淺談超臨界機組蒸汽側氧化皮產生與綜合治理

淺談超臨界機組蒸汽側氧化皮產生與綜合治理第1頁/共30頁主要內容前言一、氧化皮產生與剝落機理二、宿州公司鍋爐氧化皮檢測情況三、氧化皮產生與剝落對機組的危害四、宿州公司鍋爐氧化皮綜合治理措施五、氧化皮導致停機事故案例第2頁/共30頁前言

上世紀70年代，國際上認為蒸汽通流部件表面氧化層的形成與剝落主要有運行工況和通流部件選材等方面有主要關系。隨著我國超（超）臨界高參數(shù)機組發(fā)展，蒸汽通流部件氧化皮剝落造成管道堵塞、爆管、主汽門卡澀和汽輪機部件侵蝕等問題在不斷出現(xiàn)，雖各單位在機組檢修時采用不同方式進行了處理，但其產生原因和規(guī)律及防治措施，還未得到有效徹底解決。目前隨著機組服役期的延長和越來越多的機組承擔調峰任務，以及高參數(shù)機組的發(fā)展，氧化皮產生與剝落問題更為突出。有的機組僅試運行不久就出現(xiàn)該情況，尤其是奧氏體鋼的氧化皮剝落堵塞爆管表現(xiàn)更為明顯。這一類問題的產生不僅影響機組安全運行，而且降低了機組的可靠性和經濟性。第3頁/共30頁一、氧化皮產生與剝落機理1、高溫蒸汽管道內壁氧化皮形成 從熱力學角度來講，鍋爐管內壁產生蒸汽氧化現(xiàn)象是必然的，因為鐵與水反應，生成Fe(OH)2,飽和后，在一定溫度范圍轉化為Fe3O4，F(xiàn)e+H2O→Fe3O4+H2（高溫）此反應在鐵表面進行，在表面形成Fe3O4.氧化膜，并隨同有氫析出。當溫度高于570℃，內部氧化物的分布為FeO、Fe2O3、Fe3O4，F(xiàn)eO與金屬基體相結合不致密。氧化膜的生長遵循塔曼法則，根據(jù)此法則氧化膜的生長與溫度和時間有關。氧化膜的生長速度與蒸汽壓力有關，蒸汽壓力低比壓力高生長速度快,不同材質蒸汽側氧化皮生長速度是不一樣的，一般來說金屬溫度對氧化速度的影響最大，而蒸汽壓力的影響相對較小，且溫度對于不同鋼種蒸汽氧化速度的影響方向和程度也不盡相同。第4頁/共30頁2、高溫蒸汽管道氧化皮剝落機理 在長期高溫運行過程中，奧氏體不銹鋼過熱器和再熱器管子內壁在高溫蒸汽的作用下會不斷氧化從而形成連續(xù)的氧化皮，這種氧化產皮通常附著在管壁上，氧化皮的剝落一般具備兩個條件：一是氧化皮要達到一定厚度（不銹鋼0.1mm,CrMo鋼0.2-0.5mm）；二是高溫蒸汽管道溫度變化頻繁，且幅度較大；又由于氧化皮的膨脹系數(shù)與奧氏體不銹鋼金屬的線膨脹系數(shù)相比差別很大，溫度變化時就會引起氧化皮破裂并從金屬表面剝離，因此在機組啟停或溫度變化劇烈時就會引起管內氧化皮大面積剝落，脫落后的氧化皮屑掉入管子底部并逐漸聚集就會造成管子堵塞。（備注：不銹鋼線膨脹系數(shù)2.1×10-5；氧化物線膨脹系數(shù)0.9×10-5）第5頁/共30頁二、宿州公司氧化皮檢測情況1、機組概況華電宿州公司目前一期工程2×630MW機組，均為超臨界前后墻對沖直流鍋爐，機組分別于2007年9月、11月份投入商業(yè)運行。自投運以來未發(fā)生過由于氧化皮堵塞爆管事故。宿州公司#2機組為630MW，東方鍋爐（集團）股份有限公司生產超臨界機組，其型號為：DG1900/25.4-Ⅱ3型，鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，一次再熱，單爐膛，尾部雙煙道結構，采用平行擋板調節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣，全鋼構架，全懸吊結構，平衡通風，半露天布置。#2機組自2007年11月投產，截止2011年5月已運行20000多小時，未發(fā)生“四管”泄漏非停事故，但#2機組2011年5月檢修期間，#2鍋爐高溫再熱器出汽側彎頭發(fā)現(xiàn)大量氧化皮脫落堵管，#1鍋爐目前未出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象。第6頁/共30頁2、#2鍋爐受熱面氧化皮檢測情況#2機組小修中，使用氧化皮檢測專用儀器對鍋爐受熱面管彎頭氧化皮沉淀情況進行了全面檢查，并通過X射線拍片驗證，高過及屏過（抽查）檢查情況較好，未發(fā)現(xiàn)氧化含量超標彎頭，但檢查驗證發(fā)現(xiàn)高再84只彎頭氧化皮堵管面積超過30％，已經阻礙蒸汽流動，決定對氧化皮含量超標彎頭進行割管清理，其中堵管30％-40％，10只；堵管40％-50％，29只；50％以上堵管，45只。割管清理后100g以上的彎頭4只，最重106g。堵管面積彎頭數(shù)量30％-40％10只40％-50％29只50％以上45只第7頁/共30頁拍片與清理出氧化皮形態(tài)對照圖第8頁/共30頁3、原因分析3.1運行因素 由于鍋爐運行時間已經超過20000h，TP347H材料性能決定，已進入了氧化皮脫落的高峰期，據(jù)調研，超臨界機組正常溫度運行（571℃），氧化物高峰期一般在15000小時左右就會出現(xiàn)脫落堵塞管道，國內機組高峰期最早的在3100小時左右。且運行溫度越高，高溫氧化就會加速，氧化高峰期來的越早。TP347H管氧化皮厚度與內壁溫度的關系圖（Mils：千分之一寸，1mils=25μm）571℃相當于1159°F第9頁/共30頁3.2高再溫度偏高形成多層氧化膜按照國內計算，管子內壁一般比管子外壁高出50℃，因此高溫再熱器鋼管內壁實際溫度應為569℃＋50℃＝619℃；因而鍋爐設計時應用大量的SA-213TP347H（最高使用溫度650℃）不銹鋼材料，經研究蒸汽溫度在538℃以下，鍋爐不銹鋼管料一般不產生氧化皮及剝落的問題，而蒸汽溫度在566℃以上時不銹鋼管料就會發(fā)生所生成的氧化皮剝落事故，特別是超臨界鍋爐不可避免產生氧化皮脫落.經調取高再溫度曲線發(fā)現(xiàn)高再運行一般在540℃-590℃，那么鋼材內壁溫度基本在590℃-640℃，因此在管壁內會不斷產生不致密的氧化膜。

目前通過運行優(yōu)化燃燒調整，提高吹灰效率等方式，高再壁溫基本維持在570℃以下，但在每天升負荷時溫度還是較高。第10頁/共30頁3.3高再壁溫突降較嚴重 經調取小修前高再壁溫曲線，我們發(fā)現(xiàn)一般在0.5h-1h內，溫降50℃以上，最高有70℃-80℃溫度突降，短時間內溫度突降有利于氧化皮剝落，國內有關手冊所顯示過熱器及再熱器管材鋼的熱脹系數(shù)一般在16～20×10-6/℃，而Fe3O4則分別為9.1×10-6/℃，由于熱脹系數(shù)的差異，當氧化層達到一定厚度后，在溫度發(fā)生變化，尤其是發(fā)生反復的或劇烈的變化時，氧化皮容易從金屬基體剝離。 目前通過降低減溫水投入速度，（或基本不用），加強尾部煙氣擋板調節(jié)，溫降有所改善，一般在40℃左右。第11頁/共30頁三、氧化皮產生與剝落對機組的危害1、氧化皮剝落堆積會導致受熱面超溫爆管 機組在停機和啟動，以及負荷、溫度和壓力變化較大時，鍋爐受熱面上達到剝離條件的氧化皮開始逐漸剝離下來，堆積在鍋爐受熱面蛇形管底部，從垂直管段剝離下來的氧化皮垢層，一部分被高速流動的蒸汽帶出過熱器和再熱器，另有一些會落到U型彎處，當某一根管子開始有了一些脫落物堆積時，由于流動阻力增加，氧化物堆積會降低彎頭處熱交換效率，它的管壁溫度就會比周圍的管子高.由于底部彎頭處氧化皮剝離物的不斷堆積，使得管內通流截面減小,阻礙蒸汽流動,導致管內的蒸汽流通量減少，使管壁金屬的溫度升高。當堆積物量達到一定程度時，則會造成管壁超溫而引起爆管。第12頁/共30頁某電廠（600MW超臨界鍋爐）06年4月在#1爐在運行過程中爆管，轉入檢修，檢修中發(fā)現(xiàn)高溫過熱器、屏式高溫過熱器發(fā)生大面積氧化皮堵塞現(xiàn)象，高溫過熱器抽檢3屏60根管子，有17根管子堵塞，敲管后全部堵塞，高溫過熱器全部割管處理；屏式高溫過熱器敲管后全部割管處理；高溫再熱器內氧化物含量未超標不影響管子安全運行未處理。啟動先后消缺停機兩次，第三次啟動時爆管，經檢測又有100余根管子堵塞。#1爐屬于典型的超溫大面積爆發(fā)。第13頁/共30頁2、氧化物會對汽輪機部件造成侵蝕流動蒸汽帶出的氧化皮對汽輪機部件產生固體顆粒侵蝕，造成汽輪機噴嘴和葉片侵蝕損壞。從過熱器和再熱器管剝離的氧化皮，部分被具有極高流速的蒸汽攜帶出過熱器和再熱器，這些被攜帶的氧化皮剝離物顆粒具有極大的動能，它們會不斷地撞擊汽輪機噴嘴和葉片，使汽輪機的噴嘴和高壓級葉片受到很大損傷，使通流部分效率下降，機組出力損失，同時也縮短了檢修周期，增加了檢修費用。第14頁/共30頁3、氧化物堆積造成主汽門卡澀隨流動蒸汽帶出的氧化皮在主汽門處堆積，會很容易造成主汽門卡澀，從而導致機組停機，主汽門無法關閉，威脅著機組的安全運行，機組非停，降低設備可靠性，影響機組的經濟運行。4、氧化皮剝離堆積易堵塞疏水管 進入汽輪機內的氧化皮被蒸汽攜帶著一起流動。在機組的啟動階段，汽機側各路疏水均處于開啟狀態(tài)，因而氧化皮會隨著蒸汽進入疏水、抽汽系統(tǒng)；降壓擴容后，隨著流速下降蒸汽無法攜帶氧化皮時，氧化皮開始沉積在系統(tǒng)彎頭等死角處，并容易堵塞細小管道、疏水閥門、逆止門等，使疏水系統(tǒng)產生內在的安全隱患。第15頁/共30頁5、氧化皮剝離會嚴重污染水汽品質 高溫高速蒸汽帶出過熱器和再熱器的氧化皮剝離物顆粒，在汽輪機內經過撞擊和沖蝕以后，顆粒本身會破碎、變小、變細，并增加了一些葉片本身被沖蝕的產物，使水汽中鐵含量增加，造成鍋爐受熱面沉積速率增加。第16頁/共30頁四、宿州公司鍋爐氧化皮綜合治理措施

宿州公司從鍋爐運行方式、運行參數(shù)、鍋爐給水水質和蒸汽品質、啟停爐工藝控制、停爐保養(yǎng)和維護措施等方面，進一步控制鍋爐受熱面管內壁氧化皮產生剝落速度，降低氧化皮產生堆積所造成的危害。

第17頁/共30頁1、嚴禁鍋爐超溫運行，嚴格控制蒸汽和金屬壁溫 根據(jù)本次＃2鍋爐受熱面管內壁氧化皮剝落堆積的檢測結果，準備對氧化皮含量較多的23根管道增加溫度測點，使高再壁溫測點增加到30個，延寬溫度檢測范圍。同時嚴格規(guī)定運行中高溫過熱器出口蒸汽溫度不超566±5℃，屏式過熱器出口溫度不超過540℃，高溫再熱器出口蒸汽溫度不超過569℃。 在鍋爐運行中，嚴格執(zhí)行《機組運行參數(shù)控制規(guī)定》，發(fā)現(xiàn)金屬溫度超過規(guī)定值，一定通過降低蒸汽溫度、調整運行方式及必要時考慮降低機組的負荷運行。在機組運行中絕不允許蒸汽參數(shù)和受熱面金屬溫度長時間超過規(guī)定值運行。每周要組織召開超溫分析會，總結分析超溫原因。第18頁/共30頁2、抑制受熱面溫度周期性波動和溫度變化速率，減緩氧化皮剝落。盡可能減少啟停次數(shù)、頻度，減緩升溫和降溫速率。機組若停運時，嚴禁強制冷卻，應采用悶爐處理（約72小時），以防止氧化皮脫落。2.1機組啟動階段控制受熱面金屬溫度平穩(wěn)升高鍋爐點火階段采用多油槍、低油壓方式（不得低于設計保證值，注意霧化情況），利用油壓調整爐膛熱負荷，避免爐膛熱負荷大幅度波動。制粉系統(tǒng)的啟動要緩慢，給煤量要逐步增加，減溫水的投入要謹慎，防止汽溫大起大落。同時要確認過熱器各疏水管暢通，否則需進行檢修。2.2機組正常運行中受熱面溫度變化率控制機組運行中正常升、降負荷速率不超過10MW/min，在300～600MW負荷區(qū)間內升、降負荷要維持屏式過熱器、高溫過熱器、再熱器出口蒸汽溫度額定，如由于升降負荷的擾動造成上述溫度的波動率超過5℃/min，要適當降低機組的升、降負荷速率或暫停升降負荷，待溫度調整穩(wěn)定后繼續(xù)進行負荷變動操作。第19頁/共30頁2.3機組滑參數(shù)停機溫度變化率控制機組正常停機要采用滑停方式?；＿^程中屏過、高過和高再出口蒸汽溫度的溫度變化率不高于1.8℃/min。為預防停爐后受熱面管內積水造成停運腐蝕，鍋爐帶壓放水壓力為1.0MPa。2.4機組冷態(tài)啟動過程中溫度變化率控制機組冷態(tài)啟動過程中嚴格按照機組升溫控制曲線控制蒸汽溫度。在機組冷態(tài)啟動過程中機組并列前的溫升速率控制不高于3℃/min，機組并列后的升速率控制不高于1.8℃/min。第20頁/共30頁2.5機組事故停機溫度變化率控制

機組由于故障緊急停機，爐膛通風10分鐘后立即停止送、引風機運行并關閉送風機出口和引風機進、出口擋板進行悶爐，防止受熱面快冷。如緊急停爐后需要對鍋爐進行冷卻，要控制高溫過熱器、屏式過熱器、高溫再熱器出口蒸汽溫度和上述受熱面金屬溫度降溫速率不超過3℃/min，主、再熱降壓速率不大于0.3Mpa/min；通風冷卻時根據(jù)環(huán)境溫度控制風機的出力，調整冷段過熱器和冷段再熱器入口煙氣溫度的降低速率不高于3℃/min。第21頁/共30頁2.6機組熱態(tài)啟動過程中溫度變化率控制機組冷態(tài)啟動過程中嚴格按照不同熱狀態(tài)的升溫控制曲線控制蒸汽溫度。在熱態(tài)啟動過程中，為防止受熱面金屬溫度降低，鍋爐的煙風系統(tǒng)要與其它系統(tǒng)同步啟動。煙風系統(tǒng)啟動后爐膛通風控制總風量為35%，在爐膛通風5分鐘結束立即點火，點火后要盡快投入燃料量，控制屏過、高過、高再的溫升速率為5～6℃/min，防止受熱面金屬溫度降低。第22頁/共30頁3、機組啟動期間應進行受熱面吹掃當汽水分離器壓力升至4MPa,逐漸關小高旁閥至5%開度，然后快開啟高旁閥；當汽水分離器壓力降至2.5MPa,快速將高旁閥關至初始開度。注意監(jiān)視過熱器、再熱器受熱面管壁溫度的變化，發(fā)現(xiàn)個別溫度偏差較大，繼續(xù)采用重復快開高旁閥的方法進行吹掃。過熱器、再熱器吹掃階段，每30min化驗一次凝泵出口凝結水含鐵量，每小時化驗一次給水鐵含量，密切關注熱井及凝水鐵的變化情況，當凝水外狀澄清，鐵含量＜1000g/l時，過熱器、再熱器吹掃水質合格。第23頁/共30頁當凝水水質合格，而過熱器、再熱器受熱面管壁溫度偏差仍較大時，應繼續(xù)進行吹掃。進一步吹掃過熱器、再熱器受熱面管壁溫度偏差大仍不能消除時，機組停止啟動，對鍋爐有關受熱面管屏進行檢查或停止吹掃進行機組啟動工作。嚴格控制汽水品質，保證沖洗效果，當凝水水質合格，并且受熱面管壁溫度偏差正常時，吹掃工作結束。過熱器、再熱器吹掃階段應密切監(jiān)視凝泵、電泵入口濾網差壓，做好交替清理兩臺凝泵入口濾網的準備。夾雜著氧化皮的汽水混合物將對汽機高旁轉換閥密封面、主汽門前三路疏水閥閥座產生一定的沖刷，注意檢查處理。第24頁/共30頁4、加強運行金屬溫度監(jiān)督和停爐檢查完善受熱面金屬溫度測點并加強受熱面金屬溫度測點的維護，運行中利用SIS加強受熱面金屬溫度的趨勢監(jiān)測，根據(jù)受熱面金屬溫度變化情況指導停爐后受熱面內氧化皮的檢查分析。4.1機組檢修做好受熱面內氧化皮定期檢測工作。在檢修期間，采用氧化皮檢測儀對高溫過熱器、再熱器進行氧化皮檢測，發(fā)現(xiàn)有受熱面管氧化皮堆積應及時進行全面清理。4.2做好高溫過熱器及再熱器壁溫溫度突降監(jiān)視工作。宿州公司規(guī)定過熱器溫度突降1h內溫度突降控制在60℃，再熱器溫度突降1h內溫度突降控制在70℃.防止溫度變化劇烈導致氧化皮脫落堵管。4.3做好主汽門定期維護和檢查工作。檢修期間徹底清除主汽門處的高溫氧化皮，確保主機汽門不被卡澀，保證機組的安全運行。第25頁/共30頁五、氧化皮導致停機事故案例1、某發(fā)電廠#4爐高過爆管（目前國內最早氧化皮堵塞爆管）

#4鍋爐600MW超臨