超超临界机组氧化皮脱落成因分析及防治

王风

摘要：对吕四港电厂超超临界锅炉爆管故障进行了分析，对氧化皮成因进行了探讨，提出了氧化皮综合治理措施;在未完全更换薄弱管材的情况下，大幅减少了高温受热面氧化皮的生成和剥落，缓解了由于氧化皮问题而引起的超温爆管事故。

关键词：超超临界;锅炉;氧化皮

一、前言

吕四港电厂1～4号机组采用哈锅生产的超超临界变压直流炉，型号为HG-2000/26.15-YM3。锅炉П型布置、单炉膛、墙式切圆燃烧，炉膛由内螺纹管垂直上升膜式水冷壁构成;锅炉采用带循环泵的内置式启动系统，蒸汽出汽水分离器后经低过、分隔屏、后屏、末级过进入汽机;再热器包括低再和高再。4台机组投运后一段时间后，高温受热面连续发生多起爆管事故。经检查分析，直接原因是高温受热面管内壁氧化皮脱落，聚集在U型弯的底部，当氧化皮堵塞达到一定程度后，引发受热面超温爆管。电厂迫切需要解决氧化皮生成和大量剥落问题。由于影响因素众多，治理氧化皮问题是一个复杂的系统工程，涉及到发电运行、锅炉检修、金属监督、化学检验等较多部门和专业，需多方配合，重点从运行方式、水汽品质控制、金属管材使用及设备检修治理等方面综合治理。设备概况某电厂一期工程为2×630 MW超临界燃煤机组，锅炉为引进技术制造的超临界参数、变压运行、螺旋管圈直流锅炉，为单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊П型结构、露天布置的燃煤锅炉。

2007年2月28日#1机组投运，2007年6月28日#2机组投运，自投运至2017年10月，锅炉受热面没有进行过升级改造，也没有进行过酸洗。锅炉给水经省煤器受热面吸热后进入螺旋管水冷壁和垂直管水冷壁继续吸热，然后进入汽水分离器进行汽水分离;从分离器出来的水进入大气扩容器，通过疏水泵排往汽轮机凝结器;从分离器出来的蒸汽则进入过热器。2过热器超温爆管事故投产以后，根据电厂的运行规程及厂家的说明书要求，锅炉在启动过程中启动给水流量始终不得低于574 t/h（即给水低流量保护）。此时，主蒸汽温度（以下简称主汽温）、过热器壁温温升速率过快（超过1.5℃/min，有时甚至超过3℃/min）且超温频繁，难以控制。为控制主汽温、过热器壁温温升速率，启机需要8～10 h，有时高达12 h。根据统计，该电厂2009—2011年共启机32次，发生过5起锅炉启动1周内过热器超温爆管的停炉事故。

二、爆管故障及分析

吕四港电厂2011年2月～2012年2月间共发生7次高温受热面爆管事故，参见表1。由发生爆管故障的时间看，各台锅炉高温受热面爆管具有相似的时间特性，通常发生在机组检修后冷态启动并网1～5天内的高负荷工况，而在机组正常运行中未发生后屏过、末级过热器爆管。爆管的爆口位置多在入口弯头处及出口水平段，形态均带有明显的短期超温迹象，除发生爆管的管屏外，其周围管屏并无明显的超温迹象;爆口胀粗显著，边缘减薄明显;见图1。每次发生爆管故障后对高温受热面管屏下弯头检查，均发现氧化皮聚集堆积现象（见图2）;对总计12 180个未爆管弯头进行氧化皮专项检测，共发现约4 560个弯头存在超标问题，超标率高达37.5%。后屏过热器管屏下弯头超标管内氧化皮重量一般在45～70 g;高温过热器管屏下弯头超标管内氧化皮称重一般在60～100 g;高温再热器入口管屏下弯头氧化皮偏多，厚度在100μm左右，称重一般在100～600 g。在进行氧化皮专项检测同时，还对部分高温受热面管进行了射线复核抽查，确认氧化皮堵塞情况。图3和图4给出氧化皮堵塞超过管子通径1/3的射线图片，表明已存在氧化皮堵塞爆管风险。由此确认，各台锅炉连续超温爆管与氧化皮剥落堵塞管道有直接关系。

三、氧化皮成因分析

国内现有研究表明，氧化皮问题成因复杂，主要与受热面材质、运行控制等有关。2.1材质分析（1）受热面材料分析吕四港电厂锅炉过热器和再热器高温段全部采用奥氏体钢，材质如下：分隔屏过热器（出口侧）主要材质为SA-213TP347H;后屏过热器入口侧主要材质为SA-213TP347H，出口侧主要材质为A-213S30432;末级过热器入口侧主要材质为SA-213TP347H，出口侧主要材质为A-213S30432，外圈管为A-213S30432及SA-213TP310HCbN;高温再热器入口段主要材质为SA-213TP347H，中间交叉段主要材质为A-213S30432，出口侧主要材质为SA-213TP310HCbN。对管材进行光谱分析表明，各受热面材质符合原设计，没有发现用错管材型号或使用劣质管材问题。受检管材主要合金元素成分含量如表2。试样布氏硬度值为：160、155、172、175、175 HB，试样的硬度值均低于正常值（180 HB左右）。（2）同类型锅炉受热面材料对比分析对同类型锅炉高温受热面材料进行对比分析，主要数据见表3。

由上述对比数据可知，吕四港电厂锅炉后屏、末过和末再入口管段均使用TP347H，相对HR3C而言，super304、TP347H管材抗蒸汽氧化温度低，特别是奥氏体不锈钢TP347H管材在高温运行中更容易生成氧化皮;有研究认为，奥氏体不锈钢高温下运行时其氧化皮的生成和剥落不可避免[1]，在机组启停过程中氧化皮大量剥落，堵塞高温受热面。2.2运行控制（1）调试主要节点及加氧时间（2）化学加氧情况开始加氧调试时，由于设备问题，短时间加氧量有超过300 ppb，但经过调整后，加氧量控制在150 ppb以下，目前加氧量控制在30～70 ppb。合格范围在150 ppb以下。结合国内外研究和其他电厂锅炉加氧运行情况，对是否加氧存在一定争议。由于粗晶TP347H管材抗氧化能力较弱，有研究[2]认为，加氧后氧化皮的热膨胀系数与金属基体加大，促進了氧化皮剥离的倾向，剥离后氧化皮再次生成的速度减缓。采用给水加氧处理的关键要控制加氧后氧化皮的脱落，主要是控制机制启停时的温度变化率。（3）启停温度变化速率控制按照锅炉说明书规定，从点火至汽机冲转不少于3 h，锅炉最大升温速率不应超过2℃/min。表5给出吕四港电厂与同类型电厂锅炉启停控制方式对比。与氧化皮问题不突出的阚山及泰州电厂相比，吕四港电厂启停锅炉温度变化速率控制无明显差异。温度变化速率影响氧化皮剥离量，与氧化皮生成无直接关系。（4）主再热汽温控制大量研究表明[3]，氧化皮的生长速度与工质温度有着密切的关系。

一般说来，在某个温度段（565～595℃），温度越高，氧化皮生长速度越快。依据设计，锅炉正常运行时，主再热汽温在规定范围内，两侧蒸汽温度偏差小于10℃。受热面沿程蒸汽温度、受热面金属温度不超过各段规定值。但在实际运行中，受燃烧火焰中心偏斜、四角切圆燃烧残余旋转、不同管屏蒸汽流速不均等影响，同一受热面不同位置可能存在吸热、换热不均。对部分受热面的TP347H材质，吸热偏差或者短时过热超温，极易造成氧化皮生成。图5给出1号锅炉高温受热面温度分布图。由图5可直观看出沿水平烟道宽度方向，各受热面内蒸汽温度分布存在较大偏差：中间低，两侧高，且右侧偏高明显，最大约50℃。由于汽温自动控制以主、再热汽管道混合后温度为调节对象，加之原设计壁温测点有限，因此存在部分无法监测到的局部管道超温现象。综上分析，吕四港电厂锅炉受热面吸热存在一定偏差，不同部位壁温分布不均;各段高温受热面中的TP347H材料易于在高温状态下形成氧化皮，在锅炉启停过程中氧化皮剥落堵塞管道，导致冷态启动后短时间内部分高温受热面超温爆管。

四氧化皮治理

4.1受热面材质更换结合国内超超临界锅炉受热面管材选用及运行情况，考虑进行高温受热面管屏更换工作。依据对管壁温度分布的高低和氧化皮清理量的多少，分步将TP347H管材更换为性能更优的TP347HFG管材，以提高在工作环境最恶劣位置受热面的安全裕量。

4.2受热面壁温检测原锅炉设计壁温监测点较少，部分工况恶劣位置超温管壁无法监测。对各台锅炉高温受热面增加壁温监视测点，更好地管控各部受热面壁温，防止隐性超温。依据受热面管壁温度高低相应增加测点，用以确定锅炉受热面的温度水平，加强运行监控。经分析及逐步优化，4号炉加装测点90点，3号锅炉加装179点，1号炉总计加装250点。

4.3节流孔优化吕四港电厂锅炉部分高温受热面管屏入口装设有节流孔圈。通过对3号锅炉实际壁温计算分析：后屏过热器热偏差系数介于0.556～1.556，水力不均匀系数在0.7～1.49;末级过热器热偏差系数在0.41～1.21，水力不均匀系数在0.82～1.42。由热偏差系数和水力不均匀系数可知，高温受热面节流孔设置存在较大偏差，通过计算校核、试验等工作，对节流孔进行优化改进，以减少蒸汽分配偏差。

4.4设备检修加强燃烧系统相关设备的检修和维护工作。利用冷态停炉机会，进行细致的冷态一次风送粉管道阻力调平工作，确保各角粉管风速均匀，减少送粉量偏差;对燃烧器进行彻底检修，检查燃烧器安装角度，保证燃烧器水平一致性和摆动同步性;检查大风箱内二次风门实际开度，确保同层四角二次风送风量一致，二次风门实际开度与DCS反馈一致，消除燃烧放热不均而引起的壁温偏差。

4.5燃烧优化调整在现有条件下，由于TP347H管材的更换不能在短时间内完成，需加强锅炉运行调整，采取多种手段，减少吸热偏差，避免局部管壁超温运行。联系有经验的科研院所，对4台锅炉进行系统的燃烧调整试验。通过优化二次风配风，减少炉膛出口烟气残余旋转，降低水平烟道两侧烟温偏差。优化协调控制，在满足电网负荷速率要求的情况下，优化煤水比控制曲线，特别在高负荷工况下，控制升降负荷时燃料投减量，避免瞬时局部超温。利用增加的壁温测点，加强运行监控。发现受热面壁温存在快速上升趋势时，果断采取措施控制，避免受热面超温运行。

4.6锅炉启停控制适当降低锅炉启停过程中蒸汽压力和温度变化速率，严格控制主汽升温率不超过1.5℃/min，升压率不超过0.1 MPa/min，避免氧化皮短时间内过量剥落，堵塞受热面导致超温爆管。优化等离子点火系统投退时机，避免启停过程中等离子系统的投退而使燃料量大幅波动，引起管壁温度剧烈变化。适当利用大油枪在等离子投退前后点火助燃，能有效缓解温度变化幅度，控制氧化皮剥落。

4.7上述一系列治理措施实施后，4台锅炉未再发生由于氧化皮问题而引起的高温受热面超温爆管事故，各级受热面两侧最高点壁温偏差由原来的50℃左右降低到20℃之内，高温受热面氧化皮生成和脱落得到了有效控制。2号机组B修（2012年4月8日～12日）期间对后屏过管屏、末级过管屏、末级再出入口管屏下弯头处进行氧化皮项目检测，仅发现超标受热面管子7根，超标率大幅减小。1号机组调停（2012年6月6日）期间对后屏过热器、末级过热器、末级再热器进行氧化皮检测，未发现氧化皮积存。5结论通过综合治理，在未完全更换薄弱受热面材质的情况下，超超临界锅炉氧化皮剥落而引发的超温爆管事故初步得到控制，治理成效明显。

五、原因分析

过热器氧化皮的生成及特性过热器管内氧化皮（Fe3O4）的生成是金属在高温水汽中发生氧化的结果[1]，3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑。由于母材与氧化层之间热胀系数的差异，当垢层达到一定厚度，在温度发生变化，尤其是发生反复或剧烈的变化时，氧化皮很容易从金属本体剥离。3.2锅炉启动初期给水流量過大带来的不利因素锅炉在启动初期给水流量不能低于保护定值（574 t/h），但在此过程中炉膛温度较低、燃烧不充分、给水温度低且欠焓大。要使给水产生足够的蒸汽量以保证主汽温、过热器壁温不超温就需要吸收更多的热量，此时操作员会采用增大燃料量的办法来提高炉膛的温度。但由于燃料燃烧不充分，炉膛温度提升不显著，炉膛的辐射换热、水冷壁的吸热不会明显增加。且由于给水流量过大，进入汽水分离器的水是未饱和水，热量随水从汽水分离器中分离出来并在凝结器中损失，更增大了水冷壁的吸热损失。增加燃料量还会大量增加烟气量，过热器的对流换热会因此明显加强，容易引起主汽温、过热器金属温升过快，甚至超温并形成恶性循环。由于过热器管材与管内氧化皮的膨胀系数不一致，导致氧化皮在升温较快的过程中脱落。

六、结束语

该电厂通过5年多的运行实践证明，对于不带炉水循环泵的超临界630 MW锅炉在启动初期给水流量控制在350～574 t/h之间是可行的。这不仅可以有效地控制锅炉受热面的温升速率，还可以缩短机组的启动时间，同时还有效地解决了锅炉启动1周内频繁爆管的问题。该电厂的这种给水控制措施在超临界锅炉启动初期值得进行推广。

参考文献：

[1]黄兴德，周新雅，游喆，等.超（超）临界锅炉高温受热面蒸汽氧化皮的生长与剥落特性[J].动力工程，2016，29（6）.

[2]张广文，孙本达，张金升，等.给水加氧处理对过热器高温氧化皮生成影响的试验研究[J].热力发电，2015，41（1）.

[3]黄伟，李友庆，熊蔚立，等.600 MW超临界锅炉高温过热器氧化皮脱落爆管原因分析及对策[J].电站系统工程，2018，24（4）.