超臨界機組氧化皮機理分析及防治對策

崔修強

（華電國際電力股份有限公司技術服務分公司，山東 濟南 250014）

近年來發電技術不斷發展，高效型超超臨界供熱機組再熱汽溫已達620℃，機組發電煤耗和污染物排放水平大幅降低，但是隨著機組初參數尤其是溫度參數的大幅提高，過熱器、再熱器管材汽側的高溫氧化問題日益突顯，帶來了超臨界鍋爐氧化皮脫落爆管、汽輪機固體顆粒侵蝕等難點問題。

氧化皮脫落后聚集在受熱面U 型彎底部，使受熱面管道的通流截面減小、流量降低，對受熱面管子的冷卻效果減弱，高過、高再等高溫鍋爐受熱面管材短期過熱，導致高溫受熱面爆管；受熱面管壁剝落的堅硬金屬氧化物粒子隨蒸汽進入汽輪機，造成汽輪機入口流通部分固體顆粒侵蝕與汽輪機葉片損害。超臨界鍋爐氧化皮脫落問題已成為影響機組安全與經濟運行的主要問題之一。為此研究鍋爐氧化皮產生的機理，掌握金屬材料高溫氧化與脫落的規律，并對相關技術參數進行優化，制定預防鍋爐高溫受熱面氧化皮產生、脫落、聚積的相應對策，對提升機組的安全、經濟運行特性，具有較大的指導意義。

1 鍋爐氧化皮機理分析

1.1 氧化皮生成機理分析

金屬的氧化主要通過氧離子的擴散來不斷進行，可以認為高溫蒸汽管道內壁氧化膜的生成是一個化學、物理過程。若化學反應生成的氧化膜不牢固，生成的氧化膜不斷剝落，則致密的氧化膜對金屬的保護作用消失，金屬氧化的過程不斷持續進行。氧化皮的生長速度與管材溫度和運行時間都有關系，機組運行時間越長，氧化膜的厚度越大，有資料表明金屬溫度和氧化速度之間呈指數曲線關系，金屬溫度越高，氧化速度越快。

一般情況下，鍋爐管材蒸汽側氧化皮的斷面形貌呈現雙層結構特征，內層與外層氧化物厚度也大體相當。大量的研究工作表明，外層氧化物得成分主要是Fe3O4，內層氧化物的成分主要是(FeCr)3O4，隨著管材中Cr 含量的增加，其內層氧化物中Cr 的含量也相應增加。通常情況下，外層氧化物微觀形態呈現粗大柱狀晶結構，疏松多孔，內層氧化物呈現尖晶石結構，較為致密。

1.2 氧化皮的脫落及聚積分析

在鍋爐的啟動、停止和負荷劇烈波動過程中，鍋爐受熱面管壁溫度波動幅度較大，導致受熱面管材產生了溫差熱應力，是氧化皮大量脫落的主要原因。對于超臨界機組，由于鍋爐受熱面管材運行參數超過了氧化皮快速生成的溫度水平，高溫氧化非常容易發生，氧化膜增長到一定厚度后，在受熱面管材溫度發生大幅、劇烈或反復波動時，受熱面母材與高溫氧化膜不同熱膨脹能力的影響，氧化皮將從金屬管材本體脫落，而且氧化膜越厚則脫落越明顯。尤其對奧式體鋼材，在高溫運行條件下，鍋爐氧化皮的生成和剝落將不可避免。

在鍋爐啟停過程中，最容易發生鍋爐高溫氧化皮大量脫落、在管屏下部堆積和阻塞管內流通部分的情況。鍋爐停運冷卻過程中，鍋爐受熱面管道內部部分蒸汽凝結成水，積存在受熱面U 型管屏的下部，積水自然蒸發后，浸在積水中的氧化皮聚積成核狀，導致受熱面管子流通截面堵塞；鍋爐啟動初期，受熱面管內蒸汽流量較小，不能將脫落的氧化皮帶走，氧化皮在U 型彎的底部不斷的集聚、積聚成團，鍋爐蒸汽流量增大后也很難將其帶走。受熱面管道被氧化皮堵塞，導致受熱面管內蒸汽流量降低、壁溫升高，嚴重時會造成受熱面管子短期超溫爆管。

1.3 氧化皮脫落的危害

鍋爐過熱器、再熱器等高溫管材發生氧化皮剝落，會造成以下幾方面的危害：

（1）脫落氧化物堵塞鍋爐受熱面管道通流部分面積，使受熱面管內蒸汽流動受阻、流量降低，管內蒸汽吸熱能力降低，管材壁溫升高，發生金屬蠕脹，鍋爐金屬受熱面發生局部過熱而爆管。

（2）機組正常運行中，剝落的鍋爐高溫氧化皮被高速蒸汽攜帶進入汽輪機，撞擊汽輪機噴嘴和葉片，導致固體顆粒侵蝕，汽輪機內效率下降。

（3）剝落的鍋爐高溫氧化皮在汽機高、中壓主汽門的閥座和閥芯之間沉積，導致主汽門卡澀、關閉不嚴，威脅汽輪機運行安全性。

（4）氧化皮顆粒在撞擊、沖蝕汽輪機葉片后，90%的顆粒被破碎成直徑在5 ～50μm 之間細小顆粒，這些細小顆粒顆與葉片被沖蝕的固體顆粒一起，隨著水汽系統流動進入到汽輪機尾部的凝汽器，成為影響機組的汽水品質降低、汽輪機熱力設備結垢的一個重要因素。

2 氧化皮危害的防治對策

分析高溫蒸汽受熱面管材氧化、氧化皮的脫落、固體顆粒的產生與運行軌跡、汽輪機葉片侵蝕的整個過程，防治氧化皮的危害工作開展的總體思路應沿著上述關鍵環節進行，基本原則首先應設法防止和減緩鍋爐高溫受熱面金屬氧化物的生成，其次對已生成的金屬氧化物則應采取措施避免脫落，再者對已脫落的高溫氧化皮則應盡快清除避免堆積，最后對未能清除的高溫氧化皮則應采取措施減輕其對汽輪機葉片的侵蝕。

2.1 基建設備選型

2.1.1 高溫管材選擇

相對于同一等級的蒸汽溫度參數，選用抗氧化性能好的管材是鍋爐選型的首要選擇，通過材料規格的提升，降低蒸汽側氧化的速率。其次對高溫受熱面管材內壁噴丸或鍍鉻，也可減緩蒸汽側金屬氧化。新建鍋爐受熱面材料，應根據鍋爐區域布置特點，并對受熱面進行溫度場、煙氣流場校核計算后，確定管材規格的選擇。例如某高效型超超臨界供熱機組采用HR3C 和SUPER304H 型細晶粒材料，其比粗晶粒材料有更為優良的抗氧化性能。

就管材的抗蒸汽氧化性能而言，細晶粒優于粗晶粒，高Cr 鋼優于低Cr 鋼。多數使用案例證明HR3C 抗氧化性較好，作為同類型的細晶粒鋼Super304H 與TP347HFG（7-10 級），其理論抗氧化性優于粗晶粒鋼TP347H（4 ～6 級）。國產TP347HFG 因價格優勢及國產化較早在超（超）臨界機組受熱面高溫區域被廣泛推薦使用，但統計資料表明TP347HFG 材料氧化皮脫落問題比較普遍，其抗高溫氧化性能低于預期。

綜合來看，HR3C 材料抗氧化性能良好，但價格較高；采取噴丸處理后的Super304H 和TP347H 材料被更多新機組采用。噴丸工藝是通過對鋼管內表面進行處理后，形成碎化晶層，高溫下產生Cr2O3保護膜，有效減緩基體氧化。

2.1.2 鍋爐選型

對于超臨界鍋爐，蒸汽氧化與氧化皮脫落現象是客觀存在，當氧化皮脫落及固體顆粒產生后，解決問題的核心是如何防止其積聚避免鍋爐超溫爆管，如何避免固體顆粒對汽輪機葉片的侵蝕。因此超臨界鍋爐爐型的選擇首先應有利于降低鍋爐受熱面的傳熱偏差。如果受熱面傳熱偏差過大，部分區域的煙氣溫度會明顯高于平均煙溫，導致該區域的傳熱強度、管材壁溫及管內蒸汽溫度均會不同程度提高，將會加劇管子的表面、尤其是管材內壁表面的蒸汽氧化。其次應有利于高溫氧化皮及固體顆粒的傳輸，避免氧化皮的沉積。

2.1.3 汽輪機選型

汽輪機高、中壓缸的第1 級最容易發生固體顆粒侵蝕問題，基于減緩固體顆粒侵蝕的目的，對于汽輪機第1 級的噴嘴和動葉，應選用高溫葉片材料，以提高其抗侵蝕能力，同時采用保護鍍層、涂層，或采用表面硬化處理等措施，提高其抗防固體顆粒侵蝕的能力。

2.1.4 配置大容量旁路

鍋爐啟動過程中，不可避免出現氧化物的脫落、固體顆粒隨汽流排出的情況，為防止其進入汽輪機造成汽輪機葉片侵蝕，設置汽輪機旁路，將氧化物顆粒直接排入凝汽器是一個有效的途徑。在機組設計時，應根據鍋爐氧化皮進行吹掃的流量需求，校核計算后選用大容量汽輪機旁路。

2.2 運行操作優化調整

2.2.1 鍋爐超溫運行控制

加強鍋爐運行中燃燒配風、制粉系統優化調整，發生異常情況及時處理，避免鍋爐汽溫、汽壓參數的大幅度波動。主、再熱汽溫的控制調整的原則要避免爐內管壁溫度超溫，發現高溫受熱面管壁溫度超溫，應調整運行方式，如增加鍋爐本體蒸汽吹灰頻率、進行氧量及二次風配風優化等，必要時可降低主蒸汽溫度或中間點溫度運行。

為防止爐膛熱負荷大幅擾動造成受熱面超溫，做好過熱器和再熱器減溫裝置維護工作，確保其處于可調整和備用狀態，防止主再蒸汽溫度周期性大幅度波動。鍋爐正常運行中，高過出口汽溫偏差應控制在±5℃以內，屏過、高再出口汽溫偏差應控制在±10℃以內，運行中應把溫度高點作為控制汽溫控制目標。

2.2.2 鍋爐減溫水控制

超臨界鍋爐運行中主汽溫控制的基本原則，以煤水比控制為主，減溫水調節為輔。再熱汽溫控制以二次風配風優化與制粉系統運行方式調整為主。運行中及時、精確調整減溫水量，禁止大幅投、停和調整減溫水流量。

2.2.3 鍋爐溫度變化速率控制

（1）正常運行中鍋爐受熱面溫度變化率控制。在50%～100%BMCR 負荷區間內，正常負荷變化速率不超過10MW/min，升降負荷期間維持額定蒸汽溫度，溫度的波動率控制在5℃/min 以內。

（2）滑參數停爐受熱面溫度變化率控制。機組正常停止采用滑參數停爐，停爐過程中屏過、高過以及高再出口汽溫變化率控制在2℃/min 以內。

（3）事故停爐受熱面溫度變化率控制。緊急停爐過程中，控制高過、屏過和高再出口汽溫和高溫受熱面金屬壁溫下降速率控制在3℃/min 以內，鍋爐汽壓的下降速率應控制在0.3MPa/min 以內；降壓結束后，通過水冷壁上水的方式，把啟動分離器管壁溫度下降的速率控制在在3℃/min 以內。

（4）機組冷態啟動過程中溫度變化率控制。機組冷態啟動的過程中，并列前溫升速率控制應不高于3℃/min，并列后溫升速率控制應不高于2℃/min。

（5）熱態啟動過程中溫度變化率控制。機組熱態啟動過程中，應嚴格按照升溫、升壓曲線的要求控制參數變化，屏過、高過、高再溫升速率控制應不大于5 ～6℃/min，尤其要防止鍋爐受熱面管材金屬溫度降低。

2.2.4 機組啟動時利用大容量旁路沖洗

機組啟動過程中，汽輪機旁路進行鍋爐氧化皮吹掃，氧化顆粒通過旁路排入凝汽器。機組啟動時利用大容量旁路沖洗，既可保證機組的安全啟動，同時在鍋爐受熱面氧化皮脫落時，保證足夠的流量和壓差，可以及時帶走受熱面管內積聚的氧化皮，緩解氧化皮脫落堵管的問題。

2.3 機組檢修及檢查處理

存在氧化皮隱患的鍋爐，每年必須進行一次全面的氧化皮檢查，氧化皮沉積嚴重的鍋爐應進一步縮短檢查周期。機組停運或大小修時，采用高頻超聲波測量、射線拍片（非奧氏體鋼）或磁性測量（奧氏體鋼）等方法，檢查并及時清除鍋爐受熱面管子內壁剝落的氧化皮，避免因氧化皮沉積而導致爆管的隱患。

檢查內容包括鍋爐受熱面外壁氧化皮剝落宏觀檢查、變形與變色檢查、管材脹粗與壁厚檢查、受熱面彎頭處氧化皮堆積情況檢查，對于氧化皮堆積情況嚴重的受熱面管屏，應進行割管清理。

建立健全設備臺賬，詳細記錄氧化皮堆積或爆管發生的時間、部件及位置，受熱面管材及氧化皮取樣檢測并做好記錄，為管控氧化皮問題提供技術依據。

2.4 建立氧化皮在線監測機制

建立氧化皮在線監測機制，實時監測鍋爐高溫受熱面壁溫，建立數學模型預測氧化皮厚度狀態，監視氧化皮脫落物濃度變化。指導運行人員燃燒優化調整，將受熱面壁溫控制在紅線以下，同時為鍋爐高溫受熱面優化檢修數據支持，通過運行優化及精密檢修工作，減緩氧化皮生長速率，防止氧化皮大量剝落，保障鍋爐在620℃初參數條件下安全穩定運行。

2.4.1 高溫受熱面壁溫在線監測及模型

高溫受熱面爐內汽溫及壁溫的測點布置建立是在線監測系統的基礎，應根據壁溫分布適當增加測點數量，重點檢查壁溫安全余量偏小的管材以及累計超溫時間較多、溫度異常的管圈。通過加強壁溫監測，及早發現問題并及時采取針對性措施。

根據鍋爐代表性的測點實時運行數據，利用對受熱面傳熱和水動力特性進行計算，建立精確的受熱面壁溫分布預測模型，在線獲得鍋爐每根受熱面沿長度的壁溫和汽溫分布。

隨著高溫受熱面蒸汽側氧化皮厚度增加，受熱面傳熱性能下降，管壁溫度升高。根據氧化皮的生長規律，建立高溫受熱面氧化皮厚度數學預測模型，獲得氧化皮厚度分布對管壁溫度的影響。

2.4.2 鍋爐氧化皮脫落濃度在線監測技術

利用脫落物在線測量系統，實時、在線、連續測量機組氧化皮顆粒含量、顆粒分布、流量，記錄單個顆粒質量、顆粒質量流量、質量分布及其它統計數據，可以基于顆粒流量產生報警。其測量原理基于振動波探測原理，測量顆粒或水滴撞擊插入到流體中的探頭產生的振動波，此振動信號比例于顆粒質量和流體速度，通過變送器將這些振動波信號轉換為電信號，測量系統見圖1。

圖1 氧化皮脫落濃度在線監測系統

2.4.3 鍋爐氧化皮在線監測系統

建立超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮在線監測系統，實現壁溫分布在線監測、超溫時間統計、氧化皮生成厚度預測、管排壽命損耗評估等功能。

（1）壁溫分布在線監測。在線監測和管理鍋爐高溫受熱面各管各點壁溫，實現壁溫超溫報警功能；在線監測和管理鍋爐高溫受熱面熱偏差，預防超溫爆管。

（2）管壁運行狀態查詢。在線查詢鍋爐高溫受熱面超溫時間，實現對任一位置管壁運行溫度預測，生成歷史曲線及不同受熱面壁溫統計分布圖，在線查詢鍋爐高溫受熱面管材強度，統計壁溫超限結果，形成鍋爐高溫受熱面管材氧化超溫統計信息。

（3）高溫受熱面運行狀態評估。在現有鍋爐監測的基礎上，建立數學模型，在線預測鍋爐高溫受熱面每根管子各點氧化皮生成狀態，實現氧化皮剝落預測、氧化皮厚度監測、氧化皮應力監測、受熱面安全性評估，在線評估鍋爐高溫受熱面管材運行狀態。

（4）優化指導。通過智能優化運行，結合燃燒優化調整試驗及鍋爐歷史運行情況，發布的最優熱偏差工況及對應的配風方式，指導運行進行優化調整。同時在線給出鍋爐高溫受熱面系統檢修建議。

圖2 氧化皮在線監測系統圖

3 結語

為防止和減緩超臨界鍋爐氧化皮的生成與剝落，降低其對機組運行的危害，分析了氧化皮生成、剝落的規律及影響因素，并對基建設備選型、運行操作優化調整、機組檢修及檢查處理、建立氧化皮在線監測機制幾個方面提出了針對性防治措施。

氧化皮的生成速度主要與受熱面管壁溫度有關，鍋爐受熱面溫度大幅波動產生的溫差熱應力是氧化皮大量脫落的主要原因。避免管壁超溫，控制高溫受熱面汽溫波動，是預防氧化皮生成和剝落的有效方法。

建立鍋爐高溫受熱面氧化皮在線監測機制，實現壁溫分布在線監測、超溫時間統計、氧化皮生成厚度預測、管排壽命損耗評估等功能，了解鍋爐各部位受熱面管材的氧化程度與規律，實現積極主動預防的目的。