基于受熱面蒸汽側(cè)氧化皮生成與剝落機(jī)理的優(yōu)化控制

馮仁海，蔡 勇，孫金龍

（華電國(guó)際十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277100）

0 引言

國(guó)內(nèi)機(jī)組鍋爐受熱面氧化皮剝落的危害主要表現(xiàn)為：氧化皮剝落堵塞管道彎頭，致使蒸汽流量下降，導(dǎo)致超溫爆管；剝落的氧化皮進(jìn)入汽輪機(jī)，造成主汽閥沖蝕和卡澀，容易引起飛車事故，同時(shí)會(huì)使汽水中含鐵，影響汽水品質(zhì)［1-3］。超超臨界機(jī)組相對(duì)容易出現(xiàn)氧化皮剝落的現(xiàn)象，而且國(guó)內(nèi)再熱汽溫610 ℃和600 ℃機(jī)組采用的奧氏體不銹鋼管和鐵素體類低合金鋼管都出現(xiàn)氧化皮剝落的現(xiàn)象［4-6］。

以某電廠一機(jī)組為例，在研究蒸汽側(cè)氧化皮生成原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)組鍋爐的特性，制訂抑制蒸汽側(cè)氧化皮生長(zhǎng)和剝落的技術(shù)和管理措施，通過(guò)實(shí)施效果檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蒸汽側(cè)氧化皮得到了良好的控制。

1 受熱面蒸汽側(cè)氧氣皮生成與剝落機(jī)理

1.1 氧化皮的生成機(jī)理和影響因素

水蒸汽和純鐵在高溫環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化皮，不同溫度下氧化皮的組成不同：450～570 ℃，主要由Fe3O4、Fe2O3組成；570 ℃以上，主要由Fe3O4、Fe2O3和FeO 組成，位于最內(nèi)層的FeO 不致密，容易發(fā)生剝落［7-9］。

美國(guó)I.G.Wright 和B.A.Pint 教授通過(guò)研究提出氧化皮的生成厚度變化規(guī)律［7-9］為

式中：ξ 為氧化膜厚度，μm；t 為運(yùn)行時(shí)間，h；n 為氧化膜稀疏類型，n＞2 時(shí)氧化膜致密化，n＜2 時(shí)氧化膜產(chǎn)生疏松；A 為Arrhenius 常數(shù)；Q 為控制反應(yīng)速率過(guò)程的激活能，J／mol；R 為氣體常數(shù)；T 為金屬溫度，K。

由式（1）可知，氧化皮的厚度和溫度呈指數(shù)關(guān)系，和運(yùn)行時(shí)間成正相關(guān)關(guān)系。

富鉻氧化層作為抗氧化的主要手段，容易在高溫環(huán)境中與水、氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性氣體，導(dǎo)致抗氧化失效，而蒸汽中的氧含量、蒸汽溫度、壓力、流速都會(huì)影響鉻的揮發(fā)速度，其化學(xué)反應(yīng)方程式為。Cr2O3層對(duì)降低氧化速率效果最明顯，但Cr2O3在高溫含蒸汽條件下會(huì)形成揮發(fā)性氣體，導(dǎo)致Cr 的損耗，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致氧化層失效。

此外，外界應(yīng)力大小、氧化皮的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)中成分和壓力等都會(huì)影響氧化皮的生成和生長(zhǎng)。

1.2 氧化皮的剝落機(jī)理和影響因素

當(dāng)氧化皮的厚度達(dá)到臨界值，并且管材金屬壁面和氧化皮或氧化皮之間的應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，會(huì)造成氧化皮的剝落［10-12］。對(duì)氧化皮進(jìn)行彈性力學(xué)分析，當(dāng)管材溫度變化時(shí)，管材膨脹或收縮，受外力約束，產(chǎn)生了變溫應(yīng)力，氧化皮內(nèi)部的變溫應(yīng)力σ 為［10-12］

式中：ΔT 為計(jì)算應(yīng)力溫度和無(wú)應(yīng)力參考溫度的差值；Δα 為氧化皮和金屬基體的熱膨脹系數(shù)差；E 為彈性模量；v 為泊松比。

由式（2）可知，溫度變化與應(yīng)力成正相關(guān)，在機(jī)組啟停和負(fù)荷突變時(shí)，溫度變化較大，容易發(fā)生氧化皮剝落。在機(jī)組運(yùn)行期間，若鍋爐參數(shù)控制不當(dāng)，導(dǎo)致金屬管壁超溫，不僅造成氧化皮快速增厚，而且導(dǎo)致氧化皮結(jié)構(gòu)由雙層變成多層，如遇汽溫、汽壓大幅波動(dòng)時(shí)，極易造成氧化皮剝落［13-15］。氧化皮剝落與溫度變化的關(guān)系如圖1 所示，可以看出，隨著溫度降幅的增加，剝落時(shí)的臨界氧化皮厚度逐漸減小，即溫差越大，氧化皮越容易剝落；采取保溫措施后，氧化皮與金屬間的膨脹差別減少，應(yīng)力下降，同樣溫降幅度下氧化皮剝落的臨界厚度有了明顯的提高。

圖1 氧化皮剝落與溫度變化的關(guān)系

綜合氧化皮生成和剝落的機(jī)理及影響因素，結(jié)合可采取的管控手段，圍繞管壁溫度、蒸汽溫度、蒸汽壓力、鍋爐保溫等方面采取控制措施，以抑制蒸汽側(cè)氧化皮的生成和剝落。

2 受熱面蒸汽側(cè)氧氣皮的運(yùn)行預(yù)防與控制

該機(jī)組為660 MW 燃煤抽凝供熱發(fā)電機(jī)組，于2017 年7 月投產(chǎn)發(fā)電，鍋爐型號(hào)為DG2002／29.3－Ⅱ13 型，采用超超臨界變壓直流爐，一次再熱方式，采用前后墻對(duì)沖的燃燒方式，通過(guò)調(diào)整水煤比和一、二級(jí)減溫器調(diào)節(jié)主汽溫；通過(guò)調(diào)整煙氣擋板和事故噴水減溫器來(lái)調(diào)節(jié)再熱汽溫。該機(jī)組采用奧氏體不銹鋼管和鐵素體類低合金鋼管，并且再熱汽溫為620 ℃，更容易出現(xiàn)氧化皮剝落的情況。

根據(jù)對(duì)蒸汽側(cè)氧化皮生成和剝落機(jī)理及影響因素的分析，從日常運(yùn)行、機(jī)組啟動(dòng)、機(jī)組停運(yùn)3 個(gè)層面進(jìn)行運(yùn)行控制，有效管控管壁超溫、蒸汽超溫、蒸汽超壓，抑制氧化皮的生成和生長(zhǎng)；有效管控壁溫、汽溫和蒸汽壓力的突變，以及開(kāi)停機(jī)過(guò)程對(duì)升（降）溫和升（降）壓速率、停機(jī)后燜爐，抑制氧化皮的剝落。

2.1 日常運(yùn)行管控

鍋爐運(yùn)行階段是控制氧化皮生成和減緩氧化皮剝落的重要階段，因此必須從運(yùn)行調(diào)整方面制訂相應(yīng)的措施，具體原則為［16］：合理選擇鍋爐管的壁溫控制值；正常運(yùn)行過(guò)程中盡量減少過(guò)熱器和再熱器減溫水的流量，應(yīng)通過(guò)調(diào)整鍋爐燃燒，采用非均衡燃燒調(diào)整方法和調(diào)整水煤比等措施來(lái)降低受熱面的壁溫水平，防止大量使用減溫水，導(dǎo)致管壁溫度急劇下降，致使氧化皮集中剝落；運(yùn)行中控制磨煤機(jī)的啟停次序，控制及調(diào)整主汽溫、再熱汽溫時(shí)，注意變化的幅度，防止管壁溫度大幅波動(dòng)；受熱面吹灰時(shí)，疏水溫度不低于230 ℃，采用合適的吹灰方式，有利于消除氧化皮剝落。

2.1.1 日常超溫管控

為加強(qiáng)日常超溫的管控，制訂最高管壁溫度統(tǒng)計(jì)表和最高蒸汽溫度統(tǒng)計(jì)表，在表格中設(shè)置了不同管材、不同位置和不同壓力下的管壁最高溫度，不同測(cè)點(diǎn)位置的蒸汽最高溫度，并且進(jìn)行每日、每個(gè)班組的跟蹤，方便對(duì)壁溫和汽溫實(shí)現(xiàn)有效管控，以此作為抑制氧化皮生成和剝落的重要手段。

2.1.2 汽溫波動(dòng)幅度管控

為防止汽溫和管壁溫度的驟降變化，加強(qiáng)管控，參照機(jī)組首次大修中對(duì)爐膛及各受熱面檢查結(jié)果，結(jié)合鍋爐各自的運(yùn)行特性，制訂針對(duì)機(jī)組汽溫、壁溫調(diào)整的指導(dǎo)方法，對(duì)主汽溫、再熱汽溫日?？己丝刂浦底龀鲂乱?guī)定，并對(duì)10 min 內(nèi)主汽溫、再熱汽溫不同降幅進(jìn)行考核規(guī)定。

2.1.3 減溫水投用管控

為確保主汽溫600 ℃、再熱汽溫620 ℃，避免大幅度操作減溫水致使汽溫突升、突降，從而造成鍋爐受熱面氧化皮剝落的現(xiàn)象，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，制訂660 MW 機(jī)組主蒸汽、再熱蒸汽使用減溫水的基本調(diào)整原則和運(yùn)行調(diào)整措施，比較詳細(xì)地給出了調(diào)整方法，方便運(yùn)行人員執(zhí)行。

2.2 開(kāi)停機(jī)過(guò)程管理

根據(jù)氧化皮剝落機(jī)理和影響因素分析，開(kāi)停機(jī)過(guò)程對(duì)于氧化皮生成和剝落的影響很大，為此制訂關(guān)于機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程和停機(jī)過(guò)程中的操作注意事項(xiàng)和調(diào)整技術(shù)措施，方便運(yùn)行人員操作［14-16］，主要內(nèi)容如下。

1）根據(jù)廠家使用說(shuō)明書要求制訂鍋爐升（降）溫和升（降）壓的具體執(zhí)行表，如表1 和表2 所示，并利用爐內(nèi)壁溫測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控爐內(nèi)金屬壁溫變化速度。

2）機(jī)組負(fù)荷低于30%時(shí)，應(yīng)盡量減少減溫水流量的使用，使用煙氣擋板、磨煤機(jī)出力、配風(fēng)方式、給水流量等方式進(jìn)行汽溫控制。

3）鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中，要嚴(yán)格按照規(guī)定要求控制升溫、升壓速率，任何工況下不得出現(xiàn)汽溫、壁溫大幅波動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)嚴(yán)格控制油槍投停數(shù)量、燃煤量增減、減溫水量投停速度。

4）加強(qiáng)過(guò)熱器和再熱器系統(tǒng)疏水的排放，并利用余熱盡量將積水烘干，使剝落的氧化皮干燥、松散，以利于蒸汽吹掃。

表1 鍋爐升（降）壓具體執(zhí)行表

表2 鍋爐升（降）溫具體執(zhí)行表

2.3 機(jī)組停運(yùn)后燜爐管控

根據(jù)該電廠關(guān)于治理爐管內(nèi)壁氧化皮的方法，要求“停爐后考慮采取悶爐（不少于24 h）措施，除非有其他安全考慮，否則嚴(yán)禁強(qiáng)制冷卻”。制訂措施為：鍋爐熄火吹掃完成后，停運(yùn)送、引風(fēng)機(jī)，關(guān)閉煙氣系統(tǒng)擋板悶爐；鍋爐熄火24 h 后，允許打開(kāi)風(fēng)煙系統(tǒng)有關(guān)風(fēng)煙擋板，使鍋爐自然通風(fēng)冷卻；鍋爐熄火48 h后，無(wú)特殊情況不得強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，如工作需要負(fù)責(zé)人同意后，啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)維持30%BMCR 風(fēng)量對(duì)鍋爐強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。

3 管控效果

3.1 日常運(yùn)行管理效果

3.1.1 最高壁溫和汽溫管控效果

為整體反映對(duì)壁溫和汽溫的有效管控，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，隨機(jī)選擇時(shí)間段為2019 年10 月1 日至31 日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)如圖2 所示，負(fù)荷變化范圍為262～663 MW，接近機(jī)組正常運(yùn)行的最小和最大出力；爐管壁最高溫度的變化趨勢(shì)如圖3 所示；爐過(guò)熱、再熱汽溫最高值的變化趨勢(shì)如圖4 所示。從管壁最高溫度變化趨勢(shì)、過(guò)熱和再熱汽溫變化趨勢(shì)可以看出，極少出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，且超溫時(shí)間較短，相關(guān)措施使管壁溫度和蒸汽溫度得到有效管控，對(duì)減緩蒸汽側(cè)氧化皮的生長(zhǎng)和剝落有重要作用。

圖2 負(fù)荷變化趨勢(shì)

3.1.2 相同負(fù)荷下受熱面壁溫分布均勻性的變化比較

額定負(fù)荷下，再熱汽溫達(dá)620 ℃時(shí)，選擇鍋爐2019 年3 月26 日15∶30—17∶30 高溫再熱器最高管壁溫度的數(shù)據(jù)，繪制高溫再熱器壁溫最大值的分布趨勢(shì)，如圖5 所示，機(jī)組負(fù)荷為666.1 MW。從圖中可以看出管壁最高溫度相對(duì)集中，變化更加均勻，波動(dòng)幅度更小，再熱汽溫均值620.18 ℃，最高管壁溫度641.7 ℃（序號(hào)為128 號(hào)），報(bào)警值644 ℃，未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，控制效果良好。

圖3 管壁最高溫度的變化趨勢(shì)

圖4 爐過(guò)熱、再熱汽溫最高值的變化趨勢(shì)

圖5 鍋爐高溫再熱器最高管壁溫度分布

3.1.3 減溫水投用的管控效果

為有效檢查減溫水的控制效果，選擇機(jī)組運(yùn)行期間大幅度投入減溫水高溫再熱器壁溫變化率進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表3 所示，壁溫變化率最大1.89 ℃／min，小于規(guī)定要求的2 ℃／min，減溫水得到了有效的控制。

表3 機(jī)組大幅度投入減溫水高溫再熱器壁溫變化率

3.2 開(kāi)停機(jī)過(guò)程管理效果

為更好地分析開(kāi)停機(jī)過(guò)程管控的效果，隨機(jī)選擇機(jī)組開(kāi)停機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨機(jī)采集高溫再熱器出口153 號(hào)、289 號(hào)、478 號(hào)、655 號(hào)管屏的壁溫?cái)?shù)據(jù)，選擇采樣時(shí)間為1 min 進(jìn)行分析。

3.2.1 機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程

隨機(jī)選擇2019-06-10T00∶07∶06 機(jī)組并網(wǎng)前后的數(shù)據(jù)，其機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)如圖6 所示，負(fù)荷變化范圍為0～559.7 MW，壁溫變化趨勢(shì)如圖7 所示，整體上升比較平穩(wěn)，對(duì)每分鐘壁溫變化率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其采樣期間壁溫變化率如圖8 所示。壁溫200～300 ℃，最大變化率為2.72 ℃／min，小于管控要求的5 ℃／min；壁溫超過(guò)500 ℃，最大變化率為2.12 ℃／min，略高于管控要求的2 ℃／min，整體低于管控要求的變化率。

3.2.2 機(jī)組停機(jī)過(guò)程

隨機(jī)選擇2019-01-20T01∶26∶26 機(jī)組解列前后的數(shù)據(jù)，其機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)如圖9 所示，負(fù)荷變化范圍為0～520.44 MW，壁溫變化趨勢(shì)如圖10 所示，整體下降比較平穩(wěn)，對(duì)每分鐘壁溫變化率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其采樣期間壁溫變化率如圖11 所示，壁溫最大變化率為2.3 ℃／min，整體低于管控要求的2 ℃／min。

圖6 開(kāi)機(jī)過(guò)程負(fù)荷變化趨勢(shì)

圖7 開(kāi)機(jī)過(guò)程壁溫變化趨勢(shì)

圖8 開(kāi)機(jī)過(guò)程壁溫變化率

圖9 停機(jī)過(guò)程負(fù)荷變化趨勢(shì)

圖10 停機(jī)過(guò)程壁溫變化趨勢(shì)

圖11 停機(jī)過(guò)程壁溫變化率

通過(guò)對(duì)機(jī)組開(kāi)停機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出在采取開(kāi)停機(jī)管控措施以后，整個(gè)開(kāi)停機(jī)過(guò)程壁溫變化整體上在規(guī)定范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)大幅波動(dòng)，有利于減緩蒸汽側(cè)氧化皮的生長(zhǎng)和剝落。

3.3 機(jī)組停運(yùn)后燜爐管控效果

對(duì)機(jī)組大修停運(yùn)后燜爐期間壁溫變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，機(jī)組解列時(shí)間為2018-09-11T01∶33∶00，停運(yùn)后風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為2018-09-14T10∶30∶00，燜爐時(shí)間約81 h，其壁溫變化率如圖12 所示?？梢钥闯?，采用燜爐措施后，最大壁溫變化為0.064 ℃／min，整體壁溫變化較小，有利于抑制蒸汽側(cè)氧化皮的剝落。

3.4 檢修期間送檢結(jié)果

機(jī)組于2018 年9 月進(jìn)行第一次大修，運(yùn)行時(shí)間超過(guò)一年，將鍋爐高溫受熱面取樣管材送檢，過(guò)熱器管材質(zhì)和再熱器管均為S30432 材質(zhì)奧氏體不銹鋼管，材質(zhì)上未見(jiàn)明顯差異，但送檢的1—4 號(hào)過(guò)熱器管氧化皮厚度為23～35 μm，5—7 號(hào)再熱器管氧化皮厚度為39～52 μm，其氧化皮X 射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）檢驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示。結(jié)果顯示，氧化皮成分主要為Fe2O3、Fe3O4和FeCr2O4，說(shuō)明管子金屬側(cè)的內(nèi)層氧化皮有部分剝落。

3.5 機(jī)組全負(fù)荷段620 ℃的經(jīng)濟(jì)效益

采用非均衡運(yùn)行調(diào)整技術(shù)和相關(guān)管理措施以后，實(shí)現(xiàn)了全負(fù)荷段的再熱器汽溫620 ℃，不僅每年帶來(lái)1 049.6 萬(wàn)元的直接經(jīng)濟(jì)效益，而且可以有效控制熱偏差及管壁超溫現(xiàn)象，大大降低汽輪機(jī)末級(jí)葉片的濕度，降低發(fā)生水蝕的風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性，對(duì)保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的保障作用。同時(shí)2 臺(tái)660 MW 機(jī)組每年可節(jié)約燃煤約35 086 t，可實(shí)現(xiàn)減少二氧化硫排放1 554.22 t，減少氮氧化物排放490.6 t，減排二氧化碳約18.12 萬(wàn)t，具有良好的社會(huì)效益。

圖12 機(jī)組大修停運(yùn)后燜爐期間壁溫變化率

圖13 氧化皮XRD 分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

從受熱面蒸汽側(cè)氧化皮生成和剝落的原理出發(fā)，詳細(xì)闡述了蒸汽氧化皮的生成、剝落的機(jī)理及危害，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行的特點(diǎn)和可控因素，著重分析了機(jī)組管壁溫度、蒸汽溫度、蒸汽壓力和機(jī)組啟停機(jī)期間的影響，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，制訂機(jī)組管壁溫度管控、蒸汽溫度管控、減溫水管控、機(jī)組燃燒調(diào)整、機(jī)組啟停機(jī)操作指導(dǎo)、機(jī)組停機(jī)后燜爐管理等措施。通過(guò)最高壁溫和汽溫管控效果、減溫水投用的管控效果、開(kāi)停機(jī)過(guò)程管理效果、機(jī)組停運(yùn)后燜爐管控效果等數(shù)據(jù)分析，結(jié)合檢修期間送檢結(jié)果，并分析了機(jī)組全負(fù)荷段620℃的經(jīng)濟(jì)效益，以此說(shuō)明了通過(guò)制訂相關(guān)措施有利于抑制蒸汽側(cè)氧化皮的生成和剝落，實(shí)現(xiàn)機(jī)組全負(fù)荷段的再熱汽溫620 ℃，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。