超临界锅炉氧化皮运行防治技术

刘红利

河北涿州京源热电有限责任公司 河北 保定 072750

【概要】随着超临界机组的广泛应用，锅炉管材中由于奥氏体不锈钢管氧化皮剥落造成管道堵塞爆管、主汽门卡涩和汽轮机部件侵蚀等问题逐渐显现，严重危及机组安全稳定运行，本文通过对氧化皮问题产生的机理、特点、危害等方面问题的分析，制定出运行操作控制管理方法，从而有效控制氧化皮的产生与剥落。确保了机组长周期稳定运行，提高超临界机组运行、维护和检修的水平。

【关键词】超临界、氧化皮、运行技术、防治

简介

我厂一期为2台350MW燃煤汽轮发电间接空冷机组，锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈加垂直管直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用前后墙对冲燃烧方式、平衡通风、固态干排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉。过热器材质为SA-213 T91和SA-213TP347HFG钢管组成，高温再热器材质为12Cr1MoVG、SA-213T91、SA-213TP347HFG的钢管。

氧化皮形成原因及危害

一 氧化皮形成及脱落原因

氧化皮的形成： 过热蒸汽管道内氧化膜的形成分为制造加工和运行后两个阶段。 过热蒸汽制造加工过程中的氧化膜形成是在570℃以上的高温制造条件下，由空气中的氧和金属结合形成的。该氧化膜分三层，由钢表面依次为FeO，Fe3O4，Fe2O3。在450℃--570℃，水蒸气与纯铁发生氧化反应，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成，Fe2O3和Fe3O4都比较致密，可以保护或减缓钢材的进一步氧化。在570℃以上，水蒸气与纯铁发生氧化反应，生成的氧化膜由FeO，Fe3O4，Fe2O3三层组成，FeO在最内层，FeO是不致密的，破坏了整个氧化皮的稳定性，氧化膜易于脱落。

氧化皮基本是双层结构，内外层厚度相当，外层主要是疏松结构的Fe3O4，内层为致密结构的(FeCr)3O4，其中Cr含量随金属不同而不同。奥氏体钢，只脱落外层氧化皮，内层不易脱落。铁素体钢，内外两层都易脱落，管壁内部运行一段时间容易形成新的氧化皮，造成反复的形成和反复的脱落。

在锅炉现场对已失效的过热器管进行割管检查时，经常发现过热器破口处的内壁因管内高温蒸汽氧化有明显的减薄现象，这是由于高温蒸汽所发生的氧化皮大量发生片状脱落。并且在过热器管道的下弯头处有大量的堆积氧化皮，这是由于脱落的氧化皮的单位质量远大于蒸汽的质量，氧化皮在离心力的作用下就会在过热器管道弯头处形成堆积。由于氧化皮在过热器管道下弯头处形成堆积还会导致管道内过热蒸汽的流通截面变小，阻碍高温蒸汽的流动，引起管道内蒸汽和管壁间的传热状态，从而引起过热蒸汽管道超温。而管壁温度的进一步增加又将促进管内高温蒸汽氧化的发生，形成恶性循环，导致管壁减薄，直至发生爆管。

超临界锅炉高温炉管内发生氧化皮剥落的条件：一是氧化皮达到一定的厚度，通常不锈钢管发生氧化皮剥落时，氧化皮的临界厚度为0.10毫米，铬钼钢为0.2—0.5毫米； 二是温度变化大、速度快、频度高。当氧化皮达到一定厚度后，在温度发生变化尤其是发生反复或剧烈的变化时，金属材料本身和氧化皮都会产生相应的应变，由于金属母材与氧化皮的热膨胀系数不同，氧化皮很容易从金属本身剥落。氧化皮的剥落情况与氧化皮厚度以及温度变化有关外，还与管道钢材的材质有关。奥氏体钢表面氧化皮易剥落，而铁素体等其他钢材表面的氧化皮相对较难剥落。

二 氧化皮的危害

氧化皮危害：阻碍管内蒸汽流动，使壁温大幅升高，金属蠕变胀粗，导致炉管泄漏；氧化皮的绝热作用引起受热面管金属壁温上升，影响管材寿命；剥落的氧化皮若带入汽机会损伤叶片喷嘴和剥落的氧化皮若带入汽机，会损伤叶片、喷嘴和调门，固体颗粒侵蚀；氧化皮导致主汽门卡涩，造成机组停运，主汽门关不上，影响机组安全；启动阶段，汽机疏水开启，随蒸汽流动在疏水管线上，堵塞疏水阀门或细小管线上；造成汽水污染，影响汽水品质。

控制措施

一控制思路

防止氧化皮大面积剥落的措施：1 锅炉启动过程中加强冷、热态清洗；2 启停以及升降负荷时，严格控制升温升压或者降温降压的速率，尽量少用减温水；3 锅炉转干态后，加大蒸汽流量冲洗；3减少锅炉启停次数；4短时间内必要时采取降温运行；5跳机、停炉后，减缓锅炉降温速度。

减缓氧化皮生长的措施：1严禁锅炉超温超负荷运行；2控制热偏差，坚持受热面热偏差监视，改善温度场分布及受热面吸热均匀性；3减少汽温偏差，防止局部超温；燃烧调整作为调温手段，减少或避免使用减温水大开大关来调温；4加强炉膛吹灰，定期清洁炉膛，改善受热面传热。

二 控制措施

通过以上对超临界锅炉氧化皮的生成和剥落机理分析得出控制对策：

1应设法防止和减缓高温蒸汽金属氧化物的生成

2对已生成的金属氧化物应避免其脱落

3对已脱落的金属氧化物应尽快予以清除

4对未能清除的金属氧化物应尽量减轻其对受热面和汽轮机叶片的破坏

现针对我厂机组参数制定以下运行控制措施：

1. 启动阶段

1. 锅炉上水冲洗

1. 启动凝结水系统后，及时投入精处理前置过滤器，凝结水含铁量大于1000μg/L时，应通过低加出口进行排放冲洗；

2. 凝结水系统、给水系统启动后，立即投入加氨系统，控制凝结水、给水PH值在合理范围内之间；

3. 严格按机组运行规程规定进行锅炉上水，控制上水速度，上水温度与汽水分离器壁温差＜50℃，启动初期，利用辅汽提升除氧器给水温度，尽量保证上水温度达到120℃以上。

4. 加强水质监督

机组启动时，尽量加大旁路流量将氧化皮吹扫到凝汽器，同时监测凝结水的含铁量≤500μg/L（如果时间允许应达到200μg/L），可以投入精处理。要求做到冷态冲洗不合格（分离器出口铁含量大于100μg/L），锅炉不允许点火，热态冲洗不合格（分离器出口铁含量大于50μg/L），锅炉不允许升温升压。

2. 锅炉点火及升温升压

1. 锅炉采用微油方式点火，初期燃料量投入不可过多，保证稳燃的前提下尽量维持磨煤机最小给煤量运行，按启动曲线进行升温升压，严格控制升温升压速度不超限，同时严密监视分离器升温升压温度。

2. 点火初期给水流量维持在允许最低流量，随热负荷加大逐渐提高。启动期间禁止给水流量的大幅扰动，并严密监视锅炉水冷壁温度的变化，任意管壁间温差大于50℃时，应立即采取增加给水或减少燃料来控制温差继续增加；

3. 整个启动过程中维持高旁开度在较高的水平，防治过热器蒸汽通流量过小引起超温。水质合格后，分离器疏水尽快回收至除氧器，以回收工质热量、提高给水温度；

4. 当主汽温度达到300℃时，暂停升温升压，检查所有受热面温度，当所有受热面壁温与对应的蒸汽温度之差小于70℃时，方可继续升温升压，任何一点受热面壁温与对应的蒸汽温度之差大于70℃时则及时进行大流量吹扫。

3. 汽轮机冲转及管路吹扫

1. 缓慢增加燃料量，使锅炉平稳转入直流运行，压力保持10MPa,通过高压旁路稳压吹扫1小时，吹扫期间密切关注凝汽器水质含铁情况及受热面壁温偏差情况的变化，如有壁温偏差较大或超温现象，则采用改变高旁开度的方法，增加扰动，观察其温度是否与其它测点同步变化，直至该点温度与其它点基本一致。

2. 汽机定速后，及早投入高、低加运行，进一步提高给水温度；

3. 机组冷、热态启动过程中严格按照不同方式的升温升压曲线控制蒸汽温度。在热态启动过程中，为防治受热面金属温度降低，锅炉的烟风系统要与其它系统同步启动。

4. 干湿态转换过程是锅炉受热面氧化皮脱落的高峰时期，各级壁温波动较大，此时应保持给水流量稳定，缓慢增加燃料量，使锅炉平稳过渡到干态运行，不要在临界区域停留，避免锅炉干湿态反复转换造成汽温大幅波动。

4. 并网带负荷

1. 锅炉从点火启动至发电机并网带初期负荷阶段，除控制好升温升压速率外，要尽量避免主、再热汽温出现反复的现象，减小汽温变化幅度，防治氧化皮脱落；

2. 机组启动3-5天之内，主再热器温低于额定温度10℃运行，用以吹扫过、再热器内残存的氧化皮，期间密切监视受热面温度的变化趋势；降温运行一段时间后，逐渐恢复主再热汽温至额定值。监视各受热面壁温不超限，否则继续降温运行。

2. 正常运行

1. 严格控制受热面蒸汽和金属温度，严禁锅炉超温超压运行。针对受热面超温产生的原因，有针对性的进行燃烧调整和优化；

2. 受热面蒸汽和金属温度按要求进行控制，分隔屏壁温；末级过热器壁温，末级再热器壁温不能超限，由于受热面可能存在较大的热偏差，受热面蒸汽温度的控制要服从金属温度，金属温度超温要视情况降低蒸汽温度运行；

3. 机组正常加减负荷时负荷变化率，温度变化率不能超限 ；

4. 运行中发现金属温度超过允许值，通过降低蒸汽温度和运行方式进行调整，当出现金属温度普遍超温且调整无效，降负荷处理仍无法恢复到允许值以下时要及时汇报上级领导；任何时候不允许蒸汽参数和受热面金属温度长时间超过允许值运行；

5. 完善受热面金属温度测点并加强受热面金属温度测点的维护，运行中加强受热面金属温度的趋势监测，根据受热面金属温度变化情况指导停炉后受热面内氧化皮的检查分析。

3. 停机阶段

1. 按规程规定控制汽温汽压，严禁温度、压力波动过大，降温速率不得超限

2. 机组停运过程中，使用减温水时必须保证各级过热器出口保证20℃的过热度，低负荷禁止投入减温水；

3. 分离器压力1.5Mpa，进行锅炉带压放水，使过热器、再热器管处于蒸干状态，带压放水前，放水时间不超过4小时；

4. 停炉过程中要控制好汽温汽压，杜绝主、再热汽温出现反复的现象，减小汽温变化幅度，防治氧化皮脱落；

5. 锅炉停炉之后必须按规程规定，采用闷炉处理（约72小时），不可以进行强制通风冷却，以防治氧化皮脱落。

6. 停炉后对受热面管进行抽样磁性检查和对金属温度高的管屏割管检查，时间充足进行全面检查。有氧化皮沉积的及时进行清理和处理。

4. 其他控制措施

1. 尽量减少机组启停次数，特别是冷态启动次数；

2. 对于投产后较短时间内就发生严重氧化皮问题的机组，机组大修时对锅炉重新进行严格地酸洗和吹管，以彻底清除氧化皮；

3. 加强化学水汽监督，防治水质恶化现象的发生。保证水冷壁和受热面内表面清洁，保证良好的汽水品质；

4. 保证减温水调门自动控制投入，提高自动调节品质，确保减温水量不大幅波动；

5. AGC投入时升降负荷速率不易过大；

6. 合理制定壁温报警定值，适当增加管排上的壁温监测点，加强对受热面壁温的监视，建立定期的维护和检修制度，保证测量的准确性；

结术语

通过各项控制措施的严格执行，从公司1号机组2017年6月投产至今运行3年以来，经过停炉检查及正常运行参数分析未发现氧化皮脱落造成设管壁超温，管道泄漏等故障现象，对锅炉氧化皮的控制取得了良好的效果。我厂锅炉在设计建造阶段，高温过热器和高温再热器采用了细晶奥氏体不锈钢，并且采用喷丸处理，从设备角度极大地提高了钢材的可靠性，再加上完善的运行控制措施，保证了设备安全稳定和安全长周期运行。

参考资料

1 北京巴威 《直吹式系统无启动循环泵超（超）临界煤粉锅炉控制系统导则》。

2 银龙等 《超临界机组氧化皮的控制措施与防范》。

作者简介 刘红利 发电运行部总值长41岁；男；汉族

通讯地址：河北涿州京源热电有限责任公司

邮编：100041

邮箱：[e-mail]

电话：[phone]