超临界锅炉高温过热器氧化皮脱落导致爆管的原因分析及对策

2010-04-08杨守伟

河北电力技术 2010年5期

何诚，杨守伟，樊旭

(河北省电力研究院，石家庄 050021)

近年来我国火力发电行业发展迅速，大批大容量、高参数超临界机组相继建成投产。从目前投入商业运行的超临界机组的运行情况看，锅炉高温过热器内壁氧化皮脱落导致过热器短期超温爆管问题日益突出，严重影响机组运行可靠性。

1 氧化皮的生成机理

超临界机组蒸汽参数高，主蒸汽温度均在570 ℃左右，在该温度下水蒸汽氧化性很强，氧化皮的生成是必然的[1]。开始时，过热器管内壁氧化膜形成速度很快，形成一层致密的氧化膜后，氧化皮的增厚速度会变缓。但随着运行时间的增加，在超温或温度、压力剧烈波动等情况下，由于管子母材和氧化膜不同的热膨胀能力，金属表面的氧化膜会产生裂纹，裂纹的存在使基体金属直接暴露于氧化环境中，加速了氧化的进程，氧化层也开始向双层、多层发展。氧化皮的生长速度与管壁金属温度有着密切的关系，超温运行或者运行中金属温度偏高是氧化皮生长速度过快的主要原因；氧化皮的增厚导致换热能力弱化，管壁金属温度更高，氧化皮生长速度更快，形成恶性循环。

2 氧化皮脱落导致爆管的原因分析

过热器受热面长期高温运行，内壁氧化膜的厚度不断增加，在锅炉的启停、升降负荷及其他异常状况导致金属温度大幅变化的过程中，由于氧化皮的热膨胀系数与基体材料的热膨胀系数有较大差异，达到一定厚度的氧化皮在热应力的作用下就会脱落。氧化皮的脱落与氧化皮厚度、管道材质及金属温度的变化率有关[2]。

从运行经验来看，过热器受热面由于氧化皮脱落堵塞管道导致过热器超温爆管现象往往发生在停炉后的再次启动过程中。这主要是由于锅炉长期运行形成了一定厚度的氧化皮，锅炉停炉过程中由于受热面的冷却导致大量氧化皮的集中脱落，大块的氧化皮沉积在U型弯的底部，蒸汽冷凝水也聚积于U型弯下部，淹没了剥落的氧化皮，锅炉启动过程中冷凝水逐渐蒸干，氧化皮一层紧贴一层，聚积成核状，堵塞了高温过热器流通截面。

同时,机组启动过程中也会导致部分氧化皮脱落，由于启动期间蒸汽流量较小，携带作用较差，进一步加剧了氧化皮的聚积。沉积在U型弯头底部的氧化皮减小了蒸汽的流通面积，减弱了蒸汽对受热面管的冷却作用，从而可能导致过热器的超温爆管。

3 防止过热器超温爆管的措施

3.1 防止高温过热器受热面超温运行

a. 检修过程中对过热器受热面内氧化皮厚度分布情况进行统计，在氧化皮较厚的管段加装金属壁温测点。在锅炉运行过程中严格控制金属受热面壁温不超限，增加壁温超限报警装置，在出现超限壁温测点时及时提醒运行人员进行相应调整，禁止受热面超温运行。由于热偏差的存在，金属温度可能限制主蒸汽温度的提高，运行中必须以壁温不超限为准，必要时可降低蒸汽运行温度。

b. 加强锅炉受热面热偏差的监视与调整，防止受热面局部超温。结合蒸汽温度及金属壁温分布情况，对锅炉配风、燃烧器投入方式、燃烧器摆角、减温水等进行调整，确保锅炉热负荷分布均匀。

c. 加强炉膛出口烟气温度监视，通过减少炉膛漏风、增加下层燃烧器出力、使燃烧器摆角下摆、加强炉膛吹灰、适当增加锅炉含氧量、降低煤粉细度等措施来降低炉膛出口烟气温度，确保炉膛出口烟气温度不超限。

d. 运行中发现金属温度超过允许值时应迅速通过调整运行方式、进行炉膛吹灰等措施来降低金属温度，调整无效时应通过降低蒸汽温度、降低机组负荷等手段确保金属壁温不超限。任何时候都不允许蒸汽参数和受热面金属温度长时间超过允许值。

3.2 减小受热面温度周期性波动和温度变化速度

a. 对给水控制、锅炉负荷控制、汽温控制等热工自动控制系统进行完善，减小各级过热蒸汽系统温度的周期性波动幅度和速率。

b. 机组正常运行中，升、降负荷尽量平缓进行，避免造成锅炉燃烧强度及给水量的大幅度波动，进而造成锅炉中间点温度、各级过热器受热面金属温度的大幅波动。进行汽温调节时注意维持各级过热器出入口汽温的平稳性，合理分配各级减温水量，避免出现局部受热面超温。加强锅炉各主要辅机的维护，避免机组RB、甩负荷等容易造成机组负荷、受热面温度急剧波动的工况发生。

c. 机组正常停机要采用滑参数停机方式，停机过程中各级过热器出入口蒸汽温度、各受热面金属温度的变化率必须作为控制机组滑停速度的重要依据之一，控制好减弱燃烧强度的速率，并注意及时调整各级减温水量。

d. 机组故障紧急停机，炉膛通风吹扫程序完成后应立即停止送、引风机运行，关闭所有风门、挡板及看火孔等，保证炉膛底部密封参数合格后进行闷炉，避免锅炉受热面快速冷却。若紧急停炉后需要对锅炉进行快速冷却，需先通过旁路进行锅炉降压，控制主蒸汽降压速率不大于0.3 MPa/min，并严密监视高温过热器、屏式过热器受热面金属温度下降速度不超过3 ℃/min。降压过程中除氧器加热必须持续投入，维持锅炉给水温度，避免降压结束后水冷壁上水过程中启动分离器产生过大的降温速率。启动分离器储水箱水位正常后方可启动烟风系统进行强制通风冷却，冷却风量的调整应依据炉膛出口烟温的下降速率来控制，避免由于各级过热器受热面受到大量冷风的快速冷却导致氧化皮集中脱落。

e. 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，机组并列后的升温速率控制不高于2 ℃/min。锅炉启动过程中应密切监视各级受热面金属温度，在各级金属受热面内积水蒸干和过热器内建立起冷却蒸汽流量以前，严格控制炉膛出口烟温不超限，同时应及时投入机组启动旁路系统，加强各级受热面的冷却。

f. 锅炉启动中燃料投入应均匀、缓慢，汽温、受热面金属壁温不发生突变。投粉时应确保过热器内已建立起冷却流量，各级减温水具备投入条件，确保锅炉启动过程中升温升压速率不超限，减少启动过程中氧化皮的脱落。

g. 机组热态启动过程中的工作安排必须紧凑，烟风系统启动前必须确保各级系统能有效投入，烟风系统启动后马上进行点火准备，炉膛吹扫完成后立即点火，随后迅速增加燃料投入量进行升温升压，防止烟风系统启动后的长时间强制冷却或者升温升压速度过慢导致受热面金属温度发生一次周期性变化。

3.3 合理控制锅炉启停的操作工艺

a. 大修前停炉过程中可适当增大蒸汽温度波动幅度和速度，加速氧化皮的脱落，利用高蒸汽流量下的携带能力带走脱落下来的氧化皮；同时根据管子内壁氧化皮的厚度和状态合理选择停炉冷却速度，以便控制氧化皮的剥落方式、剥落量及剥落氧化皮的尺寸。

b. 停炉过程中采用热炉放水、余热烘干的方式，同时利用汽轮机真空系统排尽受热面内的水蒸汽，使受热面内聚集的氧化皮保持干燥、松散状态，有利于启动过程中被蒸汽携带走。c. 锅炉启动过程中应严格控制升温升压速率，并利用启动旁路对受热面进行变流量冲洗，利用大流量蒸汽将脱落的氧化皮带走，防止启动过程中产生氧化皮聚集。