超臨界機組鍋爐高溫受熱面管內氧化皮防治措施探討

廣州發展電力集團有限公司 任彬

超臨界機組鍋爐高溫受熱面管內氧化皮防治措施探討

廣州發展電力集團有限公司 任彬

本文通過分析超臨界機組鍋爐高溫受熱面管，因氧化皮堵塞管道引起超溫爆管的原因，制定有效防范措施，并結合實際情況提出了不同的治理方法建議，以探討氧化皮防治措施和辦法，減少投入的同時降低氧化皮帶來的風險。

超臨界機組鍋爐；管內氧化皮；原因分析；防范措施

0 引言

早期的超（超）臨界機組鍋爐高溫受熱面管材主要有T23、T91、TP347H、TP347HFG及Super304H，或多或少都受到管內氧化皮生成和剝落的困擾。廣東佛山某電廠600MW超臨界機組就因氧化皮集中剝落堵塞管道，造成管道短期超溫爆管數次。該廠末級過熱器管屏共82屏，每屏有12圈“W”形管子。入口段（冷段）管子的材質為T23和T91，出口段（熱段）管子的材質為T91和TP347H，其中TP347H材質的管子，僅布置在每屏末級過熱器熱段的最外第1、2、3、4、6根管子的出口端豎直段部分，管道規格為Φ38×7。該廠兩臺機組分別是2011年6月和10月投產，至今已發生7次因氧化皮集中剝落導致爆管的事件，機組投產至今末級過熱器爆管情況統計見表1。

1 原因分析

1.1 氧化皮的生成、剝落機理

水蒸汽在高溫下分解成氫氣和氧氣，受熱面管在高溫水蒸汽中發生氧化，當水蒸氣溫度在某一溫度以上時，有較強的氧化性。本超臨界機組過熱蒸汽、再熱蒸汽額定溫度為571℃，由于高溫蒸汽對鋼材的氧化作用，過熱器、再熱器內壁氧化皮的生成、生長是不可避免的；且氧化皮均經歷生成、長大、剝落、再生成等過程。

氧化皮的剝落與管材材質、氧化皮的厚度、溫度變化率及其溫度變化所引起的應力變化，氧化皮的組成等因素有關。T23T91材質管道內壁剝落平均厚度為0.21mm左右，TP347H材質管道內壁剝落平均厚度為0.092mm左右。

1.2 爆管部位分析

爆管部位均是末級過熱器出口端豎直管段下彎頭，且豎直管段均有TP347H材質管段。進行多次氧化皮外觀判斷及成分檢測顯示大部分氧化皮由TP347H材質管道生成、剝落，與T23、T91、TP347H管材氧化皮的生成、剝落機理一致。

1.3 汽溫及過熱器、再熱器管壁超溫

經查機組投產以來歷史曲線及主、再熱蒸汽超溫記錄，主蒸汽在一次機組RB動作后出現過持續2分16秒的超溫情況（超過額定值571℃），最高瞬時值為584.169℃，而此次管壁最高溫度為589.1℃。除本次主汽溫超溫外，沒有再發生過主、再熱蒸汽超溫現象。

表1 機組投產至今末級過熱器爆管情況統計

經查機組投產以來歷史曲線及過熱器、再熱器管壁超溫記錄，過熱器、再熱器管壁最高為590℃左右（每次爆管前的短期管壁溫值除外），考慮到大罩內管壁溫度測點值與爐內管壁實際溫度有30-50℃的差值，爐內管壁溫度最高為620-640℃。未超過管材許用溫度。

由此可以看出不存在主、再熱蒸汽及過熱器、再熱器管壁長期超溫現象，這方面的因素可以排除。

1.4 減溫水的使用

由于I級減溫器前蒸汽溫度控制得較高，過熱器減溫水調節品質不良及負荷波動大等原因，存在大流量使用減溫水的現象，有時甚至超過100t/h。減溫水的過量使用加速了管內壁氧化皮的生成和剝落。

1.5 吹管方式

基建時吹管采取將分離器壓力穩壓在5.0-6.0Mpa，對過熱器、主蒸汽管道進行吹管，即為穩壓吹管，不是變壓吹管。吹管方式得當，這方面的因素可以排外。

1.6 汽化品質

追溯以往汽化品質檢驗、化驗結果，汽化品質均達標運行，這方面的因素也可以排外。

1.7 保養方式

該廠兩臺機組早期是采用加聯氨后余熱烘干，近期直接采用余熱烘干法。兩臺機組脫硫吸收塔前沒有安裝GGH，機組停運初期吸收塔內液位仍較高，從防止潮濕、酸性氣體反流至引風機、除塵器等方面考慮，2013年7月18日第一爆管前的停爐均沒有及時停運引風機，而是長時間小開度讓引風機一直運行著，對鍋爐進行了強制冷卻，對鍋爐受熱面管壽命造成了致命傷害。這也是機組投產兩年就出現因氧化皮剝落造成爆管的主要原因。

2 防范措施

2.1 鍋爐啟動過程控制

啟動過程中需嚴格做好溫度、壓力變化率控制工作。

2.1.1 用油槍點火，避免等離子燃燒器點火，沖擊太大。機組冷態啟動過程中，起壓前，爐水溫升率（分離器疏水溫度）≤1.0℃/min；起壓后至并網前（主汽壓≥0.5MPa），主蒸汽溫升率≤1.0℃/min；投初臺磨時（15分鐘以內），力求主蒸汽溫升率≤2.0℃/min；并網后（并網初期10分鐘內≤2.5℃/min），主蒸汽溫升率≤1.0℃/min。

2.1.2 升溫、升壓過程中，用鍋爐燃燒率的增加與汽機旁路開度相配合來進行汽壓、汽溫的控制，防止再熱器干燒。汽機旁路配合控制汽壓升速率，盡可能地保持旁路在較大開度，熱態沖洗前，主汽壓升壓速度≤0.05MPa/min。熱態沖洗至機組并網后，過、再熱蒸汽升壓速度≤0.1MPa/min。

2.1.3 機組負荷低于150 MW，不投減溫水；負荷高于150MW，如需投減溫水須謹慎，減溫水調門開度要手動微調，平穩調節，避免減溫器后汽溫突變，防止減溫器后蒸汽進入飽和狀態。

2.1.4 汽機沖轉前，汽機高、低旁路維持較大開度，利于汽水系統固體顆粒、氧化皮等雜質沖洗；化驗汽、水品質合格后，才允許汽機沖轉。

2.2 鍋爐穩定運行過程控制

2.2.1 鍋爐正常穩定運行過程中，控制主、再熱蒸汽溫度變化率≤1.0℃/min。

2.2.2 加強受熱面的熱偏差監視和調整，防止受熱面超溫運行。鍋爐運行中盡力控制爐左右側I級減溫器前主蒸汽溫度偏差≤20℃，爐左右側過熱器出口主蒸汽溫度及爐左右側再熱器出口溫度偏差≤10℃。且需按照溫度高點控制蒸汽溫度，發現異常及時調整、處理。

2.2.3 機組正常運行時，末過、高再金屬管壁溫度≤595℃為限，主、再蒸汽汽溫≤571℃為限；運行中嚴格控制過熱器出口蒸汽溫度和受熱面管壁溫度。為減緩氧化皮的生成，嚴格控制末級過熱器和高溫再熱器金屬管壁溫度≤595℃，在此基礎上，盡量提高主蒸汽和再熱蒸汽溫度，以保證機組經濟性，但不允許超過額定值。主、再蒸汽溫度的控制服從管壁溫度，如發現末級過熱器管壁溫度超過595℃，經調整風量、二次風門及進行及蒸汽吹灰后無效，需適當降低中間點溫度運行，或將主汽溫再適當降低。

2.2.4 機組正常運行中，采用中間點溫度來控制主汽溫，減小減溫水用量，不允許出現減溫水用量大而中間點溫度在正偏置的情況。使用減溫水，操作須平穩，避免大幅開啟或關小減溫水導致過熱器、再熱器管壁溫度劇降引起氧化皮脫落。過熱器或再熱器減溫水總量不得超過蒸汽流量的5%，任何工況下減溫后蒸汽溫度應比其對應壓力下的飽和溫度高20℃以上。減溫水調整安排專人負責。

2.2.5 機組并網后進行7天的降溫運行，爐側主汽溫控制在540℃以內。

2.3 鍋爐停爐過程控制

2.3.1 機組正常停機采用滑停方式，控制蒸汽溫度下降速率≤1.0℃/min，嚴格控制降負荷過程中的末級過熱器管壁金屬溫度溫降速率。

2.3.2 滑停過程汽溫控制以降低燃料為主要手段，減溫水的使用要適當，（整個滑停過程中過熱器或再熱器減溫水總量不得超過蒸汽流量的5%），避免減溫器后汽溫突變，防止減溫器后蒸汽進入飽和狀態；減溫后蒸汽溫度應比其對應壓力下的飽和溫度高30℃以上。

2.3.3 機組停運后，保持送、引風機運行5-10分鐘后停止運行（爐內管道有泄漏時適當增加時間，以抽出泄漏蒸汽），關閉鍋爐及煙道所有風門擋板進行悶爐72小時左右（具體時間以末級過熱器和末級再熱器金屬管壁溫度≤200℃為準）；悶爐結束后，開啟風煙系統風門、擋板進行自然通風冷卻。末級過熱器和末級再熱器金屬管壁溫度≤180℃可以啟動風機小開度進行通風冷卻。燜爐過程中禁止進行給水冷卻。

2.3.4 汽機破壞真空前應確認高旁關閉、再熱器減溫水隔絕，通過開啟低旁及機側再熱器管道疏水對再熱器系統抽真空至再熱汽壓為負。然后隔絕機、爐兩側再熱蒸汽系統。機組停運一次汽水系統后按運行規程進行熱爐放水，開啟相應系統的所有放水閥、疏水閥及排空氣閥。現場確認爐水已放盡，系統內余汽已排盡后方可關閉爐側所有放水閥、疏水閥及排空氣閥，并確認機側主、再熱蒸汽管道疏水閥關閉。

2.3.5 機組事故停機具體操作需按運行規程執行。分離器出口壓力＜4Mpa后的過程溫度變化率控制參照滑停方式的過程溫度變化率控制。

2.4 加強聯絡，形成廠網共防機制

加強與調度相關部門的溝通、協調，客觀反映事實，為確保機組及電網的安全運行，爭取機組啟動初期高負荷連續穩定運行。雙機運行時，應盡可能通過調整兩臺機組的負荷，優先讓剛并網的機組帶更高的負荷（500MW以上），甚至是滿負荷；以提高蒸汽攜帶氧化皮的能力，減少氧化皮堆積在下彎頭堵塞管道造成超溫爆管的風險。

以該廠機組600MW和300MW兩個典型工況為例，600MW時過熱蒸汽壓力為25.4Mpa，溫度571℃，流速14.07m/s；300MW時過熱蒸汽壓力為15.6Mpa，溫度571℃，流速9.85m/s；

經計算得知：600MW工況額定溫度、額定壓力下的過熱蒸汽動能是300MW的3.53倍；在剝落、堆積的氧化皮顆粒大小、重量相同的情況下，機組負荷（過熱蒸汽壓力）越高，管內氧化皮更容易被攜帶走。

3 治理方法

從國內超（超）臨界機組鍋爐運行結果看，正常情況下奧氏體不銹鋼( TP347H、TP347HFG)高溫受熱面管材運行25000-30000小時會出現氧化皮剝落的高發期，馬氏體耐熱鋼(T23、T91)高溫受熱面管材運行50000-60000小時會出現氧化皮剝落的高發期。目前治理方法只要有逢停必檢、割管清理；管材升級——局部或整體換管；化學清洗；化學清洗及局部換管相結合的方法。

3.1 逢停必檢、割管清理

利用每次停機機會進行檢測、清理，在一定程度上可以降低堵管風險，但對停機時間有要求，增加了檢修時間。雖然每次清理費用看似不高，但不可靠，不安全；仍存在機組經停運檢測、清理再啟動運行時爆管的風險。該廠7次爆管中有6次就是這類情況。

3.2 管材升級——局部或整體換管

管材選擇恰當，幾年內可避免氧化皮問題出現，但更換后的新管，表面沒有“富鉻層”的保護，氧化皮的生長速度會較快。從目前運用情況看，除噴丸管和HR3C外，其它管材運行幾年后仍然面臨氧化皮脫落風險。相對較安全，但不經濟，費用較高。據了解，將一臺爐末級過熱器管材全部更換需4000萬元左右。

3.3 化學清洗

化學清洗只清除管內外層容易脫落的氧化皮，保留與金屬基體緊密接觸的“富鉻層”，可大大減緩氧化皮生長速度。但面臨著技術難度大，廢液量大，清洗過程控制不當容易出現腐蝕等問題。清洗方案得當，在清洗后數年內安全；相對換管也比較經濟一些，一臺爐末級過熱器、再熱器化學清洗需700萬元左右。

DL/T438-2016火力發電廠金屬技術監督規程第9.3.18a）中規定：T23T91等馬氏體耐熱鋼管材老化達到5級（按DL/T884執行老化評級），奧氏體不銹鋼管材老化達4級（按DL/T1422執行老化評級）需進行材質評定和壽命評估，文中例舉電廠T91和TP347H管材老化級別為2級，從管材壽命及投資費用角度考慮，目前不建議采用整體換管方式，而采用化學清洗方法進行治理既經濟又安全。

4 結束語

氧化皮問題是超（超）臨界機組普遍存在和共同面對的一個“世界性”難題，目前電力企業機組負荷率低、機組利用小時數低又增加了日常防范的難度。日常除做好如嚴禁停機后快速冷卻，嚴禁超溫運行，嚴禁在汽、水品質不達標的情況繼續運行等影響鍋爐壽命的基本要求外，還需從控制溫度變化率、慎用減溫水、進行燃燒調整等方面來進行調整和預防；同時加強與電網調度部門的溝通，爭取機組啟動初期能高負荷連續穩定運行；形成廠網共防機制。以減緩氧化皮生成，防止氧化皮集中剝落堵塞管道造成爆管和沖蝕汽輪機葉片。

對于治理方法，需根據機組運行小時數、氧化皮的嚴重程度和高溫受熱面管老化程度進行選擇。氧化皮量少且只是局部有時，則建議采取割管清理的方法；氧化皮已較嚴重，但高溫受熱面管老化只有3級以下，結合發電企業利潤，兼顧安全和成本，建議采用化學清洗方法；如氧化皮較嚴重，且高溫受熱面管老化已達4-5級，結合管材材質評定和壽命評估，則采用換管方式。

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