超臨界鍋爐脫落氧化物在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

崔修強

超臨界鍋爐脫落氧化物在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

崔修強

（華電國際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，山東省 濟南市 250014）

為實現(xiàn)超臨界鍋爐脫落氧化物全壽命周期監(jiān)測，研發(fā)了脫落氧化物實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)在過熱器、再熱器出口安裝測量探頭，利用撞擊振動波測量技術(shù)，可以在線、實時、連續(xù)、直接測量脫落氧化物顆粒質(zhì)量、粒度分布和顆粒流量，有效監(jiān)測脫落氧化物在蒸汽管道中的流動規(guī)律。系統(tǒng)應(yīng)用在超臨界發(fā)電機組，通過分析主、再蒸汽管道內(nèi)顆粒特征數(shù)據(jù)，以及固體顆粒流量隨時間、負荷的變化趨勢，監(jiān)測氧化物脫落嚴重程度，評估運行控制情況，實現(xiàn)減少脫落氧化物和預(yù)防固體顆粒侵蝕的目的。同時利用系統(tǒng)實現(xiàn)機組啟、停及運行期間蒸汽品質(zhì)監(jiān)測，研究鐵在機組汽水循環(huán)過程中流動規(guī)律。

超臨界鍋爐；脫落氧化物；全壽命周期；在線監(jiān)測；特征數(shù)據(jù)

0 引言

隨著超臨界、超超臨界大容量火電機組相繼投產(chǎn)，機組蒸汽溫度和壓力提高，鍋爐效率大幅提高，供電煤耗下降，但蒸汽參數(shù)提高的同時也遇到了機組在高溫、高壓參數(shù)下的一些共性技術(shù)難題，尤其是金屬材料的抗高溫腐蝕和高溫蒸汽氧化能力。在高溫蒸汽的作用下，金屬壁面的氧化不可避免，從而在金屬表面生成一層氧化膜。這些氧化膜快速增長后，在熱應(yīng)力的作用下剝落，生成氧化皮顆粒，一部分氧化皮顆粒在鍋爐U型彎底部積聚成團，造成鍋爐受熱面管內(nèi)堵塞而引起局部超溫爆管泄漏事故；另一部分氧化皮顆粒隨蒸汽進入汽輪機，導(dǎo)致汽輪機通流部分固體顆粒侵蝕及汽輪機葉片損害。此外，一小部分微小氧化皮顆粒隨蒸汽循環(huán)系統(tǒng)進入凝結(jié)水系統(tǒng)，這些腐蝕和氧化脫落物會污染水汽品質(zhì)，成為熱力設(shè)備易結(jié)垢部位的沉積物[1-9]。

對熱力系統(tǒng)腐蝕與氧化過程進行在線監(jiān)測，了解和掌握金屬材料高溫腐蝕與氧化的規(guī)律，優(yōu)化機組相關(guān)運行參數(shù)與運行方式，以減少或抑制高溫腐蝕與氧化反應(yīng)，對機組的安全穩(wěn)定運行具有較大的指導(dǎo)意義[10-12]。本文利用撞擊振動波測量技術(shù)原理研發(fā)了脫落氧化物實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了機組全壽命周期脫落氧化物顆粒流量與粒度在線監(jiān)測。

1 撞擊振動波測量技術(shù)

1.1 測量原理

撞擊振動波檢測技術(shù)通過在過熱器、再熱器出口安裝測量探頭，實現(xiàn)脫落氧化物顆粒質(zhì)量濃度和粒度分布在線測量。

在蒸汽管道插入測量探頭，當固體顆?；蛞旱巫矒魷y量探頭，探片會產(chǎn)生振動波信號，此物理現(xiàn)象遵循經(jīng)典的質(zhì)量–能量轉(zhuǎn)換定律，即

=0.52(1)

式中：為撞擊質(zhì)量–能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的動能；為撞擊顆粒質(zhì)量；為撞擊顆粒速度。

固體顆粒或液滴撞擊探頭時產(chǎn)生的微弱振動波強度與撞擊動能大小成正比例關(guān)系，由此測得顆粒撞擊動能值。通過儀表對每個振動波進行信號采集，并將振動波轉(zhuǎn)換成電信號，利用撞擊振動波信號的能量等指標，按照經(jīng)典的質(zhì)量–能量轉(zhuǎn)換定律，獲得每個固體顆粒或液滴的質(zhì)量。監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)處理與分析，可以輸出固體顆?；蛞旱蔚馁|(zhì)量、粒度分布和顆粒流量。

1.2 技術(shù)特點

撞擊振動波檢測技術(shù)基于最本質(zhì)的質(zhì)量–能量轉(zhuǎn)換原理，撞擊動能值只與顆粒質(zhì)量相關(guān)，而與顆粒的密度、形狀、體積、導(dǎo)電性等性質(zhì)無關(guān)，可以測量多相流中任何固體顆?；蛞旱?，是一項無需實物標定即可直接測量出顆粒質(zhì)量的技術(shù)。

該技術(shù)一次測量原件采用堅固的金屬探頭，適應(yīng)于高溫、高壓、腐蝕、磨損等惡劣工作環(huán)境，同時監(jiān)測系統(tǒng)安裝簡單，運行中無需吹掃氣，也沒有消耗部件與運動部件，因此系統(tǒng)運行維護費用低，性能穩(wěn)定。

2 氧化物濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于撞擊振動波測量技術(shù)原理，氧化物濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)既可以監(jiān)測管道內(nèi)單個顆粒質(zhì)量，也可以監(jiān)測單位時間的顆粒數(shù)量，同時系統(tǒng)具備統(tǒng)計顆粒質(zhì)量流量、顆粒質(zhì)量分布等功能，可以實現(xiàn)基于顆粒流量的三級報警功能。脫落氧化物在線監(jiān)測系統(tǒng)既可以有效監(jiān)測脫落氧化物在蒸汽管道中的流動，也可以監(jiān)測固體顆粒總質(zhì)量、質(zhì)量分布和顆粒個數(shù)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

在線監(jiān)測系統(tǒng)原理及構(gòu)成如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)由測量探頭、中央控制單元組成。測量探頭與中央單元通過連接電纜連接。一臺中央單元可采集多個探頭信號進行多路測量。探頭安裝在測量現(xiàn)場，中央單元遠程控制系統(tǒng)既可在控制室內(nèi)安裝，也可現(xiàn)場就地安裝。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)原理及構(gòu)成示意圖

在線監(jiān)測系統(tǒng)標準配置為一臺中央單元帶2路探頭，一路探頭安裝在過熱器出口主蒸管道上，另一路探頭安裝在再熱器出口蒸汽管道上。對于多出口管道過熱器、再熱器，可根據(jù)實際出口管道數(shù)量、擴展探頭數(shù)量，實現(xiàn)過熱器、再熱器每根出口管道安裝一路探頭。

2.2 探頭單元

監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用在超臨界、超超臨界發(fā)電機組，根據(jù)長期在線監(jiān)測經(jīng)驗，該類型機組脫落氧化物主要來源是過熱器和再熱器，過熱器、再熱器出口脫落氧化物含量及變化規(guī)律最能體現(xiàn)整個機組脫落氧化物情況，因此一次測量原件典型的測點安裝位置在過熱器、再熱器出口。

測量探頭為一根金屬棒，頭部為三角形片，采用插入式方式焊接在蒸汽管道上。探頭材質(zhì)采用超級耐磨損合金材料、不銹鋼或P91、P92合金鋼等蒸汽管道同材質(zhì)材料。探頭插入管道內(nèi)直接透焊，焊接工藝與熱電偶保護套管相同，但熱膨脹特性、振動頻率特性均優(yōu)于熱電偶套管，因此其焊接技術(shù)要求比熱電偶套管降低。探頭設(shè)計應(yīng)用的參數(shù)標準為溫度不大于850℃，壓力不大于100MPa。

完整探頭為一根長度約1m的金屬棒，設(shè)計時將探頭切成2段，其中頭部段很短，焊接后極短部分露出管道?，F(xiàn)場安裝調(diào)試時，再將另一段采用普通焊接技術(shù)對接焊接。

探頭頭部安裝方式如圖2所示，在蒸汽管道開一個直徑3.81cm的孔，然后切割成30°~35°坡口，將探頭頭部檢測段(3.81 cm長)插入至管道中，直接焊接完成。

圖2 探頭安裝示意圖

對于新建機組，探頭可在四大管道配管時焊接完成；對于已建機組，探頭可在現(xiàn)場開孔焊接完成，也可利用現(xiàn)有熱電偶插管安裝。

2.3 中央控制單元

中央控制單元為系統(tǒng)主機，其具有探頭信號采集、數(shù)據(jù)處理、檢測值顯示存儲和輸出超限報警、系統(tǒng)操作、通信等功能。通過模擬輸出接口和數(shù)字通信接口，將監(jiān)測信息傳送給分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)等控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制或指導(dǎo)人工操作，對應(yīng)調(diào)整機組運行方式，實時控制脫落氧化物數(shù)量。中央控制單元外殼為墻掛式不銹鋼機盒，帶觸摸式液晶顯示屏。

2.4 連接電纜

連接電纜用于探頭與中央控制單元之間的連接，為信號、電源復(fù)用電纜，既傳輸探頭測量信號，又從中央控制單元向探頭提供電源，探頭無需另外電源。

連接電纜標準最長約為300m，通過增加一個信號中繼放大器可再延長300m，傳輸距離最大長度600m，中繼放大單元也由鏈接電纜提供電源，無需另接電源。

2.5 監(jiān)測信息輸出

在線監(jiān)測系統(tǒng)各路探頭均可實時監(jiān)測脫落氧化物顆粒質(zhì)量含量、粒度分布、顆粒流量，各檢測值均在觸摸式 LCD 顯示屏上顯示，并通過數(shù)字通信接口輸出。

系統(tǒng)監(jiān)控畫面為Windows風(fēng)格，所有監(jiān)測值報表、運行狀態(tài)參數(shù)、報警或警告信息可連續(xù)存儲在中央單元的硬盤中。通過以太網(wǎng)接口通信，PC監(jiān)控終端或任何運行Windows 操作系統(tǒng)的電腦均可監(jiān)控顯示中央單元測量信息。

2.6 測量系統(tǒng)特點

1）高靈敏度。撞擊振動波技術(shù)對于一個小到100nm的細微顆粒，即便在非常低的速度下仍能產(chǎn)生理想的振動波，因此該技術(shù)具有較高的測量靈敏度。

2）高可靠性。撞擊振動波技術(shù)測量信號只依賴于顆粒的撞擊，不受流體其他指標影響。并且振動波為機械波而不是電信號，因此探頭不受現(xiàn)場電磁場干擾。

3）惡劣環(huán)境運行。系統(tǒng)只有一個金屬探頭片進入流體，且插入部分為無源結(jié)構(gòu)，沒有電子器件，因此不受高溫、高壓、腐蝕影響。同時探頭片采用特別耐磨損材料，受磨損影響也很小。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)在火電廠的應(yīng)用

對某660 MW超臨界機組建立鍋爐氧化物濃度在線監(jiān)測與預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，采用軟測量技術(shù)與實時測量技術(shù)相結(jié)合，將測量探頭布置在汽輪機高、中壓缸入口處的高溫主、再蒸汽管道上，實現(xiàn)機組冷態(tài)啟動、正常運行機組停機期間全壽命脫落氧化物在線監(jiān)測。

3.1 主、再蒸汽管道顆粒特征數(shù)據(jù)分析

利用布置在主、再蒸汽管道上的監(jiān)測探頭，監(jiān)測分析主蒸汽管道、再蒸汽管道內(nèi)氧化皮顆粒主要顆粒特征，對于超臨界660 MW機組，監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，主蒸汽管道內(nèi)的顆粒質(zhì)量與顆粒粒度明顯大于再熱蒸汽管道。

3.2 顆粒濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢分析

660 MW機組在啟動至正常運行期間，主蒸汽管道、再蒸汽管道內(nèi)固體顆粒濃度隨時間、負荷的變化趨勢如圖3所示。監(jiān)測趨勢圖表明，脫落氧化物顆粒的最大流量發(fā)生在機組冷態(tài)啟動至帶負荷50%期間，脫落氧化物顆粒最大流量達到0.3 g/s，在機組帶負荷至50%左右時，脫落氧化物顆粒流量突然降低，說明啟動期間脫落氧化物被基本清除。機組啟動運行初期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在負荷穩(wěn)定運行條件下，這期間主、再蒸汽管道內(nèi)固體顆粒流量非常低，固體顆粒含量接近鍋爐給水鐵含量。

表1 監(jiān)測顆粒特征數(shù)據(jù)表

通過對比停機期間監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，機組啟動期間脫落氧化物的顆粒流量比停機期間高2個數(shù)量級。長期正常運行期間監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，主、再蒸汽出現(xiàn)超溫現(xiàn)象時，即使機組在高負荷穩(wěn)定工況下運行，其脫落氧化物顆粒流量仍然明顯增加。

通過對脫落氧化物顆粒流量的測量與分析，可以基本確認脫落氧化物的理論分析結(jié)果：機組在啟動期間顆粒流量大，主要由于停機后受熱面及管道內(nèi)表面快速冷卻，導(dǎo)致層狀氧化物鱗片收縮和脫落；主、再蒸汽超溫時，氧化物顆粒流量增加，主要是因為此時運行溫度往往大大高于氧化物快速生成的溫度水平。

3.3 鐵在循環(huán)蒸汽內(nèi)流動分析

根據(jù)660MW機組監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析主蒸汽管道中顆粒特征參數(shù)，顯示2組截然不同的顆粒粒度。其中一組為質(zhì)量小于10-5g的細粉末，另一組為長度最大3mm、厚度0.7mm、質(zhì)量范圍在1′10-4~5′10-3g的固體顆粒。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合氧化皮顆粒生成理論與蒸汽系統(tǒng)流程，分析主蒸汽管道的氧化皮顆粒至少有2個可能的來源：1）過熱器高溫腐蝕脫落氧化物；2）主蒸汽管道腐蝕氧化物。細粉末狀氧化物則可能來源于汽水循環(huán)氧化物。在脫落氧化物進入汽輪機的所有時間周期內(nèi)，均產(chǎn)生鐵和其他雜質(zhì)，分析脫落氧化物從高、中壓汽缸進入給水加熱器的流動過程如圖4所示。

鍋爐主、再熱器因高溫腐蝕產(chǎn)生的氧化皮顆粒，在蒸汽攜帶下進入汽輪機并被葉片擊碎后，一部分隨各級抽汽進入給水加熱器，經(jīng)加熱器疏水口隨疏水進入鍋爐給水泵，在給水攜帶下進入鍋爐；另一部分則進入凝汽器，其大部分堆積在了凝汽器底部。

3.4 在線監(jiān)測系統(tǒng)作用

實時、在線、連續(xù)監(jiān)測蒸汽管道中脫落氧化物的濃度及粒度主要作用如下：

1）實時控制和操作指導(dǎo)。通過在線監(jiān)測機組啟動、穩(wěn)定運行或負荷調(diào)整期間、停機過程中脫落氧化物濃度，可指導(dǎo)運行人員及時調(diào)整機組負荷運行等鍋爐燃燒參數(shù)，通過實時控制主、再蒸汽超溫、壁溫分布及溫度變化率等手段，控制氧化物產(chǎn)生與脫落，減少脫落氧化物數(shù)量；同時在線監(jiān)測系統(tǒng)還能驗證運行操作的有效性，根據(jù)監(jiān)測反饋指導(dǎo)運行操作，實現(xiàn)預(yù)防鍋爐因氧化皮堵塞導(dǎo)致的爆管、減緩汽輪機固體顆粒侵蝕的目的，提高機組出力，確保安全生產(chǎn)。

2）建立實時統(tǒng)計與機組臺帳。中央處理單元可以存儲全部測量歷史數(shù)據(jù)，建立機組整個服役期脫落氧化物數(shù)據(jù)臺帳，用于統(tǒng)計分析機組整個服役期，尤其每次冷啟動至停機期間脫落氧化物總量，以及相同周期變化趨勢，為調(diào)整運行方式或制定檢修計劃提供決策依據(jù)。

3）優(yōu)化檢修維護方案。參考在線監(jiān)測系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)文檔，做好鍋爐四管防磨、防爆管理，優(yōu)化檢修技術(shù)方案，提高機組安全運行和管理水平。

圖4 脫落氧化物流動示意圖

4 結(jié)論

利用撞擊振動波測量技術(shù)實現(xiàn)了機組全壽命周期脫落氧化物顆粒濃度與粒度在線監(jiān)測，得出以下結(jié)論。

1）監(jiān)測系統(tǒng)利用撞擊振動波測量技術(shù)在線實時、連續(xù)、直接測量脫落氧化物顆粒質(zhì)量、顆粒流量與粒度分布數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了脫落氧化物在蒸汽管道中的流動規(guī)律監(jiān)測。

2）利用監(jiān)測系統(tǒng)分析機組啟動、正常運行與停機期間顆粒流量變化趨勢，發(fā)現(xiàn)機組啟動期間氧化物顆粒流量比停機期間高2個數(shù)量級，而且主、再蒸汽超溫期間脫落氧化物顆粒流量明顯增加，監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了氧化皮顆粒產(chǎn)生的機理依據(jù)，同時也可依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化指導(dǎo)運行操作。

3）通過分析主、再蒸汽管道內(nèi)顆粒流量、粒度分布隨機組運行時間、負荷的變化趨勢，分析氧化物來源，評價氧化物脫落嚴重程度、運行調(diào)整控制效果，對應(yīng)完善運行操作與檢修管理，實現(xiàn)減少脫落氧化物、預(yù)防鍋爐爆管與汽輪機固體顆粒侵蝕的目的。

4）利用監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)機組啟停及運行期間汽水系統(tǒng)蒸汽品質(zhì)監(jiān)測，研究分析鐵在機組汽水循環(huán)過程中流動規(guī)律，可以為化學(xué)汽水品質(zhì)監(jiān)督提供可靠的技術(shù)手段。

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Development and Application of On-line Monitoring System for Falling-off Oxides of Supercritical Boilers

CUI Xiuqiang

(Huadian International Power Co., LTD., Technical Service Branch, Ji'nan 250014, Shandong Province, China)

In order to realize the life cycle monitoring of exfoliated oxide, a real-time on-line monitoring system for exfoliated oxide of supercritical boilers was developed. The monitoring system installs measuring probes at the outlet of superheater and reheater. By using the impact vibration wave measurement technology, the mass content, particle size distribution and particle flow of exfoliated oxide particles can be directly measured online, real-time and continuously, and the flow of exfoliated oxide in steam pipeline can be effectively monitored.The system is applied in supercritical generating units. By analyzing particle characteristics data, and the variation trend of solid particle concentration with time and load in steam pipeline, the severity of oxide shedding is monitored, and the operation control is evaluated. The purpose of reducing oxide shedding and preventing solid particle erosion is realized.At the same time, the system is used to monitor the quality of steam impurities during the start-up and operation of the unit, and to study the flow of iron in the steam-water cycle of the unit.

supercritical boilers; exfoliated oxide; life cycle; on-line monitoring; characteristic data

10.12096/j.2096-4528.pgt.18257

TK 227

2019-09-18。

(責(zé)任編輯 辛培裕)