一套在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。通過(guò)對(duì)實(shí)際在線監(jiān)測(cè)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)變化與機(jī)組運(yùn)行存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文結(jié)果為下一步開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究提供了一種新的方法和思路。

火力發(fā)電廠；受熱面管；氧化皮；顆粒；在線監(jiān)測(cè)；負(fù)荷

隨著新材料與設(shè)備等領(lǐng)域不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，大容量、高參數(shù)的超臨界及超超臨界機(jī)組不斷投入運(yùn)行并逐步替代了傳統(tǒng)亞臨界機(jī)組[1-2]。火力發(fā)電廠的機(jī)組煤耗、污染物排放等環(huán)保指標(biāo)隨著機(jī)組容量的提高而不斷下降，這對(duì)能源的節(jié)約及環(huán)境質(zhì)量的改善起到了積極作用。

為了滿足高效率超（超）臨界機(jī)組受熱面管的常溫加工性能及高溫綜合力學(xué)性能、抗蒸汽氧化性能、抗沖蝕等需求，大量諸如T91、T92、TP347H、TP347HFG、Super 304H和HR3C等新型高合金耐熱材料不斷得到應(yīng)用[3]。隨著新型高合金耐熱鋼的不斷應(yīng)用，受熱面管用耐熱鋼，特別是奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化皮剝落甚至沉積在彎頭部位，使管道通流面積變小，超溫爆管事件時(shí)有發(fā)生；同時(shí)，剝落的氧化皮顆粒隨介質(zhì)流動(dòng)，還會(huì)造成閥門卡澀，對(duì)通流部件產(chǎn)生機(jī)械損傷[4-8]。

已有很多業(yè)內(nèi)專家或技術(shù)人員在改善材料合金配比，改善材料加工性能、爐型設(shè)計(jì)，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和燃燒調(diào)整，加強(qiáng)停機(jī)檢驗(yàn)及清理等方面做了大量工作，使得因受熱面管內(nèi)壁氧化皮剝落、堆積造成的堵管爆管事件較大幅下降，但卻無(wú)法完全杜絕此類事件的發(fā)生。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生與剝落的在線監(jiān)測(cè)大多利用受熱面管壁溫測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)計(jì)算得出內(nèi)壁金屬壁溫，再根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況通過(guò)經(jīng)驗(yàn)間接推測(cè)受熱面管內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生與剝落狀況。這種對(duì)運(yùn)行設(shè)備的受熱面管內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生、剝落與堆積的預(yù)測(cè)方法可靠性偏差很大。國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)或設(shè)備的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[9-11]。對(duì)此，本文利用光學(xué)投影粒度檢測(cè)原理研發(fā)了一套氧化皮顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目的是探索火力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行期間機(jī)組負(fù)荷變化對(duì)受熱面管內(nèi)氧化皮剝落行為對(duì)應(yīng)關(guān)系及堆積量準(zhǔn)量化在線監(jiān)測(cè)的可行性診斷，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)研究在線運(yùn)行機(jī)組氧化皮生成、剝落及堆積規(guī)律，為進(jìn)一步降低因受熱面管內(nèi)壁氧化皮堆積導(dǎo)致介質(zhì)流量減少造成爆管的非計(jì)劃停機(jī)事件發(fā)生提供預(yù)警。

1 技術(shù)路線

1.1 原理

奧氏體耐熱鋼大都用在過(guò)熱器管和再熱器管上，這些材質(zhì)的受熱管內(nèi)壁氧化皮剝落后會(huì)集中在下彎管部位，形成堆積。不同材質(zhì)的氧化皮生成速率、剝落量及剝落后的形態(tài)有所不同。除了宏觀成片狀、條狀的較大的氧化皮外，還伴隨著一些粒徑從幾微米到幾百微米的細(xì)小氧化皮顆粒的生成。在蒸汽流動(dòng)作用下，少量細(xì)小氧化皮顆粒物會(huì)通過(guò)受熱面管、出口集箱后隨蒸汽進(jìn)入主蒸汽、再熱蒸汽管道中。因此，在主蒸汽和再熱蒸汽管道上的汽水取樣裝置末端凝結(jié)水中就可能捕捉到細(xì)小氧化皮顆粒物。對(duì)6臺(tái)不同制造廠及容量的機(jī)組主蒸汽和再熱蒸汽管道的蒸汽取樣水進(jìn)行了多次取樣分析，均發(fā)現(xiàn)了不同粒徑的氧化皮顆粒物。這表明通過(guò)對(duì)凝結(jié)水取樣分析，間接檢測(cè)到受熱面管內(nèi)壁產(chǎn)生的氧化皮顆粒物的思路具有一定可行性。

1.2 檢測(cè)部位的選擇

氧化皮顆粒度檢測(cè)系統(tǒng)安裝在主蒸汽、再熱蒸汽管道上汽水取樣裝置末端的凝結(jié)水取樣管路上（圖1）。選擇此部位主要考慮到3個(gè)方面因素：1）需要檢測(cè)的細(xì)小氧化皮顆粒物隨蒸汽流動(dòng)，從堆積部位到采集部位行程相對(duì)最短，可以確保最大量采集到細(xì)小氧化皮顆粒，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集量充分；2）由于介質(zhì)流動(dòng)相對(duì)行程最短，可最大限度減少監(jiān)測(cè)行程中聯(lián)箱、主蒸汽、再熱蒸汽管道內(nèi)壁產(chǎn)生及剝落的少量氧化顆粒物對(duì)檢測(cè)數(shù)值的影響；3）原在用設(shè)備無(wú)需進(jìn)行較大改造，僅需在凝結(jié)水取樣管上安裝三通引出一部分凝結(jié)水進(jìn)行取樣檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。采集檢測(cè)裝置自身體積不大，可直接安裝在取樣間內(nèi)，既不影響化學(xué)汽水取樣，也不需要進(jìn)行額外的安裝施工。同時(shí)，數(shù)據(jù)線通過(guò)電纜夾層引入化學(xué)水質(zhì)監(jiān)督系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)氧化皮顆粒物與水質(zhì)情況在線同步監(jiān)測(cè)（圖2）。

圖1 氧化皮顆粒物取樣管路安裝部位

圖2 氧化皮顆粒物檢測(cè)裝置在化學(xué)取樣間里的安裝位置

1.3 采集對(duì)象的選取

前期通過(guò)對(duì)若干火力發(fā)電廠主蒸汽、再熱蒸汽凝結(jié)水樣本的采集分析，發(fā)現(xiàn)氧化皮顆粒物主要為粒徑在4~25 μm的氧化皮顆粒物，其占比接近93%；粒徑小于4 μm及大于14 μm的氧化皮顆粒物占比相對(duì)較少。因此，選擇粒徑在4~25 μm的氧化皮顆粒物進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)。實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中又對(duì)粒徑在4~25 μm的氧化皮顆粒物進(jìn)一步進(jìn)行粒徑細(xì)分甄別統(tǒng)計(jì)，即分別統(tǒng)計(jì)(4,6]、(6,14]、(14,21]、(21,25]、(25, +∞) μm共5個(gè)粒徑范圍的氧化皮顆粒物數(shù)量，目的是研究不同奧氏體鋼氧化產(chǎn)物剝落形態(tài)、細(xì)小氧化物顆粒占比與系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.4 二維顆粒粒度檢測(cè)系統(tǒng)原理

在線檢測(cè)裝置的核心部件為二維顆粒粒度檢測(cè)系統(tǒng)，它主要是由光源、光學(xué)透鏡、比色管、電荷耦合器件（CCD）及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路5個(gè)部分組成，系統(tǒng)示意如圖3所示。光源部分由具有體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體激光管構(gòu)成，通電后光管會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)為500~600 nm的綠光。光學(xué)透鏡采用孔徑較小的雙片平凸透鏡，其主要作用是將來(lái)自孔徑欄中每一點(diǎn)的光線變成一束平行的準(zhǔn)直光柱[12]。比色管放置于水樣管前，其內(nèi)部分別放置粒徑為4、6、14、21、25 μm且高濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。采用若干金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管電容器作為CCD探測(cè)器的像素組成元件（金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管電容器是采用氧化的方法在P型或N型硅襯底的表面生產(chǎn)一層二氧化硅層，然后在二氧化硅層上蒸鍍一層金屬膜，并以光刻的方法制成柵狀電極，其單個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管電容器就是CCD探測(cè)器的1個(gè)像素），將采集到的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出。

圖3 二維顆粒粒度檢測(cè)系統(tǒng)

光源產(chǎn)生的光線首先由光學(xué)透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，經(jīng)比色管及含氧化皮顆粒物的水樣管后，在CCD上投影成像。由幾何光學(xué)可知，大粒徑粒子成像會(huì)覆蓋小粒徑粒子成像。若比色管內(nèi)放置粒徑為4 μm的標(biāo)準(zhǔn)溶液，且標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度較高，在CCD上標(biāo)準(zhǔn)溶液內(nèi)粒徑為4 μm粒子的成像可以將水樣管內(nèi)粒徑＜4 μm氧化皮顆粒物的成像完全覆蓋，也就是說(shuō)水樣管內(nèi)僅粒徑≥4 μm的氧化皮顆粒物才可以在CCD上投影成像。由于圖像邊緣處的灰度微分值較高，同時(shí)微分算子具有突出灰度變化的作用，因此可以利用微分算子獲得的灰度微分值作為邊緣檢測(cè)的判定條件。

本系統(tǒng)采用以一階導(dǎo)數(shù)為基礎(chǔ)的Soble算子對(duì)影像邊緣進(jìn)行檢測(cè)，利用最大類間方差法對(duì)圖像二值化；然后經(jīng)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理獲得改進(jìn)的二值圖像[13-14]，掏空內(nèi)部點(diǎn)獲得邊界點(diǎn)；最后通過(guò)進(jìn)行邊界跟蹤從而提取粒子成像輪廓。

對(duì)成像輪廓進(jìn)行分析，可識(shí)別粒徑為4 μm粒子的成像及粒徑＞4 μm粒子的成像。統(tǒng)計(jì)單位面積內(nèi)粒徑為4 μm粒子和粒徑＞4 μm粒子的個(gè)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度已知，因此經(jīng)運(yùn)算放大存儲(chǔ)顯示器計(jì)算可得水樣管內(nèi)粒徑＞4 μm的粒子濃度。光線分別通過(guò)放置有粒徑為6、14、21、25 μm標(biāo)準(zhǔn)溶液的比色管，經(jīng)運(yùn)算放大存儲(chǔ)顯示器計(jì)算，可獲得水樣管內(nèi)粒徑＞4、＞6、＞14、＞21、＞25 μm的粒子濃度，然后對(duì)5種濃度結(jié)果依次遞減即可分別獲得粒徑在(4,6]、(6,14]、(14,21]、(21,25]、(25, +∞) μm 5種范圍的氧化皮顆粒物數(shù)值。

為了避免較大氧化皮顆粒物成像完全覆蓋導(dǎo)致測(cè)量誤差，采用了相互垂直的2路光源同步采集，然后對(duì)照2套檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以提高檢測(cè)精度。

1.5 在線監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)

在線檢測(cè)裝置主要包含凝結(jié)水取樣裝置和凝結(jié)水氧化皮顆粒物檢測(cè)裝置2個(gè)部分（圖4）。

圖4 在線監(jiān)測(cè)裝置

取樣裝置由用于過(guò)濾水樣雜質(zhì)的取樣格網(wǎng)帽、用于保持水樣容量的匯集溢流器、用于連接取樣裝置和測(cè)試裝置的引流管3個(gè)部分組成。其中，由316不銹鋼絲網(wǎng)編制的孔徑小于1 700 μm的圓錐狀取樣格網(wǎng)帽可以將水流中較大的雜質(zhì)阻擋在格網(wǎng)外，避免后續(xù)樣品分析系統(tǒng)的堵塞及對(duì)數(shù)據(jù)采集的干擾。

檢測(cè)裝置包括用于控制流量的進(jìn)樣調(diào)節(jié)閥、用于保持流量穩(wěn)定的恒流裝置、用于粒度分布測(cè)試的二維顆粒粒度檢測(cè)器和用于對(duì)輸入信號(hào)運(yùn)算放大存儲(chǔ)并處理顯示的顯示器4個(gè)部分。

帶有氧化皮顆粒的取樣水首先經(jīng)過(guò)取樣格網(wǎng)帽過(guò)濾后流入?yún)R集溢流器，之后依次經(jīng)引流管、調(diào)節(jié)閥及保證流量穩(wěn)定的恒流裝置后，進(jìn)入二維顆粒粒度檢測(cè)器進(jìn)行氧化顆粒物的在線檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)，檢測(cè)器檢測(cè)獲取的信號(hào)輸入至運(yùn)算放大存儲(chǔ)顯示器進(jìn)行處理顯示，最終獲得相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

選取某火力發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)際安裝測(cè)試，進(jìn)行了一段時(shí)間的數(shù)據(jù)采集與分類統(tǒng)計(jì)，并將采集到的氧化皮顆粒物數(shù)據(jù)與機(jī)組負(fù)荷曲線進(jìn)行同步對(duì)比分析。圖5為氧化皮顆粒物實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與機(jī)組負(fù)荷變化的疊加對(duì)比。由圖5可見(jiàn)：粒徑小于等于21 μm的氧化皮顆粒物數(shù)量變化波動(dòng)與機(jī)組負(fù)荷變化存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其是占比較大的粒徑為4~14 μm的氧化皮顆粒物采集數(shù)據(jù)峰值時(shí)間段與機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)間段的對(duì)應(yīng)關(guān)系相對(duì)更加明顯，而機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)的氧化皮顆粒數(shù)值變化也相應(yīng)較穩(wěn)定。

圖5 氧化皮顆粒物數(shù)值與機(jī)組負(fù)荷變化實(shí)時(shí)對(duì)照

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，由于氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)間較短，數(shù)據(jù)采集量相對(duì)較少，數(shù)據(jù)收集分析及相關(guān)規(guī)律分析可靠性尚待驗(yàn)證，對(duì)實(shí)際預(yù)防因氧化皮造成機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)事件發(fā)生的工作指導(dǎo)性尚不足。

今后將結(jié)合長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，在如下幾個(gè)方面開(kāi)展研究與探索。

1）通過(guò)對(duì)凝結(jié)水中氧化皮顆粒物數(shù)量波動(dòng)的在線監(jiān)控，與機(jī)組運(yùn)行方式及負(fù)荷變化相結(jié)合，探索影響受熱面管氧化產(chǎn)生及剝落的因素。

2）結(jié)合機(jī)組若干檢修期間受熱面管彎管氧化皮堆積量檢測(cè)結(jié)果，探索在線檢測(cè)數(shù)據(jù)與堆積量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3）蒸汽內(nèi)氧化皮顆粒物含量對(duì)汽輪機(jī)通流部件的損傷影響。

4）通過(guò)分析氧化皮顆粒物粒徑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究不同受熱面管材氧化物形態(tài)與剝落規(guī)律。

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YANG Zhanjun1, HE Wenjian2, ZHANG Long2, CHEN Jing1, ZHENG Zhunbei1

(1. China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Northwest Branch, Xi’an 710018, China;2. Datang Binchang Power Generation Co., Ltd., Xianyang 710036, China)

Aiming at solving the problem of overheating and tube bursting caused by oxide scale peeling and stacking of high temperature heating surface tubes in thermal power plants for a long time, an on-line detection method for oxide scale particles was proposed and an online monitoring device was developed. Through analysis on relevant data obtained via actual online monitoring, it finds that there is a certain correspondence between data changes and unit operation. The result provides a new method and idea for the next step of on-line monitoring technology for heated surface oxide scale accumulation.

thermal power plant, heating surface tube, oxide scale, particle, on-line monitoring, load

TK224.9

B

10.19666/j.rlfd.201905078

2019-05-05

楊占君(1974)，男，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電廠金屬監(jiān)督、無(wú)損檢測(cè)、理化檢驗(yàn)及失效分析工作，617578204@qq.com。

楊占君, 賀文健, 張龍, 等. 高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(10): 28-32. YANG Zhanjun, HE Wenjian, ZHANG Long, et al. Development and application of on-line monitoring system for oxide scale on inner wall of high temperature heating surface tube[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 28-32.

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）