浅谈超临界机组蒸汽侧氧化皮产生与综合治理

浅谈超临界机组蒸汽侧氧化皮产生与综合治理第1页/共30页主要内容前言一、氧化皮产生与剥落机理二、宿州公司锅炉氧化皮检测情况三、氧化皮产生与剥落对机组的危害四、宿州公司锅炉氧化皮综合治理措施五、氧化皮导致停机事故案例第2页/共30页前言

上世纪70年代，国际上认为蒸汽通流部件表面氧化层的形成与剥落主要有运行工况和通流部件选材等方面有主要关系。随着我国超（超）临界高参数机组发展，蒸汽通流部件氧化皮剥落造成管道堵塞、爆管、主汽门卡涩和汽轮机部件侵蚀等问题在不断出现，虽各单位在机组检修时采用不同方式进行了处理，但其产生原因和规律及防治措施，还未得到有效彻底解决。目前随着机组服役期的延长和越来越多的机组承担调峰任务，以及高参数机组的发展，氧化皮产生与剥落问题更为突出。有的机组仅试运行不久就出现该情况，尤其是奥氏体钢的氧化皮剥落堵塞爆管表现更为明显。这一类问题的产生不仅影响机组安全运行，而且降低了机组的可靠性和经济性。第3页/共30页一、氧化皮产生与剥落机理1、高温蒸汽管道内壁氧化皮形成 从热力学角度来讲，锅炉管内壁产生蒸汽氧化现象是必然的，因为铁与水反应，生成Fe(OH)2,饱和后，在一定温度范围转化为Fe3O4，Fe+H2O→Fe3O4+H2（高温）此反应在铁表面进行，在表面形成Fe3O4.氧化膜，并随同有氢析出。当温度高于570℃，内部氧化物的分布为FeO、Fe2O3、Fe3O4，FeO与金属基体相结合不致密。氧化膜的生长遵循塔曼法则，根据此法则氧化膜的生长与温度和时间有关。氧化膜的生长速度与蒸汽压力有关，蒸汽压力低比压力高生长速度快,不同材质蒸汽侧氧化皮生长速度是不一样的，一般来说金属温度对氧化速度的影响最大，而蒸汽压力的影响相对较小，且温度对于不同钢种蒸汽氧化速度的影响方向和程度也不尽相同。第4页/共30页2、高温蒸汽管道氧化皮剥落机理 在长期高温运行过程中，奥氏体不锈钢过热器和再热器管子内壁在高温蒸汽的作用下会不断氧化从而形成连续的氧化皮，这种氧化产皮通常附着在管壁上，氧化皮的剥落一般具备两个条件：一是氧化皮要达到一定厚度（不锈钢0.1mm,CrMo钢0.2-0.5mm）；二是高温蒸汽管道温度变化频繁，且幅度较大；又由于氧化皮的膨胀系数与奥氏体不锈钢金属的线膨胀系数相比差别很大，温度变化时就会引起氧化皮破裂并从金属表面剥离，因此在机组启停或温度变化剧烈时就会引起管内氧化皮大面积剥落，脱落后的氧化皮屑掉入管子底部并逐渐聚集就会造成管子堵塞。（备注：不锈钢线膨胀系数2.1×10-5；氧化物线膨胀系数0.9×10-5）第5页/共30页二、宿州公司氧化皮检测情况1、机组概况华电宿州公司目前一期工程2×630MW机组，均为超临界前后墙对冲直流锅炉，机组分别于2007年9月、11月份投入商业运行。自投运以来未发生过由于氧化皮堵塞爆管事故。宿州公司#2机组为630MW，东方锅炉（集团）股份有限公司生产超临界机组，其型号为：DG1900/25.4-Ⅱ3型，锅炉为超临界参数变压直流本生型锅炉，一次再热，单炉膛，尾部双烟道结构，采用平行挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，半露天布置。#2机组自2007年11月投产，截止2011年5月已运行20000多小时，未发生“四管”泄漏非停事故，但#2机组2011年5月检修期间，#2锅炉高温再热器出汽侧弯头发现大量氧化皮脱落堵管，#1锅炉目前未出现大面积脱落现象。第6页/共30页2、#2锅炉受热面氧化皮检测情况#2机组小修中，使用氧化皮检测专用仪器对锅炉受热面管弯头氧化皮沉淀情况进行了全面检查，并通过X射线拍片验证，高过及屏过（抽查）检查情况较好，未发现氧化含量超标弯头，但检查验证发现高再84只弯头氧化皮堵管面积超过30％，已经阻碍蒸汽流动，决定对氧化皮含量超标弯头进行割管清理，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以上的弯头4只，最重106g。堵管面积弯头数量30％-40％10只40％-50％29只50％以上45只第7页/共30页拍片与清理出氧化皮形态对照图第8页/共30页3、原因分析3.1运行因素 由于锅炉运行时间已经超过20000h，TP347H材料性能决定，已进入了氧化皮脱落的高峰期，据调研，超临界机组正常温度运行（571℃），氧化物高峰期一般在15000小时左右就会出现脱落堵塞管道，国内机组高峰期最早的在3100小时左右。且运行温度越高，高温氧化就会加速，氧化高峰期来的越早。TP347H管氧化皮厚度与内壁温度的关系图（Mils：千分之一寸，1mils=25µm）571℃相当于1159°F第9页/共30页3.2高再温度偏高形成多层氧化膜按照国内计算，管子内壁一般比管子外壁高出50℃，因此高温再热器钢管内壁实际温度应为569℃＋50℃＝619℃；因而锅炉设计时应用大量的SA-213TP347H（最高使用温度650℃）不锈钢材料，经研究蒸汽温度在538℃以下，锅炉不锈钢管料一般不产生氧化皮及剥落的问题，而蒸汽温度在566℃以上时不锈钢管料就会发生所生成的氧化皮剥落事故，特别是超临界锅炉不可避免产生氧化皮脱落.经调取高再温度曲线发现高再运行一般在540℃-590℃，那么钢材内壁温度基本在590℃-640℃，因此在管壁内会不断产生不致密的氧化膜。

目前通过运行优化燃烧调整，提高吹灰效率等方式，高再壁温基本维持在570℃以下，但在每天升负荷时温度还是较高。第10页/共30页3.3高再壁温突降较严重 经调取小修前高再壁温曲线，我们发现一般在0.5h-1h内，温降50℃以上，最高有70℃-80℃温度突降，短时间内温度突降有利于氧化皮剥落，国内有关手册所显示过热器及再热器管材钢的热胀系数一般在16～20×10-6/℃，而Fe3O4则分别为9.1×10-6/℃，由于热胀系数的差异，当氧化层达到一定厚度后，在温度发生变化，尤其是发生反复的或剧烈的变化时，氧化皮容易从金属基体剥离。 目前通过降低减温水投入速度，（或基本不用），加强尾部烟气挡板调节，温降有所改善，一般在40℃左右。第11页/共30页三、氧化皮产生与剥落对机组的危害1、氧化皮剥落堆积会导致受热面超温爆管 机组在停机和启动，以及负荷、温度和压力变化较大时，锅炉受热面上达到剥离条件的氧化皮开始逐渐剥离下来，堆积在锅炉受热面蛇形管底部，从垂直管段剥离下来的氧化皮垢层，一部分被高速流动的蒸汽带出过热器和再热器，另有一些会落到U型弯处，当某一根管子开始有了一些脱落物堆积时，由于流动阻力增加，氧化物堆积会降低弯头处热交换效率，它的管壁温度就会比周围的管子高.由于底部弯头处氧化皮剥离物的不断堆积，使得管内通流截面减小,阻碍蒸汽流动,导致管内的蒸汽流通量减少，使管壁金属的温度升高。当堆积物量达到一定程度时，则会造成管壁超温而引起爆管。第12页/共30页某电厂（600MW超临界锅炉）06年4月在#1炉在运行过程中爆管，转入检修，检修中发现高温过热器、屏式高温过热器发生大面积氧化皮堵塞现象，高温过热器抽检3屏60根管子，有17根管子堵塞，敲管后全部堵塞，高温过热器全部割管处理；屏式高温过热器敲管后全部割管处理；高温再热器内氧化物含量未超标不影响管子安全运行未处理。启动先后消缺停机两次，第三次启动时爆管，经检测又有100余根管子堵塞。#1炉属于典型的超温大面积爆发。第13页/共30页2、氧化物会对汽轮机部件造成侵蚀流动蒸汽带出的氧化皮对汽轮机部件产生固体颗粒侵蚀，造成汽轮机喷嘴和叶片侵蚀损坏。从过热器和再热器管剥离的氧化皮，部分被具有极高流速的蒸汽携带出过热器和再热器，这些被携带的氧化皮剥离物颗粒具有极大的动能，它们会不断地撞击汽轮机喷嘴和叶片，使汽轮机的喷嘴和高压级叶片受到很大损伤，使通流部分效率下降，机组出力损失，同时也缩短了检修周期，增加了检修费用。第14页/共30页3、氧化物堆积造成主汽门卡涩随流动蒸汽带出的氧化皮在主汽门处堆积，会很容易造成主汽门卡涩，从而导致机组停机，主汽门无法关闭，威胁着机组的安全运行，机组非停，降低设备可靠性，影响机组的经济运行。4、氧化皮剥离堆积易堵塞疏水管 进入汽轮机内的氧化皮被蒸汽携带着一起流动。在机组的启动阶段，汽机侧各路疏水均处于开启状态，因而氧化皮会随着蒸汽进入疏水、抽汽系统；降压扩容后，随着流速下降蒸汽无法携带氧化皮时，氧化皮开始沉积在系统弯头等死角处，并容易堵塞细小管道、疏水阀门、逆止门等，使疏水系统产生内在的安全隐患。第15页/共30页5、氧化皮剥离会严重污染水汽品质 高温高速蒸汽带出过热器和再热器的氧化皮剥离物颗粒，在汽轮机内经过撞击和冲蚀以后，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，使水汽中铁含量增加，造成锅炉受热面沉积速率增加。第16页/共30页四、宿州公司锅炉氧化皮综合治理措施

宿州公司从锅炉运行方式、运行参数、锅炉给水水质和蒸汽品质、启停炉工艺控制、停炉保养和维护措施等方面，进一步控制锅炉受热面管内壁氧化皮产生剥落速度，降低氧化皮产生堆积所造成的危害。

第17页/共30页1、严禁锅炉超温运行，严格控制蒸汽和金属壁温 根据本次＃2锅炉受热面管内壁氧化皮剥落堆积的检测结果，准备对氧化皮含量较多的23根管道增加温度测点，使高再壁温测点增加到30个，延宽温度检测范围。同时严格规定运行中高温过热器出口蒸汽温度不超566±5℃，屏式过热器出口温度不超过540℃，高温再热器出口蒸汽温度不超过569℃。 在锅炉运行中，严格执行《机组运行参数控制规定》，发现金属温度超过规定值，一定通过降低蒸汽温度、调整运行方式及必要时考虑降低机组的负荷运行。在机组运行中绝不允许蒸汽参数和受热面金属温度长时间超过规定值运行。每周要组织召开超温分析会，总结分析超温原因。第18页/共30页2、抑制受热面温度周期性波动和温度变化速率，减缓氧化皮剥落。尽可能减少启停次数、频度，减缓升温和降温速率。机组若停运时，严禁强制冷却，应采用闷炉处理（约72小时），以防止氧化皮脱落。2.1机组启动阶段控制受热面金属温度平稳升高锅炉点火阶段采用多油枪、低油压方式（不得低于设计保证值，注意雾化情况），利用油压调整炉膛热负荷，避免炉膛热负荷大幅度波动。制粉系统的启动要缓慢，给煤量要逐步增加，减温水的投入要谨慎，防止汽温大起大落。同时要确认过热器各疏水管畅通，否则需进行检修。2.2机组正常运行中受热面温度变化率控制机组运行中正常升、降负荷速率不超过10MW/min，在300～600MW负荷区间内升、降负荷要维持屏式过热器、高温过热器、再热器出口蒸汽温度额定，如由于升降负荷的扰动造成上述温度的波动率超过5℃/min，要适当降低机组的升、降负荷速率或暂停升降负荷，待温度调整稳定后继续进行负荷变动操作。第19页/共30页2.3机组滑参数停机温度变化率控制机组正常停机要采用滑停方式。滑停过程中屏过、高过和高再出口蒸汽温度的温度变化率不高于1.8℃/min。为预防停炉后受热面管内积水造成停运腐蚀，锅炉带压放水压力为1.0MPa。2.4机组冷态启动过程中温度变化率控制机组冷态启动过程中严格按照机组升温控制曲线控制蒸汽温度。在机组冷态启动过程中机组并列前的温升速率控制不高于3℃/min，机组并列后的升速率控制不高于1.8℃/min。第20页/共30页2.5机组事故停机温度变化率控制

机组由于故障紧急停机，炉膛通风10分钟后立即停止送、引风机运行并关闭送风机出口和引风机进、出口挡板进行闷炉，防止受热面快冷。如紧急停炉后需要对锅炉进行冷却，要控制高温过热器、屏式过热器、高温再热器出口蒸汽温度和上述受热面金属温度降温速率不超过3℃/min，主、再热降压速率不大于0.3Mpa/min；通风冷却时根据环境温度控制风机的出力，调整冷段过热器和冷段再热器入口烟气温度的降低速率不高于3℃/min。第21页/共30页2.6机组热态启动过程中温度变化率控制机组冷态启动过程中严格按照不同热状态的升温控制曲线控制蒸汽温度。在热态启动过程中，为防止受热面金属温度降低，锅炉的烟风系统要与其它系统同步启动。烟风系统启动后炉膛通风控制总风量为35%，在炉膛通风5分钟结束立即点火，点火后要尽快投入燃料量，控制屏过、高过、高再的温升速率为5～6℃/min，防止受热面金属温度降低。第22页/共30页3、机组启动期间应进行受热面吹扫当汽水分离器压力升至4MPa,逐渐关小高旁阀至5%开度，然后快开启高旁阀；当汽水分离器压力降至2.5MPa,快速将高旁阀关至初始开度。注意监视过热器、再热器受热面管壁温度的变化，发现个别温度偏差较大，继续采用重复快开高旁阀的方法进行吹扫。过热器、再热器吹扫阶段，每30min化验一次凝泵出口凝结水含铁量，每小时化验一次给水铁含量，密切关注热井及凝水铁的变化情况，当凝水外状澄清，铁含量＜1000g/l时，过热器、再热器吹扫水质合格。第23页/共30页当凝水水质合格，而过热器、再热器受热面管壁温度偏差仍较大时，应继续进行吹扫。进一步吹扫过热器、再热器受热面管壁温度偏差大仍不能消除时，机组停止启动，对锅炉有关受热面管屏进行检查或停止吹扫进行机组启动工作。严格控制汽水品质，保证冲洗效果，当凝水水质合格，并且受热面管壁温度偏差正常时，吹扫工作结束。过热器、再热器吹扫阶段应密切监视凝泵、电泵入口滤网差压，做好交替清理两台凝泵入口滤网的准备。夹杂着氧化皮的汽水混合物将对汽机高旁转换阀密封面、主汽门前三路疏水阀阀座产生一定的冲刷，注意检查处理。第24页/共30页4、加强运行金属温度监督和停炉检查完善受热面金属温度测点并加强受热面金属温度测点的维护，运行中利用SIS加强受热面金属温度的趋势监测，根据受热面金属温度变化情况指导停炉后受热面内氧化皮的检查分析。4.1机组检修做好受热面内氧化皮定期检测工作。在检修期间，采用氧化皮检测仪对高温过热器、再热器进行氧化皮检测，发现有受热面管氧化皮堆积应及时进行全面清理。4.2做好高温过热器及再热器壁温温度突降监视工作。宿州公司规定过热器温度突降1h内温度突降控制在60℃，再热器温度突降1h内温度突降控制在70℃.防止温度变化剧烈导致氧化皮脱落堵管。4.3做好主汽门定期维护和检查工作。检修期间彻底清除主汽门处的高温氧化皮，确保主机汽门不被卡涩，保证机组的安全运行。第25页/共30页五、氧化皮导致停机事故案例1、某发电厂#4炉高过爆管（目前国内最早氧化皮堵塞爆管）

#4锅炉600MW超临