超超臨界機(jī)組氧化皮脫落成因分析及防治

王風(fēng)

摘要：對(duì)呂四港電廠超超臨界鍋爐爆管故障進(jìn)行了分析，對(duì)氧化皮成因進(jìn)行了探討，提出了氧化皮綜合治理措施;在未完全更換薄弱管材的情況下，大幅減少了高溫受熱面氧化皮的生成和剝落，緩解了由于氧化皮問(wèn)題而引起的超溫爆管事故。

關(guān)鍵詞：超超臨界;鍋爐;氧化皮

一、前言

呂四港電廠1～4號(hào)機(jī)組采用哈鍋生產(chǎn)的超超臨界變壓直流爐，型號(hào)為HG-2000/26.15-YM3。鍋爐П型布置、單爐膛、墻式切圓燃燒，爐膛由內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁構(gòu)成;鍋爐采用帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)，蒸汽出汽水分離器后經(jīng)低過(guò)、分隔屏、后屏、末級(jí)過(guò)進(jìn)入汽機(jī);再熱器包括低再和高再。4臺(tái)機(jī)組投運(yùn)后一段時(shí)間后，高溫受熱面連續(xù)發(fā)生多起爆管事故。經(jīng)檢查分析，直接原因是高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮脫落，聚集在U型彎的底部，當(dāng)氧化皮堵塞達(dá)到一定程度后，引發(fā)受熱面超溫爆管。電廠迫切需要解決氧化皮生成和大量剝落問(wèn)題。由于影響因素眾多，治理氧化皮問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到發(fā)電運(yùn)行、鍋爐檢修、金屬監(jiān)督、化學(xué)檢驗(yàn)等較多部門和專業(yè)，需多方配合，重點(diǎn)從運(yùn)行方式、水汽品質(zhì)控制、金屬管材使用及設(shè)備檢修治理等方面綜合治理。設(shè)備概況某電廠一期工程為2×630 MW超臨界燃煤機(jī)組，鍋爐為引進(jìn)技術(shù)制造的超臨界參數(shù)、變壓運(yùn)行、螺旋管圈直流鍋爐，為單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊П型結(jié)構(gòu)、露天布置的燃煤鍋爐。

2007年2月28日#1機(jī)組投運(yùn)，2007年6月28日#2機(jī)組投運(yùn)，自投運(yùn)至2017年10月，鍋爐受熱面沒(méi)有進(jìn)行過(guò)升級(jí)改造，也沒(méi)有進(jìn)行過(guò)酸洗。鍋爐給水經(jīng)省煤器受熱面吸熱后進(jìn)入螺旋管水冷壁和垂直管水冷壁繼續(xù)吸熱，然后進(jìn)入汽水分離器進(jìn)行汽水分離;從分離器出來(lái)的水進(jìn)入大氣擴(kuò)容器，通過(guò)疏水泵排往汽輪機(jī)凝結(jié)器;從分離器出來(lái)的蒸汽則進(jìn)入過(guò)熱器。2過(guò)熱器超溫爆管事故投產(chǎn)以后，根據(jù)電廠的運(yùn)行規(guī)程及廠家的說(shuō)明書要求，鍋爐在啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)給水流量始終不得低于574 t/h（即給水低流量保護(hù)）。此時(shí)，主蒸汽溫度（以下簡(jiǎn)稱主汽溫）、過(guò)熱器壁溫溫升速率過(guò)快（超過(guò)1.5℃/min，有時(shí)甚至超過(guò)3℃/min）且超溫頻繁，難以控制。為控制主汽溫、過(guò)熱器壁溫溫升速率，啟機(jī)需要8～10 h，有時(shí)高達(dá)12 h。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該電廠2009—2011年共啟機(jī)32次，發(fā)生過(guò)5起鍋爐啟動(dòng)1周內(nèi)過(guò)熱器超溫爆管的停爐事故。

二、爆管故障及分析

呂四港電廠2011年2月～2012年2月間共發(fā)生7次高溫受熱面爆管事故，參見(jiàn)表1。由發(fā)生爆管故障的時(shí)間看，各臺(tái)鍋爐高溫受熱面爆管具有相似的時(shí)間特性，通常發(fā)生在機(jī)組檢修后冷態(tài)啟動(dòng)并網(wǎng)1～5天內(nèi)的高負(fù)荷工況，而在機(jī)組正常運(yùn)行中未發(fā)生后屏過(guò)、末級(jí)過(guò)熱器爆管。爆管的爆口位置多在入口彎頭處及出口水平段，形態(tài)均帶有明顯的短期超溫跡象，除發(fā)生爆管的管屏外，其周圍管屏并無(wú)明顯的超溫跡象;爆口脹粗顯著，邊緣減薄明顯;見(jiàn)圖1。每次發(fā)生爆管故障后對(duì)高溫受熱面管屏下彎頭檢查，均發(fā)現(xiàn)氧化皮聚集堆積現(xiàn)象（見(jiàn)圖2）;對(duì)總計(jì)12 180個(gè)未爆管彎頭進(jìn)行氧化皮專項(xiàng)檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)約4 560個(gè)彎頭存在超標(biāo)問(wèn)題，超標(biāo)率高達(dá)37.5%。后屏過(guò)熱器管屏下彎頭超標(biāo)管內(nèi)氧化皮重量一般在45～70 g;高溫過(guò)熱器管屏下彎頭超標(biāo)管內(nèi)氧化皮稱重一般在60～100 g;高溫再熱器入口管屏下彎頭氧化皮偏多，厚度在100μm左右，稱重一般在100～600 g。在進(jìn)行氧化皮專項(xiàng)檢測(cè)同時(shí)，還對(duì)部分高溫受熱面管進(jìn)行了射線復(fù)核抽查，確認(rèn)氧化皮堵塞情況。圖3和圖4給出氧化皮堵塞超過(guò)管子通徑1/3的射線圖片，表明已存在氧化皮堵塞爆管風(fēng)險(xiǎn)。由此確認(rèn)，各臺(tái)鍋爐連續(xù)超溫爆管與氧化皮剝落堵塞管道有直接關(guān)系。

三、氧化皮成因分析

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究表明，氧化皮問(wèn)題成因復(fù)雜，主要與受熱面材質(zhì)、運(yùn)行控制等有關(guān)。2.1材質(zhì)分析（1）受熱面材料分析呂四港電廠鍋爐過(guò)熱器和再熱器高溫段全部采用奧氏體鋼，材質(zhì)如下：分隔屏過(guò)熱器（出口側(cè)）主要材質(zhì)為SA-213TP347H;后屏過(guò)熱器入口側(cè)主要材質(zhì)為SA-213TP347H，出口側(cè)主要材質(zhì)為A-213S30432;末級(jí)過(guò)熱器入口側(cè)主要材質(zhì)為SA-213TP347H，出口側(cè)主要材質(zhì)為A-213S30432，外圈管為A-213S30432及SA-213TP310HCbN;高溫再熱器入口段主要材質(zhì)為SA-213TP347H，中間交叉段主要材質(zhì)為A-213S30432，出口側(cè)主要材質(zhì)為SA-213TP310HCbN。對(duì)管材進(jìn)行光譜分析表明，各受熱面材質(zhì)符合原設(shè)計(jì)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)用錯(cuò)管材型號(hào)或使用劣質(zhì)管材問(wèn)題。受檢管材主要合金元素成分含量如表2。試樣布氏硬度值為：160、155、172、175、175 HB，試樣的硬度值均低于正常值（180 HB左右）。（2）同類型鍋爐受熱面材料對(duì)比分析對(duì)同類型鍋爐高溫受熱面材料進(jìn)行對(duì)比分析，主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由上述對(duì)比數(shù)據(jù)可知，呂四港電廠鍋爐后屏、末過(guò)和末再入口管段均使用TP347H，相對(duì)HR3C而言，super304、TP347H管材抗蒸汽氧化溫度低，特別是奧氏體不銹鋼TP347H管材在高溫運(yùn)行中更容易生成氧化皮;有研究認(rèn)為，奧氏體不銹鋼高溫下運(yùn)行時(shí)其氧化皮的生成和剝落不可避免[1]，在機(jī)組啟停過(guò)程中氧化皮大量剝落，堵塞高溫受熱面。2.2運(yùn)行控制（1）調(diào)試主要節(jié)點(diǎn)及加氧時(shí)間（2）化學(xué)加氧情況開(kāi)始加氧調(diào)試時(shí)，由于設(shè)備問(wèn)題，短時(shí)間加氧量有超過(guò)300 ppb，但經(jīng)過(guò)調(diào)整后，加氧量控制在150 ppb以下，目前加氧量控制在30～70 ppb。合格范圍在150 ppb以下。結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究和其他電廠鍋爐加氧運(yùn)行情況，對(duì)是否加氧存在一定爭(zhēng)議。由于粗晶TP347H管材抗氧化能力較弱，有研究[2]認(rèn)為，加氧后氧化皮的熱膨脹系數(shù)與金屬基體加大，促進(jìn)了氧化皮剝離的傾向，剝離后氧化皮再次生成的速度減緩。采用給水加氧處理的關(guān)鍵要控制加氧后氧化皮的脫落，主要是控制機(jī)制啟停時(shí)的溫度變化率。（3）啟停溫度變化速率控制按照鍋爐說(shuō)明書規(guī)定，從點(diǎn)火至汽機(jī)沖轉(zhuǎn)不少于3 h，鍋爐最大升溫速率不應(yīng)超過(guò)2℃/min。表5給出呂四港電廠與同類型電廠鍋爐啟停控制方式對(duì)比。與氧化皮問(wèn)題不突出的闞山及泰州電廠相比，呂四港電廠啟停鍋爐溫度變化速率控制無(wú)明顯差異。溫度變化速率影響氧化皮剝離量，與氧化皮生成無(wú)直接關(guān)系。（4）主再熱汽溫控制大量研究表明[3]，氧化皮的生長(zhǎng)速度與工質(zhì)溫度有著密切的關(guān)系。

一般說(shuō)來(lái)，在某個(gè)溫度段（565～595℃），溫度越高，氧化皮生長(zhǎng)速度越快。依據(jù)設(shè)計(jì)，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，主再熱汽溫在規(guī)定范圍內(nèi)，兩側(cè)蒸汽溫度偏差小于10℃。受熱面沿程蒸汽溫度、受熱面金屬溫度不超過(guò)各段規(guī)定值。但在實(shí)際運(yùn)行中，受燃燒火焰中心偏斜、四角切圓燃燒殘余旋轉(zhuǎn)、不同管屏蒸汽流速不均等影響，同一受熱面不同位置可能存在吸熱、換熱不均。對(duì)部分受熱面的TP347H材質(zhì)，吸熱偏差或者短時(shí)過(guò)熱超溫，極易造成氧化皮生成。圖5給出1號(hào)鍋爐高溫受熱面溫度分布圖。由圖5可直觀看出沿水平煙道寬度方向，各受熱面內(nèi)蒸汽溫度分布存在較大偏差：中間低，兩側(cè)高，且右側(cè)偏高明顯，最大約50℃。由于汽溫自動(dòng)控制以主、再熱汽管道混合后溫度為調(diào)節(jié)對(duì)象，加之原設(shè)計(jì)壁溫測(cè)點(diǎn)有限，因此存在部分無(wú)法監(jiān)測(cè)到的局部管道超溫現(xiàn)象。綜上分析，呂四港電廠鍋爐受熱面吸熱存在一定偏差，不同部位壁溫分布不均;各段高溫受熱面中的TP347H材料易于在高溫狀態(tài)下形成氧化皮，在鍋爐啟停過(guò)程中氧化皮剝落堵塞管道，導(dǎo)致冷態(tài)啟動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)部分高溫受熱面超溫爆管。

四氧化皮治理

4.1受熱面材質(zhì)更換結(jié)合國(guó)內(nèi)超超臨界鍋爐受熱面管材選用及運(yùn)行情況，考慮進(jìn)行高溫受熱面管屏更換工作。依據(jù)對(duì)管壁溫度分布的高低和氧化皮清理量的多少，分步將TP347H管材更換為性能更優(yōu)的TP347HFG管材，以提高在工作環(huán)境最惡劣位置受熱面的安全裕量。

4.2受熱面壁溫檢測(cè)原鍋爐設(shè)計(jì)壁溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，部分工況惡劣位置超溫管壁無(wú)法監(jiān)測(cè)。對(duì)各臺(tái)鍋爐高溫受熱面增加壁溫監(jiān)視測(cè)點(diǎn)，更好地管控各部受熱面壁溫，防止隱性超溫。依據(jù)受熱面管壁溫度高低相應(yīng)增加測(cè)點(diǎn)，用以確定鍋爐受熱面的溫度水平，加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控。經(jīng)分析及逐步優(yōu)化，4號(hào)爐加裝測(cè)點(diǎn)90點(diǎn)，3號(hào)鍋爐加裝179點(diǎn)，1號(hào)爐總計(jì)加裝250點(diǎn)。

4.3節(jié)流孔優(yōu)化呂四港電廠鍋爐部分高溫受熱面管屏入口裝設(shè)有節(jié)流孔圈。通過(guò)對(duì)3號(hào)鍋爐實(shí)際壁溫計(jì)算分析：后屏過(guò)熱器熱偏差系數(shù)介于0.556～1.556，水力不均勻系數(shù)在0.7～1.49;末級(jí)過(guò)熱器熱偏差系數(shù)在0.41～1.21，水力不均勻系數(shù)在0.82～1.42。由熱偏差系數(shù)和水力不均勻系數(shù)可知，高溫受熱面節(jié)流孔設(shè)置存在較大偏差，通過(guò)計(jì)算校核、試驗(yàn)等工作，對(duì)節(jié)流孔進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以減少蒸汽分配偏差。

4.4設(shè)備檢修加強(qiáng)燃燒系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的檢修和維護(hù)工作。利用冷態(tài)停爐機(jī)會(huì)，進(jìn)行細(xì)致的冷態(tài)一次風(fēng)送粉管道阻力調(diào)平工作，確保各角粉管風(fēng)速均勻，減少送粉量偏差;對(duì)燃燒器進(jìn)行徹底檢修，檢查燃燒器安裝角度，保證燃燒器水平一致性和擺動(dòng)同步性;檢查大風(fēng)箱內(nèi)二次風(fēng)門實(shí)際開(kāi)度，確保同層四角二次風(fēng)送風(fēng)量一致，二次風(fēng)門實(shí)際開(kāi)度與DCS反饋一致，消除燃燒放熱不均而引起的壁溫偏差。

4.5燃燒優(yōu)化調(diào)整在現(xiàn)有條件下，由于TP347H管材的更換不能在短時(shí)間內(nèi)完成，需加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行調(diào)整，采取多種手段，減少吸熱偏差，避免局部管壁超溫運(yùn)行。聯(lián)系有經(jīng)驗(yàn)的科研院所，對(duì)4臺(tái)鍋爐進(jìn)行系統(tǒng)的燃燒調(diào)整試驗(yàn)。通過(guò)優(yōu)化二次風(fēng)配風(fēng)，減少爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)，降低水平煙道兩側(cè)煙溫偏差。優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，在滿足電網(wǎng)負(fù)荷速率要求的情況下，優(yōu)化煤水比控制曲線，特別在高負(fù)荷工況下，控制升降負(fù)荷時(shí)燃料投減量，避免瞬時(shí)局部超溫。利用增加的壁溫測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)受熱面壁溫存在快速上升趨勢(shì)時(shí)，果斷采取措施控制，避免受熱面超溫運(yùn)行。

4.6鍋爐啟停控制適當(dāng)降低鍋爐啟停過(guò)程中蒸汽壓力和溫度變化速率，嚴(yán)格控制主汽升溫率不超過(guò)1.5℃/min，升壓率不超過(guò)0.1 MPa/min，避免氧化皮短時(shí)間內(nèi)過(guò)量剝落，堵塞受熱面導(dǎo)致超溫爆管。優(yōu)化等離子點(diǎn)火系統(tǒng)投退時(shí)機(jī)，避免啟停過(guò)程中等離子系統(tǒng)的投退而使燃料量大幅波動(dòng)，引起管壁溫度劇烈變化。適當(dāng)利用大油槍在等離子投退前后點(diǎn)火助燃，能有效緩解溫度變化幅度，控制氧化皮剝落。

4.7上述一系列治理措施實(shí)施后，4臺(tái)鍋爐未再發(fā)生由于氧化皮問(wèn)題而引起的高溫受熱面超溫爆管事故，各級(jí)受熱面兩側(cè)最高點(diǎn)壁溫偏差由原來(lái)的50℃左右降低到20℃之內(nèi)，高溫受熱面氧化皮生成和脫落得到了有效控制。2號(hào)機(jī)組B修（2012年4月8日～12日）期間對(duì)后屏過(guò)管屏、末級(jí)過(guò)管屏、末級(jí)再出入口管屏下彎頭處進(jìn)行氧化皮項(xiàng)目檢測(cè)，僅發(fā)現(xiàn)超標(biāo)受熱面管子7根，超標(biāo)率大幅減小。1號(hào)機(jī)組調(diào)停（2012年6月6日）期間對(duì)后屏過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器進(jìn)行氧化皮檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)氧化皮積存。5結(jié)論通過(guò)綜合治理，在未完全更換薄弱受熱面材質(zhì)的情況下，超超臨界鍋爐氧化皮剝落而引發(fā)的超溫爆管事故初步得到控制，治理成效明顯。

五、原因分析

過(guò)熱器氧化皮的生成及特性過(guò)熱器管內(nèi)氧化皮（Fe3O4）的生成是金屬在高溫水汽中發(fā)生氧化的結(jié)果[1]，3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑。由于母材與氧化層之間熱脹系數(shù)的差異，當(dāng)垢層達(dá)到一定厚度，在溫度發(fā)生變化，尤其是發(fā)生反復(fù)或劇烈的變化時(shí)，氧化皮很容易從金屬本體剝離。3.2鍋爐啟動(dòng)初期給水流量過(guò)大帶來(lái)的不利因素鍋爐在啟動(dòng)初期給水流量不能低于保護(hù)定值（574 t/h），但在此過(guò)程中爐膛溫度較低、燃燒不充分、給水溫度低且欠焓大。要使給水產(chǎn)生足夠的蒸汽量以保證主汽溫、過(guò)熱器壁溫不超溫就需要吸收更多的熱量，此時(shí)操作員會(huì)采用增大燃料量的辦法來(lái)提高爐膛的溫度。但由于燃料燃燒不充分，爐膛溫度提升不顯著，爐膛的輻射換熱、水冷壁的吸熱不會(huì)明顯增加。且由于給水流量過(guò)大，進(jìn)入汽水分離器的水是未飽和水，熱量隨水從汽水分離器中分離出來(lái)并在凝結(jié)器中損失，更增大了水冷壁的吸熱損失。增加燃料量還會(huì)大量增加煙氣量，過(guò)熱器的對(duì)流換熱會(huì)因此明顯加強(qiáng)，容易引起主汽溫、過(guò)熱器金屬溫升過(guò)快，甚至超溫并形成惡性循環(huán)。由于過(guò)熱器管材與管內(nèi)氧化皮的膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致氧化皮在升溫較快的過(guò)程中脫落。

六、結(jié)束語(yǔ)

該電廠通過(guò)5年多的運(yùn)行實(shí)踐證明，對(duì)于不帶爐水循環(huán)泵的超臨界630 MW鍋爐在啟動(dòng)初期給水流量控制在350～574 t/h之間是可行的。這不僅可以有效地控制鍋爐受熱面的溫升速率，還可以縮短機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)還有效地解決了鍋爐啟動(dòng)1周內(nèi)頻繁爆管的問(wèn)題。該電廠的這種給水控制措施在超臨界鍋爐啟動(dòng)初期值得進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃興德，周新雅，游喆，等.超（超）臨界鍋爐高溫受熱面蒸汽氧化皮的生長(zhǎng)與剝落特性[J].動(dòng)力工程，2016，29（6）.

[2]張廣文，孫本達(dá)，張金升，等.給水加氧處理對(duì)過(guò)熱器高溫氧化皮生成影響的試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電，2015，41（1）.

[3]黃偉，李友慶，熊蔚立，等.600 MW超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器氧化皮脫落爆管原因分析及對(duì)策[J].電站系統(tǒng)工程，2018，24（4）.