某電廠超超臨界鍋爐氧化皮生成機(jī)理分析及應(yīng)對(duì)策略研究

高志華 董占雙

摘要：

現(xiàn)在，隨著電站鍋爐向著超超臨界的高參數(shù)，高效率發(fā)展，蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕（SPE）問(wèn)題變得越來(lái)越突出。鍋爐管道中氧化皮脫落沉積甚至堵塞，會(huì)造成受熱面超溫甚至爆管，汽輪機(jī)葉片嚴(yán)重侵蝕斷裂，對(duì)氧化皮高溫系統(tǒng)閥門(mén)會(huì)造成卡塞，危及安全等問(wèn)題。本文介紹了廣東某電廠超超臨界鍋爐概況，分析了超超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮的形成和剝落機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上探討應(yīng)對(duì)預(yù)防策略。

關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐，氧化皮，剝落，壁厚

1、設(shè)備簡(jiǎn)況

廣東某電廠鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，鍋爐采用一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置。由上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)Alstom-Power公司Boiler Gmbh的技術(shù)生產(chǎn)。

爐膛由膜式水冷壁組成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。爐膛下部采用螺旋水冷壁，上方為垂直水冷壁，螺旋水冷壁與垂直水冷壁采用中間聯(lián)箱連接過(guò)渡。爐膛上部依次分別布置有一級(jí)過(guò)熱器、三級(jí)過(guò)熱器、二級(jí)再熱器、二級(jí)過(guò)熱器、一級(jí)再熱器、省煤器。

項(xiàng) 目 單位 MCR工況 THA工況

過(guò)熱蒸汽流量 T/h 3091 2712

過(guò)熱蒸汽出口壓力 MPa 27.46 27.16

過(guò)熱蒸汽出口溫度 ℃ 605 605

再熱蒸汽流量 T/h 2581 2282

再熱蒸汽進(jìn)口壓 MPa 6.03 5.33

再熱蒸汽出口壓力 MPa 5.83 5.15

再熱蒸汽進(jìn)口溫度 ℃ 375 352

再熱蒸汽出口溫度 ℃ 603 603

省煤器進(jìn)口溫度 ℃ 298 289

省煤器進(jìn)口壓力 MPa 31.46 30.26

省煤器出口水溫 ℃ 334 326

表1 廣東某電廠鍋爐主參數(shù)一覽

2 氧化皮的生成與剝落

2.1 氧化皮生成的機(jī)理

鐵素體和奧氏體管材在鍋爐高溫段爐管廣泛使用，這些管材在高溫下運(yùn)行與蒸汽作用會(huì)在爐管內(nèi)壁生成一層氧化皮，阻礙了鐵和水或蒸汽間的進(jìn)一步反應(yīng)，可以防止管內(nèi)介質(zhì)中的某些成分對(duì)金屬的腐蝕。但是，在一定條件下，這些氧化皮會(huì)與母材脫離，鋼表面氧化皮的生成是金屬在高溫水汽中發(fā)生氧化的結(jié)果。在570℃以下，生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4組成，F(xiàn)e2O3和Fe3O4都比較致密（尤其是Fe3O4），因而可以保護(hù)鋼材以免其進(jìn)一步氧化。當(dāng)超過(guò)570℃時(shí)，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO層組成，見(jiàn)圖1。其中主要是由FeO組成，雖然FeO在最內(nèi)層，但因FeO致密性差，破壞了整個(gè)氧化膜的穩(wěn)定性。

圖1 高于570℃管內(nèi)壁多層氧化膜結(jié)構(gòu)

研究表明，當(dāng)溫度超過(guò)450℃時(shí)，由于熱應(yīng)力等因素的作用，生成的Fe3O4也不能形成致密的保護(hù)膜，使水蒸汽和鐵不斷發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)汽水溫度達(dá)到570℃以上，反應(yīng)生成物為FeO，且其反應(yīng)速度更快，此時(shí)金屬的抗氧化能力則大大降低。

1.2 影響氧化皮生成的因素

氧化皮生成與溫度、時(shí)間、氧含量、蒸汽壓力和流速、鋼材成分、氧化皮成分等有關(guān)。通常認(rèn)為：運(yùn)行時(shí)間和氧化皮的厚度基本呈線性關(guān)系；介質(zhì)中氧的分壓愈高，流速愈快，氧化皮生成速度愈快；溫度對(duì)氧化皮厚度的影響呈加速上升（符合拋物線規(guī)律）的趨勢(shì)，當(dāng)金屬材料在接近和達(dá)到其許用溫度區(qū)域時(shí)，影響極為顯著。

研究結(jié)果顯示，金屬表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和鐵反應(yīng)生成，而是由水汽本身的氧分子氧化表面的鐵所形成的。在570℃以上，水分子會(huì)分解為氫氧原子結(jié)構(gòu)，大量的氧原子充分滿足了氧化反應(yīng)的需要。而570℃也正是形成不致密的FeO的關(guān)鍵溫度值，所以570℃應(yīng)該成為制定運(yùn)行參數(shù)的重要參考。

1.3 氧化皮剝落的機(jī)理

在溫度變化時(shí)，氧化皮本身以及母材間的膨脹系數(shù)不同，氧化皮和管壁間的應(yīng)力和能量也隨之增加。當(dāng)氧化皮應(yīng)變所積蓄的能量大于該氧化皮脫層而產(chǎn)生新的內(nèi)表面所需的能量時(shí)，就會(huì)發(fā)生剝落。因而溫度變化越劇烈，越容易以開(kāi)裂和隆起（翹起）等形態(tài)剝落，如下圖所示。

圖2 鐵素體鋼氧化皮開(kāi)裂、隆起（翹起）形態(tài)

研究還表明，鐵素體鋼管子內(nèi)壁氧化皮達(dá)到0.15～0.20mm就有剝落傾向，越厚越危險(xiǎn)，越厚其剝落量也會(huì)相對(duì)增大，剝落主要以縱向開(kāi)裂、隆起（翹起）和片狀剝落為主，生長(zhǎng)到0.30mm以上厚度時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較大。

3 預(yù)防氧化皮形成的措施

根據(jù)以上分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，總結(jié)可知，要控制氧化皮的生成及剝落，需要從設(shè)備制造安裝、調(diào)試、運(yùn)行調(diào)整、質(zhì)量監(jiān)督等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)防和控制，受篇幅所限，本文重點(diǎn)討論運(yùn)行調(diào)整方面的措施。

3.1 減緩生成

3.1.1 加強(qiáng)鍋爐給水、爐水、主再熱蒸汽的品質(zhì)監(jiān)督：在鍋爐啟動(dòng)前進(jìn)行冷態(tài)沖洗，給水化驗(yàn)不合格前禁止點(diǎn)火；在機(jī)組升溫升壓階段進(jìn)行工作熱態(tài)沖洗，熱態(tài)清洗水質(zhì)合格后才可以繼續(xù)按照升溫升壓曲線增加燃料；機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，嚴(yán)禁精處理裝置退出運(yùn)行，確保給水、蒸汽品質(zhì)合格，在給水、蒸汽品質(zhì)嚴(yán)重惡化，經(jīng)努力調(diào)整仍無(wú)法恢復(fù)時(shí)停止鍋爐運(yùn)行。

3.1.2 防止鍋爐受熱面金屬管壁超溫運(yùn)行

3.1.2.1 鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)的點(diǎn)火初期，過(guò)、再熱器處于干燒狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)根據(jù)受熱面的金屬許用溫度來(lái)限制爐膛出口煙氣溫度低于540℃。要控制管壁的溫升速度，保持低燃燒增加速率。

3.1.2.2 機(jī)組在未投入?yún)f(xié)調(diào)的工況時(shí)，控制燃料量變化速度不大于1.8t/min（每次增加或減少不超過(guò)4 t/H）。

3.1.2.3 控制同級(jí)受熱面出口蒸汽溫度偏差小于40℃，否則應(yīng)通過(guò)調(diào)整鍋爐配風(fēng)燃燒器擺角等使之正常。

3.1.2.4 加強(qiáng)對(duì)高溫受熱面金屬溫度的監(jiān)視，在亞臨界工況和75%負(fù)荷下應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.1.2.5 鍋爐在濕態(tài)與干態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)域運(yùn)行時(shí)，調(diào)整燃料量應(yīng)平緩并盡量縮短其運(yùn)行時(shí)間，注意保持給水流量的穩(wěn)定，防止鍋爐受熱面金屬溫度的波動(dòng)。

3.1.2.6 進(jìn)行制粉系統(tǒng)啟動(dòng)、鍋爐干濕態(tài)切換等操作時(shí)極易引起汽溫波動(dòng)，要做好預(yù)控，做到平穩(wěn)操作。

3.2 控制剝落

3.2.1 機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中嚴(yán)格按照廠家指導(dǎo)曲線控制溫度、壓力變化速率。

3.2.2 嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定控制升降負(fù)荷速率，控制管壁溫度升降速率，加強(qiáng)汽溫控制杜絕主汽溫度大幅波動(dòng)或超溫運(yùn)行。

3.2.3 減溫水使用操作要平穩(wěn)，溫度控制要超前，避免突開(kāi)突關(guān)減溫水門(mén)使管壁急速降溫和升溫導(dǎo)致氧化皮集中脫落。

3.2.4 合理調(diào)配機(jī)組負(fù)荷，加強(qiáng)對(duì)鍋爐主、再熱汽溫及鍋爐各受熱面壁溫的控制及調(diào)整，盡量減少主、再熱汽溫及鍋爐各受熱面壁溫的大幅度波動(dòng)。

3.2.5 鍋爐熄火后，檢查所有減溫水隔絕門(mén)關(guān)閉，避免減溫水進(jìn)入過(guò)熱器系統(tǒng)導(dǎo)致氧化皮脫落。鍋爐停爐后完成吹掃要及時(shí)停運(yùn)送、 引風(fēng)機(jī)，進(jìn)行悶爐，鍋爐自然降壓。鍋爐應(yīng)保持18h以上的悶爐時(shí)間，不宜進(jìn)行強(qiáng)冷。

3.3 加強(qiáng)檢查

3.3.1 機(jī)組停運(yùn)后的啟動(dòng)，若汽機(jī)高壓缸壁溫小于100度，應(yīng)進(jìn)行鍋爐水壓試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，檢修人員應(yīng)對(duì)受熱面進(jìn)行摸管檢查，防止氧化皮堵塞。

3.3.2 定期對(duì)蒸汽含氫量進(jìn)行測(cè)定并記錄，以評(píng)價(jià)受熱面蒸汽氧化腐蝕程度，及早發(fā)現(xiàn)腐蝕趨勢(shì)，避免出現(xiàn)嚴(yán)重后果。

3.3.3啟動(dòng)期間在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，保持三臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，煤量180t/h以上大流量沖洗15～30min，再逐漸降低主、再汽溫度，進(jìn)行沖轉(zhuǎn)。在大流量沖洗前，應(yīng)盡量提高給水溫度。

4 結(jié)束語(yǔ)

超超臨界大容量機(jī)組的蒸汽參數(shù)高，更易引起蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕問(wèn)題，對(duì)機(jī)組安全影響更大。因此通過(guò)研究鍋爐管道氧化皮生成及剝落機(jī)理，結(jié)合機(jī)組設(shè)計(jì)、運(yùn)行的實(shí)際情況，分析并制定嚴(yán)格有效的預(yù)防措施，對(duì)于減輕鍋爐受熱面的氧化皮問(wèn)題具有十分積極的意義。

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[4] 于濱，苗淑紅 超臨界鍋爐氧化皮預(yù)防處理研究[J].電力建設(shè)，2009，（2）：101.

作者簡(jiǎn)介：

1 高志華（1981—），男，河北人，助理工程師，本科學(xué)歷，主要從事火力發(fā)電廠集控運(yùn)行工作。

2 董占雙（1974-），男，工程師職稱(chēng)，華電能源股份有限公司富拉爾基熱電廠副總兼工程部主任，從事火力發(fā)電廠基建及生產(chǎn)工作。