SPE固体颗粒物冲蚀

1、超(超)临界参数汽机的SPE问题 钱振鑫 目录 1 、问题的引出 2 、超超临界机组中的固体颗粒物冲蚀（SPE） 现象 3、超超临界机组固体颗粒物冲蚀的综合影响因 素 4、典型工况下的固体颗粒物冲蚀有效防范措施 问题的引出 供=100% b p t ri m g (1-k) b锅炉效率94%-95% p管道效率98% m机械效率99.5% g发电机效率99% ri汽机相对内效率90%左右 t朗肯循环热效率（广义卡诺循环热效率） K厂用电率（3-8%） t=1-T2/T1 (55-62%) 降低T2，深海水冷却； 给水回热， 中间再热(一次2%-3%，二次1%) 提升初参数：提高初压力可能会使汽

2、轮机相对内 效率下降，效率提高受限，提高初温度受材料限 制，但“立竿见影” 故现超超临界机组初参数的 选择上，追求提升新蒸汽初温度，压力提升并不 明显； 固体颗粒冲蚀 Solid paricle Erosion（SPE） 1现象：对于超(超)临界参数的汽轮机，在某 些特定的工况下，主(再)热蒸汽会带有一定浓 度的固体颗粒物，从而对汽轮机部件造成冲 击磨损的现象。 2 对汽机部件的损害： （1）主(再)蒸汽阀门： MSV RSV SPE影响相对小 CV IV SPE影响相对大 损伤原因： 阀门开度较小时，蒸汽节流，固体颗粒冲刷严重； 阀门伴随蒸汽转向，口径变化，蒸汽加速，固体 颗粒物冲击； 后果

3、：阀门的严密性变差：机组跳闸，甩负荷 易超速；甚至会改变型线（阀芯，阀座）对控制 升程流量曲线变化 措施：对阀门的严密性试验。 对阀门进行检修 （2）高，低压两级串联旁路的节流阀损伤原因 如上 后果： 蒸汽内漏，机组经济性下降 能使旁路处于“热备用状态” ri （3）主蒸汽传统的汽机调节级（现代：HP的第 一级 1-3级） 原因：汽机喷嘴膨胀加速流动，完成级内做功 固体颗粒冲击磨损叶片壁面 （4）再热蒸汽IP第一级（1-3级） 后果：叶片表面粗糙度 逐步改变汽机叶片的型线：蒸汽加速能力下降， 出口汽流方向变化 速度三角形畸变 叶片相对减薄，诱发“叶片振动” 机组安全 性逐步下降 叶片结构强度不

4、足叶片断裂事故 ri 金属材料在高温条件下会直接和水蒸汽本身的氧结 合发生高温氧化反应，当蒸汽温度超过600时， 锅炉受热面高温腐蚀和汽侧氧化将十分显著，奥氏 体钢管材在640-700时腐蚀最大，金属高温氧化 的结果是在金属表面产生一定厚度的氧化皮，在锅 炉启停阶段或调峰运行阶段，由于不同的热膨胀系 数和较大的温差，形成的氧化皮就会剥落，形成坚 硬的氧化铁粒子（或称“颗粒”）脱落下来的固体 颗粒随后被流动的蒸汽携带向下游流动，对汽轮机 造成侵蚀，所以，这里的固体颗粒是指从锅炉过热 器，再热器系统内表面剥落的坚硬的氧化铁粒子， 对目前的大型发电机组来说，蒸汽温度比较 高，易在锅炉过热器，再热器系

5、统的内壁面 形成氧化皮，此外，大型发电机组锅炉过热 器，再热器系统十分庞大，只要其中一部分 受热面积发生的氧化皮剥落，其每年形成的 固体粒子的重量就可达数百千克至上千千克， 现代大型机组汽轮机在检修时，除了通流部 分的静止和转动部件中存在固体颗粒冲蚀损 伤外，还发现通流部分某些流动死亡角区域 有金属氧化物颗粒堆积； （1）超（超）临界参数的应用 （ ）溶解氧与金属的腐蚀特性发生 变化。 （ ）反应条件，特别是T580以 上 加氧技术（OT）致密的金属钝化膜，保护 受热面金属材料 0 P cr P 0 T cr T （2）在特定的工况脱落形成氧化皮 堆积于锅炉“爆管” 被蒸汽携带逐渐撞击，破碎形

6、成金属氧 化物固体颗粒 （3）固体颗粒特的特性： 以 ， （局部为 ）为基础的多成 分金属氧化物； 自我生长，通常达到0.2mm时易脱落，片状 颗粒； 43O Fe 32O Fe FeO （4）脱落的主要因素： 化学水工况使钝化膜中的Cr成份，以铬酸 的形式进入汽水工质，使钝化膜呈层状分布， 易脱落； 锅炉侧受热面参数剧烈波动温度剧变 热胀冷缩，热应力（机炉启/停，剧烈变负荷）； 材质本身 （5）固体颗粒物冲蚀损伤部位 对汽轮机设备造成了严重危害，是超临界，特别 是超超临界机组面临的一个严重问题，必须面对 认识现象 掌握规律 提出合理的防范措施 在运行中努力防范 加强检查和维护 影响SPE的主

7、要因素“系统工程” 1 汽机 喷嘴压力面接近出口边缘的区域以及动叶压力面 中后部区域是最容易受到固体颗粒冲蚀的部位，主 要是由于粒子被气流加速后以小角度冲击压力面出 汽边，加上喷嘴的转折角较大，出汽边内弧正好处 于冲击射线上，当调节级喷嘴部分进汽时产生的冲 蚀更为严重，而且冲蚀最严重的是对应先开启的喷 嘴弧段，因为此时喷嘴焓降较大，导致出口流速远 高于全周进汽，对于调节级动叶而言， 由于动叶压力面中后部区域的颗粒撞击速度很大， 撞击角度也处于容易受冲蚀的范围，因为该区域所 受的冲蚀在整个调节级中也最为严重； 再热第一级叶片的侵蚀主要发生在喷嘴出汽边背 弧面，在级内轴向间隙较小的情况下，粒子在级

8、内 轴向间隙中的“来回反弹”是再热第1级固体颗粒 侵蚀的重要特点，粒子的“来回反弹”主要是因为 喷嘴出口的固体颗粒速度远低于主汽流速度，随动 叶转动撞击叶片进汽边后，粒子又反弹回喷嘴出汽 边背弧，如此反复，直至它们在离心力的作用下从 动静叶间隙中逸出，颗粒在喷嘴和动叶片间多次反 弹撞击，造成径向冲蚀程度严重； （1）SPE损伤的机理 喷嘴的加速过程“气固两相流” 固体 颗粒存在“颗粒轨迹” 撞击破坏喷嘴出汽 边腹部； 动叶进口速度三角形颗粒速度蒸汽流 速动叶进汽边背弧 一般颗粒与固体壁面碰撞：前三级严重， 颗粒反弹，撞击喷嘴出汽边的背弧喷嘴 “腹背受敌”。 （2）汽机侧的改进方法： 尽量少用调

9、节级存在大焓降高流速SPE 最危险工况：一个调门全开工况SPE 例如：机组启动过程：（反证法） 炉侧：点火，升温升压温度压力剧变氧化皮脱 落“存于炉侧” 常规冲转：升速，暧机，定速，5%初始负荷蒸 汽流量较小； 机组升负荷25%左右蒸汽流量升高，氧化皮 SPE 汽机若喷嘴调节危险工况相结合，SPE 应加以避免应以节流调节。 一般冲动式级较反动式级SPE严重； 东汽/哈汽 SPE 80-90% 上汽 SPE 91% 加强对 的监视，一般 上升1， 下降0.2% Hp ri Hp T排 Hp T 排 Hp ri 汽机厂对叶片型线设计抗SPE 研究表明，对汽轮机通流部分所用材料冲蚀 损伤的速率依赖于

10、固体颗粒的撞击角度，重 新设计汽轮机通流部分的型线，改变固粒的 冲击角度，使易冲蚀部位偏离冲击射线，避 免固体颗粒在最大冲蚀角附近冲击汽轮机部 件是解决SPE问题的另一种有效措施；根据 理论分析和运行实践经验，采用新的斜面喷 嘴型线技术能够有效地减小调节级的SPE问 题，提高调节级的持久效率， 亚临界机组只需采用合理的喷嘴型线就可有效防止 固体颗粒冲蚀；超临界机组采用合理的喷嘴型线， 外加保护涂层技术，可有效防止固体颗粒冲蚀， SIEMENS公司采用高，中压缸第一级静叶斜置90 度转向流道内的独特进汽结构，固体颗粒在进入进 汽流道后，因惯性直接撞向流道壁面而非撞击静叶， 并在离心力的作用下贴着

11、流道壁面前行，静叶因此 受到了较好的保护，此外，由于贴壁面前行的固体 颗粒动能较小，走出转向流道后的运行迹线是指向 动叶根部的，故其对动叶的侵蚀力也很小； 适当扩大级内轴向间隙：颗粒速度与蒸汽速度差 值减少，趋于一致，将反弹颗粒“吹回”主汽流。 在中压缸第一级，由于颗粒在喷嘴和动叶之间的多 次反弹撞击是造成叶片严重冲蚀的原因，因此防治 SPE问题的有效措施是合理加大动静叶轴向间隙， 使从动叶反射的粒子被主流吹回动叶流道而不再打 在静叶出口背弧上，减少了粒子在间隙间的多重反 弹； 材料应用，含铌； 叶片表面硬化的处理：渗铌，锆，等离子真空涂 层； 2 锅炉 （1）型 在减少固体颗粒形成方面，由于

12、固体颗粒是由金属高 温氧化剥落形成的，因此消除固体颗粒的关键就是恰 当的选用高温部件如锅炉的高温过热器，再热器及主 蒸汽，再热蒸汽管道的钢材，使其具有较好的搞氧化 和而腐蚀性能； 热偏差较大“节流圈” 氧化皮爆管，浓度过高， 垂直受热面易被聚堆积氧化皮必须较大的蒸汽流 量才能完全“吹走” （2）塔式调整后热偏差小无节流圈，水平受 热面，（氧化皮易携带，管侧洁净） 锅炉炉型 从割管中表现的氧化皮、固体颗粒 3 旁路系统 （1）旁路的配置方案 美日无旁路设计邹县10%启动大旁路SPE相对严 重 中国（30-40%）+高，低压串联旁路SPE ？ 西欧100%旁路100%+高，低压串联旁路 SPE（“

13、0”）100%+65% 保护汽机通流部分，机组启动时（特别是冷态启动时）由于 温度的变化，附着在管壁表面的金属氧化颗粒会脱落并进入 蒸汽，如果这些小颗粒进入汽机，会对汽机通流部分造成侵 蚀，所以机组启动时投运旁路的目的之一是使蒸汽中的固体 小颗粒通过旁路系统进入凝汽器，从而防止汽轮机调速汽门， 喷嘴及叶片侵蚀； （2）旁路对SPE防范的作用： 旁路是“丢弃”炉侧多余的蒸汽，使机炉工质相匹 配； 使炉侧启停相对平稳，参数可控； 一旦机侧出故障通过旁路使炉侧负荷相对稳定 例如：外三厂：启动过程中的高动量蒸汽冲洗系统 SPE 炉侧启动：利用旁路实现蒸汽参数的提升（主 要是D）实现“类冲管”效应； 目

14、标：将脱落氧化皮旁路凝汽器，保证炉 侧洁净； 使进入汽机的蒸汽是洁净无颗粒； 例：通过一个实例来分析旁路系统在机组长 期运行过程中对机组的影响，这是某机组在 废弃30%BMCR旁路系统运行两年后大修发 现的问题： （1）调节级喷嘴损坏； （2）中压第一级隔板静叶出汽边损坏：中压 第一级隔板静听上半出汽边顺气流方向有40 片损坏，且顺气流方向逐渐发展严重； 经过分析研究，造成这些损坏的原因有两个： 一是固体颗粒的冲击，受热面管道内的金属氧化物 脱落，被蒸汽机械携带冲击叶片，固体颗粒侵袭多 发生在机组启停阶段及变工况运行时，损害部位多 在叶片的出汽边内弧侧，而且造成叶根处金属沉积， 二是温蒸汽冲蚀

15、，机组在低负荷运行时，会对叶片 造成冲蚀； 由此看出，旁路系统对机组的影响是一个长期而缓 慢的过程，不论是从机组长期经济效益还是对汽轮 机寿命的影响来看到，旁路系统在提高机组使用率， 减少机组在启动过程中汽轮机特别是调节级的腐蚀， 延长汽轮机寿命都有着不可替代的影响； 4 给水泵组 5 化学水工况 SPE的综合防范现有的设备条件 下 1 汽机本身的制造，安装业主，监理（监造） 保证设备 2 新机组启动阶段充分地去除原始氧化皮（酸洗 冲管，旁路洁净蒸汽） 3 机组投运后：汽机节流调节，炉侧稳定； 防范含高浓度颗粒蒸汽 电厂实际运行经验表明，切实的运行方式对SPE问 题也能起到有效的防治作用，在减

16、少氧化皮剥落和 生长方面，采取的措施主要包括：大修期间对炉管 表面采用铬酸盐溶液，在305条件下循环48H，以 有效延长金属表面氧化层生长和剥落的时间；对过 热器和再热器进行酸洗，可以消除金属氧化学物； 避免锅炉的频繁启动以及长期低负荷运行，减少喷 水降温的使用概率和喷水量，尽量如此，锅炉内氧 化颗粒的排出仍是否可避免的，通过旁路将氧化颗 粒直接排入凝汽器是运行中比较有效的途径，欧洲 国家普遍采用的旁路系统已被证明对减轻固体颗粒 侵蚀 有显著作用，近年来美国新建的带较大容量旁 路系统的超超临界机组，SPE也得到减轻， 而对于未能从旁路排出的固体颗粒，汽机全 周进汽的进汽方式可以降低蒸汽及其携带

17、的 固体颗粒在级内的流动速度，减小固体颗粒 对汽轮机部件的撞击程度，另外，在检修方 面，维修期间详细记录喷嘴，动叶片，级间 和径向间隙，以及有关设备和部件的检修资 料，及时作出对机组经济性的评估和对安全 可行性影响的诊断，积累有关SPE的现场， 可以为时一步研究提供素材，找到防治SPE 的新途径； 汽机“防老化” “保鲜” （1）系统工程 主体受损部位在汽轮机本体及系统内 汽轮机内已采取了一定的防范措施，但并不是汽轮 机本身能全部解决完成的 整体涉及到单元机组的各个主体设备 是系统总体设计、材质、施工工艺、实际运行 的综合系统工程 （2）设备配置 锅炉 塔式炉：相对占优 型炉：相对较差 汽轮机 有调节级设计：宜采用节流方式运行，转化为压力级运行 旁路 建议采用、级串联旁路 容量不但要满足锅炉的基本稳燃需求，还应满足防范氧化皮 脱落的要求 给水泵组 建议具备一定的备用容量 对于纯汽泵模式，应充分保证其可靠性 化学工况 适时转入加氧方式运行 （3）实际运行 新机组 严格的酸洗、冲管，保障汽水品质 保证主、再蒸汽清洁 启动进程中，利用旁路系统洁净蒸汽 防范高颗粒物浓度蒸汽进入汽轮机做功 汽轮机 新机组612个月宜节流方式运行 启动进程及2472小时内宜节流方式运行 锅炉平稳运行，防范氧化皮脱落 单元机组平稳运行，防范氧化皮脱落 机组大幅度变负荷 AGC负荷需求 RB工况 甩负荷工况