某电厂3号汽轮机的结垢原因及防范对策

郑观文,杨苑霖,曹顺安

(1. 湛江电力有限公司 生产与技术分部，湛江 524000; 2. 武汉大学 动力与机械学院，武汉 430000)

失效分析

某电厂3号汽轮机的结垢原因及防范对策

郑观文1,杨苑霖2,曹顺安2

(1. 湛江电力有限公司 生产与技术分部，湛江 524000; 2. 武汉大学 动力与机械学院，武汉 430000)

汽轮机结垢是火力发电厂经常出现的现象，它会导致汽轮机出力、效率降低，轴向推力增大和叶片损坏等问题，从而影响机组的安全、稳定运行。针对某电厂3号机组汽轮机结垢的特征，分析了其产生的原因，并提出了通过加强锅炉的运行管理和机组的化学监督，采取适当的停用保护措施等方法可有效防范汽轮机的结垢。

汽轮机；结垢；防范对策

随着我国汽轮机设计、生产水平的不断提高,因共振而导致汽轮机叶片断裂的事故逐渐减少,而因蒸汽品质不良导致汽轮机的通流部分结垢，进而引起汽轮机叶片断裂的事故却时有发生。研究表明，机组参数越高，蒸汽携带杂质的可能性越大，这是因为蒸汽对杂质的溶解能力随着锅炉压力的增大而增大[1]。另外，当锅炉压力增大时，蒸汽的密度增大，蒸汽流机械携带水滴的能力增强；而且汽包中水的表面张力降低，小水滴容易形成，杂质随水滴进入蒸汽的可能性也就随之变大。因此，随着锅炉参数的提高，汽轮机结垢的倾向增大。结垢会使汽轮机的出力降低，轴向推力增大，从而影响叶片的使用寿命[2]。结垢还会改变汽轮机叶片的型线，使蒸汽在汽缸内的流体分布状态偏离其理想状态，增大蒸汽的漩涡及其脱离叶片的趋势，降低机组的做功能力和效率[3]。

某电厂在2015年11月机组大修时，对3号汽轮机进行检查,发现其通流部分出现了积盐结垢的现象，如图1和图2所示，具体表现为：高压缸的第1级叶片有明显的机械损伤，第8至第9级叶片表面呈棕红色；低压缸的第5级叶片进、背汽侧附着少量的棕红色沉积物，第6级叶片存在较轻微的汽蚀现象。本工作根据汽轮机结垢的成分和特征,分析了其产生的原因，并提出了针对性的防范对策。

1 结垢原因分析

由于汽轮机高压缸上的沉积物较少，故只从低压缸叶片上取垢样进行X射线荧光光谱分析。X射线荧光光谱分析法是一种比较分析法，它要求待测的未知样和标准样之间必须具有相似的物理性质，因此在对垢样进行仪器分析前需进行适当的预处理。首先,干燥垢样，以除去附着的水分；然后利用直径为33 mm的活塞在2×103MPa的压力下对垢样进行压片，使其与标准样品具有同一形貌，提高分析的精度[4]。

图1 汽轮机高压缸叶片Fig. 1 Blades of high-pressure cylinder of steam turbine

图2 汽轮机低压缸叶片Fig. 2 Blades of low-pressure cylinder of steam turbine

汽轮机叶片的垢样分析结果如表1所示。由表1可见，垢样的主要成分是SiO2和Fe2O3，其质量分数分别为82.93%和12.44%。

表1 汽轮机叶片垢样的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical components of scales on blades of steam turbine (mass) %

垢样中SiO2的形成主要是由于蒸汽对硅酸的溶解携带和机械携带。随着锅炉压力的增加，硅酸在蒸汽中的溶解度增大。对于亚临界汽包炉，当其炉水pH为9～10时，硅酸的溶解携带系数可达到8%[5]。另外，由于调峰等原因，3号机组经常停运(平均10次/a)，锅炉的负荷变化频繁。当锅炉内压力骤然下降时，水沸点也随之下降，锅炉水急剧沸腾，大量蒸汽泡形成并破裂，小水滴增多，加上水位膨胀现象的加剧，使得汽包中汽所占空间减少，蒸汽带水量增大，蒸汽携带的硅酸增多[6]。当饱和蒸汽被加热变成过热蒸汽时，其中的硅酸会失水转变成为SiO2。SiO2在过热蒸汽中的溶解度很大，所以饱和蒸汽携带的硅酸将全部转入过热蒸汽中。当蒸汽进入汽轮机做功后，其温度和压力都会降低，此时SiO2就会析出，并主要沉积在汽轮机的低压级叶片上[7]。

垢样中Fe2O3的形成与机组的频繁启停和炉内水处理工艺有关。由上述讨论可知，3号机组经常停运，当机组停运时，系统内部的温度和压力会逐渐降低，蒸汽在汽轮机的叶片表面凝结成一层水膜，加上低压缸与凝汽器相连，空气中的氧气容易进入，因此设备在有氧的潮湿环境中容易发生腐蚀[8]。炉内采用的水处理工艺为全挥发性水处理(AVT)，在此工况下，设备表面会形成疏松的Fe3O4膜，Fe3O4膜在氨及联氨的作用下易遭受破坏，不能抑制金属基体的腐蚀。实践证明，这种腐蚀以给水系统的湍流部位最为严重，即所谓的流动加速腐蚀(FAC)[1]。水中的腐蚀产物会随着高温高压的蒸汽进入汽轮机并沉积，造成机组结垢量的增加[9]。

2 防范对策

2.1 加强锅炉的运行管理

硅酸在炉水中存在水解平衡，如式(1)所示[10]。当炉水的pH提高时，OH-含量增大，平衡向生成硅酸盐的方向移动，硅酸含量减少。蒸汽对硅酸盐的溶解能力很小，可忽略不计，故随着炉水pH的增大，蒸汽对硅酸的溶解携带系数降低。当炉水的pH过高时，水冷壁遭受碱性腐蚀的机会增大，因此通常将炉水的pH控制在9.0～9.5。此外，为了减少蒸汽对固体颗粒和液滴的携带，高参数锅炉的汽包中通常设有旋风分离器。由于受到叶片的导向作用，蒸汽流在旋风筒内会发生高速旋转，使得密度大的液滴和杂质在离心力的作用下被抛向内壁，并在重力的作用下沿筒壁下落至底部的集污室，最后通过排污口流出设备[5]。因此，加强对旋风分离器运行工况的监督，保证其作用效果的稳定性也是降低蒸汽对SiO2机械携带的重要手段。

2.2 加强机组的化学监督

机组开机时需严格执行相关规定，等到蒸汽品质达标后才能点火、冲转及并网，从而减少开机期间因蒸汽品质不合格对热力系统造成的影响[11]。同时，根据D/L 561-2013《火力发电厂水汽化学监督导则》对机组的蒸汽品质及运行参数进行管理，特别是对蒸汽中含铁量和含硅量的监督。从3号机组的蒸汽品质监测结果来看，其pH、电导率、SiO2、Na+等指标均符合相应的控制标准，不会造成汽轮机的严重结垢。然而，机组低压缸叶片严重结垢的事实则间接说明，在线化学仪表测量结果的准确可靠性有待于进一步确认。因此，有必要加强在线化学仪表的定期与不定期校验校准以及定期人工取样分析比对，提高化学监督的准确性和可靠性，以便及时发现和解决蒸汽品质的劣化问题[12]。另外，完善锅炉的排污制度，合理排污对降低炉水的含盐量，提高蒸汽的品质也有着不可替代的重要作用[1,13]。

2.3 加强机组的停用保护

该电厂地处亚热带海滨，机组的停用腐蚀不可忽视。热力设备的停用腐蚀主要与金属表面的湿度、含盐量及其清洁程度有关。研究表明，当停用设备内部的相对湿度小于20%时，不会发生腐蚀；反之，若相对湿度大于20%，则会发生停用腐蚀，尤其当金属表面的液膜中含有氯化物或硫酸盐时，腐蚀速率上升得更加明显[14]。此外，当金属表面有沉积物时，容易形成氧浓差电池，加速金属的腐蚀。在沉积物的下部，氧不易扩散进去，电位较负成为阳极；在沉积物的周围，氧的浓度较高，电位较正成为阴极。因此，为了避免或减轻热力设备的停用腐蚀，必须采取适当的措施。对于短期停用的机组，一般采用充氮法。该方法通过维持系统内部氮气的压力，阻止外界空气进入而引起腐蚀。对于长期停用的机组，高温成膜缓蚀剂法是较好的选择。机组在滑参数停机的过程中，加入适当的成膜缓蚀剂，然后热炉防水，能在设备的受热面形成完整的疏水薄膜，阻止了空气和水与受热面金属的直接接触，从而抑制腐蚀反应的发生[15]。

2.4 实行联合水处理工况

联合水处理工况(CWT)被认为是解决AVT水工况时给水含铁量高、流动加速腐蚀严重的有效方法[14]。研究表明，在电导率为0.1 μS/cm的纯水中，若把溶解氧的含量提高到100 μg/L，碳钢表面会形成致密的Fe3O4-Fe2O3双层保护膜，它的溶解度很低，能有效抑制金属发生腐蚀[16]。但是，由于纯水的缓冲性差，微量杂质的漏入就可能使其酸碱性发生大幅度的变化而引发腐蚀，故需通过加入氨调节给水的pH至微碱性范围内。联合水处理工况结合了碱性水工况和氧化性水工况的优点，具有较好的防护效果[1]。

3 结束语

蒸汽的品质对汽轮机的安全稳定运行具有重要的影响，是造成汽轮机结垢、运行效率降低的根本原因。要防止汽轮机结垢，必须加强对机组运行蒸汽品质的化学监督，特别是硅的监督检测。同时，还要加强热力系统的运行管理与监督，改进给水处理工况的优化调整。另外，还要注重机组停机期间的停用保护措施。只有多方面采取措施，才能确保有效预防汽轮机的结垢问题。

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Scaling Reasons of No. 3 Steam Turbine in a Power Plant and Precaution Measures

ZHENG Guan-wen1, YANG Yuan-lin2, CAO Shun-an2

(1. Department of Production and Technology, Zhanjiang Electric Power Co., Ltd., Zhanjiang 524000, China；2. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430000, China)

Scaling of steam turbine is a common phenomenon in thermal power plants. In addition to the reduction of steam turbine′s output and efficiency, scaling will also cause axial thrust augmentation and blade damage, and affect the unit's safe and stable operation as a result. The reasons for scaling of steam turbine were analyzed based on its feature in a case of the No. 3 unit in a power plant. And some effective precaution measures such as reinforcing the management of boiler′s operation status, strengthening the quality supervision of water and steam as well as taking proper lay-up protection method were put forward to prevent the scaling of steam turbine.

steam turbine; scaling; precaution measures

2016-07-25

杨苑霖(1992-),硕士,从事电厂化学研究,13164635346,1534562001@qq.com

10.11973/fsyfh-201612014

TK268

B

1005-748X(2016)12-1015-03