煤矸石300MW 鍋爐高溫氧化皮脫落分析與預(yù)防

鄭潤(rùn)輝

（遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112700）

現(xiàn)在隨著火電技術(shù)水平的發(fā)展，一大批大容量、高參數(shù)機(jī)組大量投入運(yùn)行，但是在運(yùn)行過程中或多或少會(huì)產(chǎn)生一定的氧化皮，在高參數(shù)下，爐管的焊件受到不同擴(kuò)張力的影響會(huì)產(chǎn)生裂紋，使金屬直接暴露在氧化環(huán)境中，導(dǎo)致爐管氧化速度進(jìn)一步加速，產(chǎn)生的氧化皮會(huì)附著在爐管表面，如果鍋爐管壁長(zhǎng)期存在過熱現(xiàn)象，便可能容易發(fā)生爆管事故[1]，以及汽輪機(jī)主、調(diào)閥卡澀事故，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。通過討論火電廠金屬氧化皮產(chǎn)生的機(jī)理并制定相應(yīng)的安全措施，對(duì)火電廠的安全運(yùn)行具有很大的指導(dǎo)意義。

1 氧化皮產(chǎn)生機(jī)理

氧化皮生產(chǎn)原因、蒸汽氧化主要機(jī)理，其電化學(xué)過程如下：

在火電鍋爐熱力系統(tǒng)的環(huán)境溫度要求范圍內(nèi)，鐵、給水、氧氣指標(biāo)體系的吸附反應(yīng)依照環(huán)境溫度區(qū)間及作用基本原理的區(qū)別，可以分為電化學(xué)變化及化學(xué)變化。在運(yùn)行低溫區(qū)是電化學(xué)反應(yīng)，金屬通過氧氣之間的一系列化學(xué)反應(yīng)最終變成穩(wěn)定的Fe3O4。隨著溫度的升高，高溫氧化的化學(xué)反應(yīng)速度極速加快，F(xiàn)e3O4氧化層呈現(xiàn)1%-15%的孔隙，由于孔隙的存在使Fe2+發(fā)生氧化，生成Fe2O3沉淀在Fe3O4層的縫隙里，堵住了Fe3O4膜的縫隙，進(jìn)而使Fe2+氧化的速度變慢，在金屬表面生成穩(wěn)定的雙層保護(hù)膜，高溫段的氧化膜一般統(tǒng)一叫做氧化膜[2]。

高溫蒸汽管內(nèi)壁氧化薄膜應(yīng)是個(gè)自然的過程，蒸汽水溫大于450℃才進(jìn)入氧化范圍，開始時(shí)氧化薄膜演變很快，當(dāng)氧化膜形成后反應(yīng)速率變慢，但隨著運(yùn)行工況的劇烈變化，以及管子母材和氧化膜各異的擴(kuò)張能力，金屬表面的氧化膜能產(chǎn)生裂縫，裂縫的存在致使機(jī)體金屬直接暴露于氧化環(huán)境之中，加快了氧化的速度，隨著高溫高壓的持續(xù)，金屬管壁能持續(xù)被氧化，最終產(chǎn)生大量的氧化皮，氧化層亦開始向雙層、多層發(fā)展。

2 氧化皮脫落原因

2.1 影響鍋爐氧化皮脫落的因素

火電廠在運(yùn)行過程中，蒸汽的溫度最高可以達(dá)到550℃～600℃，但是它的氧化范圍只為450℃～700℃，正好在機(jī)組運(yùn)行參數(shù)范圍內(nèi)，蒸汽通過分解變成氫氧原子以及氧原子，進(jìn)而與鍋爐內(nèi)壁金屬原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成金屬氧化皮，在機(jī)組運(yùn)行的高參數(shù)下，當(dāng)金屬氧化膜生成到0.05～0.1mm，即達(dá)到臨界值時(shí)，氧化皮會(huì)出現(xiàn)自然脫落現(xiàn)象，堵塞鍋爐爐管，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆管事件。通過對(duì)火電廠運(yùn)行過程中金屬氧化皮產(chǎn)生的機(jī)理和脫落原因進(jìn)行分析，進(jìn)一步對(duì)機(jī)組運(yùn)行過程中氧化皮的環(huán)境因素展開以下分析。

2.2 爐管材質(zhì)因素

鍋爐爐管材質(zhì)成分多且含量各異，T23、T91、TP347以及Super304H 的抗氧化性和抗氧化溫度也存在差異，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮實(shí)際情況，預(yù)留好富裕度，否則在運(yùn)行過程中就會(huì)超過設(shè)計(jì)值，鍋爐爐管長(zhǎng)時(shí)間溫度高于抗氧化溫度，進(jìn)而在短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)生氧化現(xiàn)象，氧化皮超過臨界值，出現(xiàn)氧化皮脫落[3]。

表1

2.3 管壁溫度因素

對(duì)于已經(jīng)脫落的氧化皮，一般通過查閱運(yùn)行記錄，檢查蒸汽溫度是否超溫來驗(yàn)證金屬氧化皮的生成，當(dāng)運(yùn)行工況溫度超過設(shè)計(jì)值時(shí)，就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)加快氧化速度，另一方面爐管氧化皮厚度變大，迅速達(dá)到臨界厚度，極易引起氧化皮掉落。

2.4 機(jī)組啟停時(shí)熱應(yīng)力因素

鍋爐啟動(dòng)時(shí)，一般熱負(fù)荷很大，水循環(huán)不能達(dá)到正常的流量規(guī)范，這時(shí)鍋爐管壁處于干燒工況，在這種情況下，應(yīng)該及時(shí)噴減溫水來降低溫度，同時(shí)由于減溫水的應(yīng)用，盡管降低了爐管溫度，但也會(huì)同步產(chǎn)生大量的熱應(yīng)力，促進(jìn)了金屬氧化皮的脫落。在汽輪機(jī)組停機(jī)時(shí)，容易出現(xiàn)參數(shù)波動(dòng)大，鍋爐燃燒情況不穩(wěn)定等問題，這些問題出現(xiàn)后，容易導(dǎo)致主再熱汽溫迅速下降，進(jìn)而使金屬產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力下使氧化皮脫落。綜上所述，火電廠機(jī)組在啟停過程中，主再熱汽溫變化大、溫升變化率大導(dǎo)致金屬內(nèi)壁產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，是引起爐管金屬氧化皮脫落的因素之一。

2.5 鍋爐BT 壓火，停爐不停機(jī)的影響

循環(huán)流化床鍋爐蓄熱量大，可以實(shí)現(xiàn)這種工況。調(diào)兵山電廠至2 號(hào)機(jī)組投產(chǎn)以來，每年都有不止一次的鍋爐BT 或壓火處理缺陷而短時(shí)間停爐不停機(jī)的運(yùn)行工況。這種停爐不停機(jī)的短時(shí)間運(yùn)行工況，為了不使汽溫、汽壓下降過快，汽輪機(jī)需要快速將負(fù)荷減到最低，并且旁路要保持關(guān)閉狀態(tài)。這樣通過爐管的蒸汽流量非常少，很有可能在爐管局部出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，而這種超溫現(xiàn)象又無法監(jiān)視到，在短時(shí)間內(nèi)加劇爐管氧化的速度。

3 氧化皮脫落產(chǎn)生的問題

2010 年5 月遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司2 號(hào)機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行，至X 年11 月高壓主汽門未發(fā)生過因爐管氧化皮脫落引起的卡澀，X 年12 月1 日機(jī)組發(fā)生事故造成全廠停電，機(jī)組雙停期間，機(jī)組跳閘后，由于循環(huán)流化床鍋爐雖然BT 跳閘，但由于其蓄熱能力強(qiáng)、過熱蒸汽減溫水失去、高壓旁路開度不夠（高壓旁路減溫水失去，開度過大時(shí)高旁后溫度超溫），導(dǎo)致高溫過熱器超溫（超過545℃）56 分鐘，最高溫度達(dá)到571℃，這樣加劇了高溫過熱器的氧化皮的形成、脫落，隨后在機(jī)組啟動(dòng)后的運(yùn)行過程中，1 號(hào)高壓主汽門在做定期試驗(yàn)時(shí)多次出現(xiàn)輕微卡澀現(xiàn)象，在次年6 月2 日的定期活動(dòng)試驗(yàn)時(shí)1 號(hào)高壓主汽門卡澀嚴(yán)重，無法開至正常位置。在其后的機(jī)組小修中，將1 號(hào)高壓主汽門解體后獲取的卡澀物質(zhì)送遼寧電科院檢查，證明是管壁脫落的氧化皮。

4 防止氧化皮減緩、脫落的技術(shù)措施

4.1 給水處理方式

當(dāng)前國(guó)內(nèi)給水處理方法主要有三種方法，分別是還原性全揮發(fā)處理AVT（R）、弱氧化性全揮發(fā)處理AVT（O）和加氧處理OT[4]，在實(shí)際運(yùn)行過程中，根據(jù)機(jī)組型式、材料特性等制定相應(yīng)的運(yùn)行規(guī)范。

4.2 調(diào)兵山電廠給水處理方式

調(diào)兵山電廠采用[AVT（O）]即機(jī)組給水只加氨的處理，機(jī)組爐水采用爐水固體堿化劑處理，根據(jù)運(yùn)行情況來看，機(jī)組基本無腐蝕情況發(fā)生，通過檢修期間對(duì)兩臺(tái)機(jī)組水冷壁割管檢測(cè)情況，我廠均屬一類情況。

4.3 機(jī)組啟動(dòng)

1.確認(rèn)除氧器水質(zhì)符合要求，鍋爐可以進(jìn)行上水。鍋爐上水過程中控制上水量80～120t/h，夏季不小于2小時(shí)，冬季上水時(shí)間不小于4 小時(shí)，上至點(diǎn)火水位。

2.啟動(dòng)煙風(fēng)系統(tǒng)，檢查機(jī)組具備點(diǎn)火條件。

3.根據(jù)要求投入風(fēng)道燃燒器運(yùn)行，控制出口煙溫不大于900℃，鍋爐的床溫升溫速率不得超過100 ℃/h。逐漸增加油量，原則上控制升溫速度不大于1.5℃/min，升壓速度：4.0MPa以下0.01MPa/min-0.03MPa/min；4.0MPa以上0.02MPa/min-0.05MPa/min。具體按升溫升壓曲線進(jìn)行。

4.床溫380℃檢查給煤線，床溫400℃對(duì)稱投入2、3 號(hào)給煤線（前給煤口），1、4 號(hào)給煤線（后給煤口）點(diǎn)動(dòng)給煤，燃燒后逐漸升溫至520℃，逐漸減少油量。床壓不再繼續(xù)下降時(shí)二次風(fēng)量改為上小下大，控制高過入口溫度500℃。投煤燃燒穩(wěn)定后，根據(jù)需要緩慢投入高再低過外置床各風(fēng)室流化風(fēng)量，緩慢暖外置床，定期開灰控閥。

5.汽壓升至4.2MPa，過熱汽溫340℃，再熱汽壓力：0.8MPa 再熱汽溫260℃，蒸汽品質(zhì)合匯報(bào)值長(zhǎng)，具備沖轉(zhuǎn)條件，利用高低旁路控制機(jī)組壓力。

6.暖機(jī)時(shí)中壓主汽門前蒸汽溫度達(dá)260℃時(shí)，開始計(jì)算暖機(jī)時(shí)間 ≮ 3 小時(shí)，原則上控制主汽溫升溫速度≯0.25℃/min，再熱汽溫≯0.2℃/min，但主汽溫度不得超過427℃，再熱汽溫不得低于260℃。

7.暖機(jī)后結(jié)束后升速定速緩慢增加給煤，高旁仍保持80%以上，低旁60%以上，保持壓力穩(wěn)定，緩慢投入中過外置床。

8.并網(wǎng)立即關(guān)閉減溫水門氣溫逐漸上升，關(guān)高低旁控制壓力上升，帶初負(fù)荷15MW 維持10 分鐘，緩慢增加機(jī)組負(fù)荷。

4.4 機(jī)組停運(yùn)

1.機(jī)組主蒸氣、再熱蒸氣的降溫速率：＜1℃/min。

2.機(jī)組主蒸氣、再熱蒸氣的降壓速度：＜0.098 MPa/min。

3.汽輪機(jī)缸體金屬的溫度下降率：＜1℃/min。

4.機(jī)組主蒸氣、再熱蒸氣的過熱度：＞56℃。

5.機(jī)組主蒸氣、再熱蒸氣的溫度差值小于30℃。

6.負(fù)荷下降速度：＜3 MW/min。

7.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后面的蒸汽溫度，不得低于高壓內(nèi)缸金屬溫度30℃，若低于則暫時(shí)停止降溫。

8.按照機(jī)組滑參數(shù)停機(jī)的要求控制床溫不大于100℃/h，床溫490℃以下停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行，關(guān)閉送風(fēng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口擋板封閉爐膛進(jìn)行悶爐，防止受熱面快速冷卻。六小時(shí)后，開啟兩臺(tái)二次風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)出入口擋板，全開上二次風(fēng)風(fēng)量擋板，然后根據(jù)汽包壁溫差調(diào)整上二次風(fēng)擋板開度。

9.如果遇到特殊情況，當(dāng)床溫降至200℃左右時(shí)，可執(zhí)行快速冷卻措施。

4.5 機(jī)組正常運(yùn)行汽溫變化規(guī)定及異常處理

嚴(yán)格執(zhí)行主、再熱蒸汽溫度異常的運(yùn)行規(guī)定，不斷完善熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)給水、一、二級(jí)減溫水、再熱器溫度自動(dòng)、負(fù)荷控制邏輯不斷進(jìn)行改進(jìn)，減輕系統(tǒng)溫度的周期性波動(dòng)幅度和速率。

1.正常控制主汽溫度：541+5 或-10℃，再熱汽溫：541+5 或-10℃。

2.主、再熱蒸汽汽溫上升至551℃，應(yīng)匯報(bào)值長(zhǎng)，鍋爐盡快恢復(fù)必須立即采取一切手段進(jìn)行調(diào)整降溫，且異常升高至546℃～551℃之間全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不得超過400 小時(shí)。

3.主、再熱蒸汽汽溫上升至565℃，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不得超過15 分鐘，否則應(yīng)匯報(bào)值長(zhǎng)不破壞真空故障停機(jī)，并且異常升高至551℃～565℃之間全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不得超過80 小時(shí)。

4.主、再熱蒸汽汽溫上升超過565℃，應(yīng)立即匯報(bào)值長(zhǎng)不破壞真空故障停機(jī)處理。

5.主、再熱蒸汽汽溫下降至525℃，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整恢復(fù)；下降至510℃，應(yīng)按相應(yīng)的規(guī)定進(jìn)行減負(fù)荷，并適當(dāng)降低汽壓，保證蒸汽過熱度不低于120℃，并匯報(bào)值長(zhǎng)；下降至460℃，雖經(jīng)減負(fù)荷至零仍不能恢復(fù)并繼續(xù)下降至454℃時(shí)，應(yīng)匯報(bào)值長(zhǎng)不破壞真空故障停機(jī)處理。

6.主、再熱蒸汽溫度異常時(shí)，應(yīng)迅速采取措施恢復(fù)汽溫至正常，在處理過程中，若汽溫在10 分鐘內(nèi)急速下降超過50℃，應(yīng)立即匯報(bào)值長(zhǎng)，按不破壞真空故障停機(jī)處理。

7.汽溫下降減負(fù)荷過程中，應(yīng)適當(dāng)降低主汽壓力以保持蒸汽過熱度不小于56℃，否則立即匯報(bào)值長(zhǎng)按不破壞真空故障停機(jī)。

5 結(jié)語

總之，在機(jī)組運(yùn)行過程中，應(yīng)加強(qiáng)鍋爐爐管金屬氧化皮的監(jiān)管，在運(yùn)行過程中要嚴(yán)格按照規(guī)范操作，及時(shí)調(diào)整汽溫、汽壓，防止溫度超過規(guī)定值，加速金屬氧化皮的生成，同時(shí)，在運(yùn)行過程中，應(yīng)該避免鍋爐熱負(fù)荷短時(shí)間內(nèi)大幅度波動(dòng)、負(fù)荷大幅度波動(dòng)；在機(jī)組停運(yùn)后，要堅(jiān)持逢停必檢的原則，針對(duì)鍋爐本體及高溫蒸氣管道進(jìn)行氧化皮狀態(tài)檢查、清理，降低機(jī)組運(yùn)行過程中由于氧化皮的存在造成事故發(fā)生的概率。