亞臨界機組末級過熱器氧化皮堆積爆管原因分析及預防

張 磊， 董衛東， 丁士發

(1. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240；2. 青銅峽鋁業發電有限公司， 寧夏青銅峽 751600)

為了滿足社會電力需求，我國能源行業不斷發展，火電機組從早期擔當著提供電力負荷的重任，到現今調峰調頻配合新能源發電，隨著累計運行時間的不斷提升，機組長久運行下來，對設備的安全性和可靠性挑戰越來越高，運行控制也更加復雜。近年來，我國大型超臨界和超超臨界機組都或多或少存在高溫受熱面氧化皮堆積的問題，影響火電機組安全運行。針對超臨界和超超臨界機組因為受熱面管壁溫度高容易產生氧化皮的研究有很多，劉定平[1]對超臨界機組長時間運行氧化皮生成和剝落進行了機理和預防研究。吳學慶等[2-4]對600 MW超臨界機組氧化皮爆管進行分析并提出預防建議。由于亞臨界機組參數不高，受熱面管壁溫度不高，氧化皮問題不明顯，在這方面的研究不多。但是隨著機組長時間運行，亞臨界機組也出現了氧化皮堆積的問題，末級過熱器尤為嚴重，甚至堵塞管排造成爆管，因此針對亞臨界機組末級過熱器氧化皮堆積爆管問題的分析刻不容緩。筆者針對某電廠330 MW亞臨界機組鍋爐末級過熱器發生多次爆管問題進行了分析，并提出預防措施，以確保機組長期安全運行。

1 爆管情況

該電廠2臺330 MW燃煤空冷機組鍋爐為1 170 t/h亞臨界壓力一次中間再熱自然循環鍋爐，四角切向燃燒方式、燃燒器擺動調溫、單爐膛平衡通風、固態排渣、全鋼構架的П形汽包爐，采用緊身封閉布置，配置5臺中速磨煤機。末級過熱器集箱材質為12CrMo1V，順著煙氣流通方向管道材質分別為T23和T91，規格為51 mm×7 mm。蒸汽由屏式過熱器出口集箱出來經過過熱器二級減溫器連通到末級過熱器入口集箱。末級過熱器處于水平煙道后半段，主要以對流方式吸收煙氣熱量，單片管屏結構見圖1。

圖1 末級過熱器單片管屏側面圖

2018年10月17日和11月11日相繼發生兩次爆管，爆管位置為末級過熱器中間第41、第42排管屏的2號和3號管道，爆口位置均正對集箱三通底部管排下U形彎處。

2018年10月17日，1號鍋爐末級過熱器(共81排)的低溫段第42排向火側第2根管(簡稱42-2管)彎頭處爆管泄漏，裂口長約50 mm、寬約2 mm，刺破第42排第1根管(簡稱42-1管)彎頭造成42-1管泄漏(見圖2)。

圖2 2018-10-17末級過熱器爆管形貌

后續割管檢查發現，發生爆裂泄漏的42-2管內堆積大量的氧化皮(見圖3)，已造成管道堵塞。

圖3 42-2管內氧化皮堆積形貌

經過緊急搶修換管再啟爐運行，2018年11月11日，1號鍋爐末級過熱器中間第41排第3根管(簡稱41-3管)下彎頭向火側爆裂泄漏，裂口長約40 mm、寬約1 mm(見圖4)。后續檢查發現41-3管、41-2管(第41排第2根管)、42-2管中均存在大量氧化皮。

圖4 2018-11-11末級過熱器爆管形貌

氧化皮主要集中在兩個部位(見圖5)：第一個部位在正對末級過熱器進口集箱三通的下部管屏(第41排管屏、第42排管屏)的2號管和3號管下U形彎處和出口集箱下S形彎處；第二個部位在正對末級過熱器出口集箱三通的下部管屏(第41排管屏、第42排管屏)的2號管下S形彎處。

圖5 第41、42排管屏氧化皮堆積示意圖

根據調查其他電廠同類SG-1165/17.5型鍋爐末級過熱器在長時間運行后在中部管排相似位置均發生過類似氧化皮堆積爆管泄漏問題。

2 爆管原因分析

收集2018年10月、11月的運行數據，對末級過熱器41-2管、41-3管、42-2管壁溫與其他管屏的壁溫、負荷、末級過熱器出口蒸汽溫度的曲線趨勢進行對比， 41-2管、41-3管、42-2管壁溫與末級過熱器其他管屏的壁溫存在明顯差異，在機組運行初期溫度就比其他管屏的壁溫高，在滿負荷時溫度普遍高20～30 K，且這3根管的壁溫變化與出口蒸汽溫度不相關，隨負荷變化而變化，說明鍋爐啟動時末級過熱器中部管排中蒸汽量不大，氧化皮已造成堵塞。在2018年10月17日爆管后再次啟爐運行，41-2管、41-3管、42-2管在滿負荷時溫度達到575 ℃左右。因末級過熱器的壁溫測點安裝在末級過熱器出口集箱下部1號管近集箱處，管排的其他部位的實際運行壁溫可能比測量壁溫更高。末級過熱器泄漏部位組織老化嚴重，42-2管裂口區域金相等級為3級，41-3管裂口區域金相等級為4級，符合長期過熱的爆口特征。

內窺鏡檢查末級過熱器進口集箱、出口集箱以及部分割斷檢查的管排均發現大量氧化皮剝落的痕跡(見圖6)。

圖6 末級過熱器進口集箱內形貌

管排中氧化皮阻塞造成流通蒸汽減少，表現為管屏的壁溫與蒸汽溫度變化無關，只與煙氣側的變化有關。

圖7是從集散控制系統(DCS)中每隔2 min采集的停爐時末級過熱器部分管屏的壁溫與主蒸汽溫度變化關系，在爆管泄漏停爐過程中末級過熱器中部管屏42-2管壁溫與41-3管壁溫度不同于第7排第1根管(簡稱7-1管)壁溫的變化情況，7-1管中沒有堵塞，其壁溫與主蒸汽溫度變化情況一致，而中部管屏2號管和3號管因氧化皮堵塞，管內蒸汽流量極小，壁溫變化只與鍋爐負荷情況有關，與主蒸汽溫度不相關。末級過熱器入口下U形彎長時間處在超溫的狀態，最后導致爆管。

圖7 停爐階段末級過熱器壁溫隨時間變化

3 氧化皮積聚原因分析

末級過熱器進、出口集箱材質為12CrMo1V，低溫段管道的材質為T23，高溫段管道的材質為T91，第41排管屏和第42排管屏割管倒出的氧化皮形狀見圖8。經過能量色散譜儀分析，氧化皮平均成分中w(Al)=2.76%，根據文獻[5]與文獻[6]中對T23和T91氧化皮成分的分析，管內堆積的氧化皮為T23氧化皮。長期超溫運行會加速產生氧化皮，但是產生的氧化皮很少會積聚成塊，通常會隨同蒸汽進入后部設備。

圖8 管排內堆積的大量氧化皮形貌

末級過熱器中部管屏因為氧化皮問題造成蒸汽管道堵塞，蒸汽流量減少，管道長期超溫，最終導致蠕變爆管。氧化皮產生聚集的主要原因如下：

(1) 機組啟動過程中，由于蒸汽流量小，投用減溫水控制汽溫，造成汽溫波動大，引起管道內部長期氧化皮脫落并逐步堆積。

(2) 鍋爐檢修后水壓試驗時，水沒有排放干凈，啟動時容易造成水塞，造成管壁溫度大幅波動，導致氧化皮脫落。

(3) 在進行水壓試驗時排氣疏水存在1 MPa左右負壓，末級過熱器低溫段各管道中T23產生的大量氧化皮帶入進口集箱中，氧化皮在集箱中往三通入口處匯集，同時負壓不足以帶走氧化皮，入口集箱三通管正對著第41排、第42排處于低點的2號管和3號管，形成氧化皮沉積。同樣的，在出口集箱，2號管沿程阻力大，集箱出口處沉積的氧化皮落到大S形彎處與上升蒸汽形成動態平衡，形成淤積(見圖9)。

圖9 進口集箱氧化皮流向示意圖

4 預防及治理措施

(1) 鍋爐受熱面檢修時對末級過熱器中部管排加強檢查，及時清理產生的氧化皮，同時保證管排焊接質量，做好探傷復查等工作，避免水壓試驗時末級過熱器氧化皮剝落匯集到中部管排。

(2) 在機組啟動初期不使用微油點火或者等離子點火，采用大油槍暖爐，燃燒優質煤種，控制燃燒量，使爐膛均勻受熱，避免煤粉劇烈燃燒造成煙氣溫度大幅波動；同時，通過調整相關風量，增加其他受熱面的吸熱量，減少屏式過熱器的吸熱量，控制過熱器二級減溫水投入量，盡可能不投入二級減溫水，避免減溫水造成蒸汽溫度低于飽和溫度，引起末級過熱器水塞。

(3) 在機組大修時，對末級過熱器T23材質管排進行更換，同時改造末級過熱器進、出口集箱內部結構，避免氧化皮匯集到三通底部中部管排內，同時調整中部管排出口集箱下部S形彎結構，減少沿程阻力，避免氧化皮積聚。

5 結語

亞臨界機組鍋爐末級過熱器氧化皮生長堆積是一個復雜的過程，與受熱面的材料和結構、機組的啟停方式、升降負荷情況、鍋爐燃燒狀況、運行方式等都存在著關聯。與超(超)臨界機組不同，亞臨界機組管壁溫度相對較低，氧化皮產生情況與鍋爐啟停方式、減溫水投運情況等關聯度更大，特殊的受熱面管排結構容易造成堆積。這就要求電廠在相應的方面采取有效預防和治理措施，減緩氧化皮生長，避免氧化皮聚集，降低爆管風險，提高機組安全性。