超超临界机组氧化皮脱落及应对策略

超超临界机组氧化皮脱落及应对策略

葛瑞刚

（四川神华天明发电有限责任公司四川绵阳621700）

摘要：超超临界工况下，工质水动力特性变化，导致受热面传热特性发生改变，致使高温受热面管道发生氧化腐蚀，从而生成氧化皮进而剥离、堵塞管道的问题最终引起管道超温爆管，已严重成为电力生产安全的重大隐患，给电力生产及其稳定性带来重大影响，成为困扰发电行业的一大难题。因此，在日常生产运行中掌握防止氧化皮生成的措施成为一种必须掌握的技能。

关键词：氧化皮；剥落；重大隐患

引言

20世纪90年代，随着材料技术的突破，以蒸汽温度600℃为标志的超超临界火电技术已被广泛接受，目前，更高温度等级的材料已在研发和试验。伴随着超超临界发电技术的发展，特别是温度参数的提高，新的技术问题又摆到了面前。其中一个会对机组安全和经济运行产生严重威胁的突出问题—锅炉管道的蒸汽侧氧化及由此引起的汽轮机叶片固体颗粒侵蚀(SPE)需引起特别注意。SPE是超超临界机组面临的主要问题，压力和温度越高，这问题越严重。

1过、再热器管内壁水蒸汽氧化膜剥落及危害

最近10年，特别是近几年新投产的国内和进口的超临界机组都曾发生氧化膜剥落堵管或引起超温爆管泄漏事故。从运行时间来看，在运行约一年后，检修发现高温过热器、屏式过热器及高温再热器管子内壁表面氧化严重且氧化皮脱落明显。图1为日照电厂再热器氧化皮脱落形貌，图2为伊敏#1炉运行30703小时后不锈钢管屏U型弯下部堆积的大量氧化膜，同月#2炉过热器发生爆管，其原因也是由于下弯头部位氧化膜剥落堆积所致。

图1日照电厂再热器剥落的氧化膜

图2伊敏电厂过热器管剥落的氧化膜

超临界机组过、再热器内壁氧化膜剥落在管排下部弯曲部位堆积堵管，甚至引起超温爆管。目前国内因氧化膜剥落爆管最短的是湘潭电厂#4机组，运行3136小时（启停5次），过热器U型弯下部氧化膜堆积多的达100克，且在检修后再并网运行仅5天又因同样原因再次发生爆管，并吹坏再热器管排多处，氧化皮形貌如图3所示。

图3高温过热器下部U型弯内积存有氧化皮形貌

剥离的氧化皮不仅会导致爆管同时引发的对汽轮机入口通流部分的固体颗粒侵蚀，损害汽轮机叶片，也是当前大机组必须高度重视的问题。再热器的氧化皮厚度和剥离程度不比过热器差，但爆管的机会要比过热器小得多，因为再热器管的管径比过热器管大很多，因堆积物过多引起超温的机会也就小，其剥离的氧化皮，很大一部份会被有着极高流速的蒸汽携带出去。至调门以后、或再经喷嘴后，获得更大的速度。这些被携带的氧化皮剥离物颗粒具有极大的动能，它们源源不断地撞击汽轮机叶片，使得汽轮机高压级和中压级的前几级叶片受到很大的损伤，如图4所示。损伤严重时，前二级叶片会变小、缺损，降低机组效率和出力，或引起叶片平衡破坏导致机组振动超标。

图4汽轮机叶片受到来自过热器和再热器的剥离物颗粒的损伤

据估计，在运行的机组中，绝大多数在亚临界以上机组运行了五年或以上的汽轮机，都在经受着SPE损坏。机组在发现明显损坏前，运行时间一般有3～8年。被高速蒸汽带出过热器和再热器的氧化皮剥离物颗粒，在汽轮机内完成对叶片的撞击和冲蚀以后，颗粒本身会破碎、变小、变细，并增加了一些叶片本身被冲蚀的产物，进入凝结水系统。如机组热力系统没有凝结水过滤或除盐装置，这些细小氧化铁颗粒可以随水汽自由移动到任何水汽能够到达的地方，成为热力设备易结垢部位沉积物的主要来源。即使有凝结水高速混床，也不能全部将这些细小氧化铁颗粒截留。随着机组运行年限时间的延长，机组冲转后的凝结水的含铁量明显越来越高，精处理树脂再生时的空气擦洗次数也从几次增加到30次以上。此现象也可从侧面反映出机组的过热器和再热器的氧化情况也越来越严重。

二、过、再热器管水蒸汽氧化过程

锅炉过热器和再热器的氧化层剥离问题，早在50年代末，就在国外的一些锅炉上发现，引起了许多过热器和再热器管的堵塞和主汽门的卡塞问题以及汽轮机的固体颗粒侵蚀问题。

目前对氧化皮生成及剥落的研究较多，观点也不尽一致，但是较为广泛接受的是:当管壁温度超过材料的需用温度时，容易发生水蒸气氧化，刚开始产生的氧化皮一般可分为内、中、外三层，其中内部为尖晶石结构，结构较为致密，中间层是多孔的Fe3O4层，结构较为疏松，最外层是Fe2O3层，较为致密但是厚度较薄。在运行过程中，中、外两层较容易剥落，内层致密的保护性氧化物，具有轿强的抗氧化能力，也不宜脱落。氧化皮脱落后续过程中不会再生长出新的Fe3O4类氧化物，而是逐渐长出新的Fe2O3层，但是生长十分缓慢。

三、减缓高温水蒸汽氧化和剥离的措施

3.1选材方面

采用耐氧化的合金，金属材料的抗氧化、抗腐蚀性能主要决定于金属表面能否形成稳定、致密的金属氧化膜。实践证明，在600～700℃条件下，Cr含量高于25%以上的钢，高温水蒸汽条件下氧化层的生成速度非常缓慢。

选用钢材的抗水蒸汽氧化性能和氧化物剥离，可考虑适当增大内圈管子的弯曲半径以防止剥离的氧化物沉积。另外，应充分考虑煤质、热负荷变化的情况下的热负荷的不均匀性问题，防止部分过、再热器管子长期超温。在一些600MW机组中曾出现过由于设计问题导致在低负荷由于部分过热器管子蒸汽流量偏低，流速偏差大，局部过热而引起爆管。

3.2采用金属表面处理

3.2.1镀铬方法

采用管表面渗镉的方法或用铬酸盐溶液在305℃条件下循环48小时的方法，能有效地延长金属表面氧化层生长和剥离的时间。

3.2.2喷丸处理

内部喷丸处理可有效提高氧化膜层中铬元素的浓度，抑制铁氧化物在表面生成，降低铬发生选择性氧化的临界浓度，有利于单一Cr2O3膜的形成。

温度变化率过大是导致氧化皮剥落的主要原因，是控制氧化皮集中剥落的重点。

3.3机组正常运行控制方面

3.3.1控制机组主、再热蒸汽温度在合适范围，充分考虑经济性及安全性取舍，在保证机组设备安全的前提下争取经济性。汽温调节操作应平稳均匀，汽温调节存在滞后性，控制水/煤比是关键，运行中应避免减温水大幅开关。

3.3.2控制制粉系统启、停，燃烧调整等相关操作应缓慢平稳，防止燃烧大幅度变化，造成金属壁温大幅波动。

3.3.3根据炉水给水水质情况投入加氧工况，通过改变给水处理方式，在碳钢表面形成双层氧化膜。严格控制给水阳离子的电导率，当给水阳离子电导率大时，应停止加氧处理。

3.4机组启动过程控制

3.4.1锅炉启动过程中严格按照升温升压曲线进行，整个升温升压过程中任何时间段内控制主再热蒸汽温升率及各受热面温升率≤2℃/min；若发现锅炉受热面金属温度不均匀应适当延长升温时间，待各级过热器管壁的金属温度均有上升趋势后，才允许增加燃料量。

3.4.2锅炉点火阶段，控制燃油压力。采用微油点火时，控制一次风压不超，启磨初期尽量降低给煤量，保证温升率在合格范围内。根据锅炉升温、升压速度逐步增加煤量。随着锅炉燃烧率的提高，增加燃料时加强炉膛温度的监视；注意第二台磨煤机启动时燃烧变好、燃尽率大幅提高的影响，应做好预先控制，保证保证温升率在合格范围内。

3.4.3启动阶段由于过热器蒸汽流量小，减温水变动后对屏过和高过出口温度的迟滞时间长，为防止蒸汽温度大幅度波动，一、二级减温水调整时要注意监视和控制减温器后的温度变化幅度和速度，避免大幅度的调整减温水调节门，保证减温器后汽温有20℃以上的过热度。锅炉启动初期尽量维持稍低的给水流量，增大初期产汽量，同时尽量用燃料量和烟气侧控制，减少减温水使用。

3.4.4在机组启动阶段应加强燃烧调整，严防超温现象；应加强壁温监视，调整燃尽风减少两侧烟温偏差，降低火焰中心，尽快通过易超温阶段。

3.4.5机组启动结束尽量维持机组高负荷稳定运行48小时，以提高管内的蒸汽流速，将管内残存的氧化皮尽快清除。此阶段可控制锅炉屏过、高过、高再蒸汽温度低于额定值运行48小时，减轻过热器管内氧化皮未彻底清除前部分管屏的超温。降温运行期间严密监视受热面金属温度，当高温过热器、屏式过热器、高温再热器管屏金属温度无异常波动后，逐渐恢复主蒸汽温度，高再出口温度运行。

3.5机组停机过程控制

停炉前，必须对锅炉进行一次全面吹灰工作。机组在停机阶段，是氧化皮大量脱落阶段，尽量采取滑参数停机。锅炉停运过程中，应控制主、再汽温温降小于2℃/min，且尽量避免减温水的投用,若必须投用则以一级减温水为主，二级减温水不投用。防止锅炉氧化皮生成与快速剥落的措施：

3.5.1停炉操作过程中，燃料量的控制要求相对稳定，不允许大幅度变化，特别是进行停运磨煤机操作时。

3.5.2锅炉停炉时，正常吹扫后停运风烟系统，密闭闷炉。24小时后可自然通风冷却，无设备和检修下严禁强制通风冷却。

3.5.3停炉放水，采用热炉带压放水，当汽水分离器压力下降至1.0MPa、分离器出口气温达到200℃左右时，迅速开启水冷壁、省煤器进口集箱放水门，带压将水排空；放水时，要求尽可能快速，以保证带压放水效果。

作者简介：葛瑞刚（1987.10-），男，陕西咸阳人，四川神华天明发电有限责任公司，硕士研究生学历，研究方向：能源与动力工程。