王　宇

（神華國華孟津發(fā)電有限責任公司，河南 洛陽 471100）

600MW超臨界機組鍋爐氧化皮生成機理研究

王宇

（神華國華孟津發(fā)電有限責任公司，河南 洛陽 471100）

摘要：本文主要簡述了600MW超臨界機組鍋爐的特點和鍋爐氧化皮生成的機理，以及防護措施。

600MW超臨界機組鍋爐；氧化皮生成；危害；防護措施

火電機組的發(fā)展朝著高參數(shù)、大容量的方向邁進，近年來，600MW超臨界機組在全國各地展開應用。超臨界機組主蒸汽壓力超過（大于）臨界點壓力（22.115MPa）的鍋爐，具有很多優(yōu)勢，具有節(jié)約成本，環(huán)境污染小等特點。近年來，越來越多的火電機組爆炸事故發(fā)生，使得大容量機組安全穩(wěn)定運行成為令人擔憂的問題。超臨界機組鍋爐爆炸的主要原因是長時間使用后鍋爐內(nèi)形成很厚的氧化皮，大面積氧化皮脫落堵塞通道口，突然的升降溫也會引發(fā)鍋爐爆管事故。要想降低鍋爐爆炸事故的發(fā)生概率，必須找準原因，杜絕安全隱患。

1. 600MW超臨界機組鍋爐簡介及優(yōu)勢

1.1 600MW超臨界機組鍋爐

600MW超臨界機組是一種大型燃煤火力發(fā)電機組。超臨界是指液體的壓力和溫度超過一定的值（水的臨界點是22.115MPa，374.15℃）時，流體會處于一種介乎于液態(tài)和氣態(tài)的中間態(tài)，稱為超臨界態(tài)。隨著溫度的升高，水分子的動能增大，分子間距離逐漸變大；當達到臨界溫度時，分子之間的距離大于液體水分子之間距離的上限，在這瞬間水由液體變成了蒸汽，之后的加熱繼續(xù)，水蒸氣溫度升高，分子間距離繼續(xù)加大，水蒸氣體積膨大，比容也變大。600MW超臨界機組鍋爐即是主蒸汽壓力超過（大于）臨界點壓力，輸出功率為600MW的鍋爐。

1.2 600MW超臨界機組鍋爐的優(yōu)勢

1.2.1 熱效率高，節(jié)約燃料。超臨界機組鍋爐的熱效率隨主蒸汽壓力、溫度的升高而升高，超臨界機組鍋爐比亞臨界機組熱效率提高2%～3%。

1.2.2 污染排放量低。超臨界機組鍋爐的排放物中NOx和CO2的排放量相對其他機組較低，對環(huán)境污染較小。

2. 600MW超臨界機組鍋爐氧化皮生成

高溫高壓運行狀態(tài)下的鍋爐爐管內(nèi)壁不斷發(fā)生氧化，逐漸形成氧化皮。運行過程中，氧化皮厚度不斷增加，達到一定程度時由于外力作用下發(fā)生脫落，脫落的氧化皮在管中形成堆積堵塞。

2.1 超臨界機組鍋爐氧化皮形成機理。高溫下，水蒸氣分解成H+和O2-，鍋爐爐管內(nèi)壁含有Fe2+、Fe3+、Cr3+。Cr3+離子具有較高的活性，與流通的高溫高壓蒸汽相遇，擴散到爐管內(nèi)部，被氧化成Cr2O3，這層氧化膜保護了內(nèi)層的進一步氧化。但是，隨著時間越來越久，這層氧化膜失去功效，表層Cr2O3氧化膜出現(xiàn)裂紋，基體中的鐵離子（Fe2+和Fe3+）向外擴散，也被氧化成氧化皮，形成內(nèi)層Fe3O4，外層Fe2O3，的結(jié)構(gòu)。當溫度超過570℃，基體中的鐵離子（Fe2+和Fe3+）繼續(xù)向外擴散，蒸汽中的O2-向里擴散，進一步發(fā)生化學反應，最終形成由里到外FeO、Fe3O4、Fe2O3的3層氧化層，其中最主要的成分是FeO。由于FeO的物化性質(zhì)特點，金屬離子容易透過氧化層向外擴散，使得其抗氧化性能大大降低。當溫度增高時，F(xiàn)eO會越來越厚，當氧化層達到一定厚度時，會發(fā)生破裂，氧化層與基體分離，造成基體進一步被氧化。

2.2 超臨界機組鍋爐氧化皮形成的影響因素

2.2.1 爐管材料。不同鍋爐爐管內(nèi)壁材料的抗氧化性能不同，抗氧化性能高的材料氧化速度慢；同一種材料在不同溫度下的抗氧化性能不同。一般來說，溫度越高，氧化速度越快。

2.2.2 氧化皮厚度標準。當氧化皮達到一定厚度時，氧化層與基體會分離，分離后會導致基體進一步被氧化。不同材料的氧化層與基體分離時的厚度不同，不銹鋼為0.1mm，鉻鉬鋼為0.2mm～0.5mm。

3.鍋爐氧化皮生成的危害

3.1 影響鍋爐正常運行。鍋爐爐管內(nèi)部的氧化皮會使主汽門卡澀，嚴重時導致主汽門無法關(guān)閉，影響機組的安全停運。疏松的氧化皮容易脫落碎屑，容易堵塞小管道、閥門等，給機組系統(tǒng)埋下安全隱患。

3.2 受熱不均勻。形成氧化皮的鍋爐內(nèi)壁，當氧化皮達到一定厚度會與基體發(fā)生分離。發(fā)生分離的氧化皮部位局部受熱超溫。剝落的氧化皮部位一般在高溫段受熱面U型管底部彎頭或出口管中部，有些會在節(jié)流孔部位。局部的高溫受熱，會造成爆管。

3.3 其他。疏松的氧化皮在流動的蒸汽流通時，一些氧化層碎屑隨著氣流流出爐管，固體顆粒碎屑會對汽輪機的葉片等造成損壞，并且污染水質(zhì)。

4.防止鍋爐氧化皮生成的措施

4.1 管材選擇。鍋爐爐管的抗氧化性能與爐管材料有關(guān)，當爐管內(nèi)層形成致密的Cr2O3氧化膜時可以保護內(nèi)層不被氧化。選擇好的合金材料，Cr含量高達20%的合金材料會生成致密穩(wěn)定的保護膜，增強爐管內(nèi)壁的抗氧化性能。一般來說，TP347HFG、Super304H等合金鋼中Cr的含量較高。

4.2 管材熱處理。管材的熱處理方式影響Cr的擴散速率，進而影響爐管氧化強度。晶粒加工細化的管材會加快Cr的擴散速率，加速Cr2O3保護膜的形成。對爐管內(nèi)壁鍍上一層Cr或用烙酸鹽溶液在305℃條件下處理48小時，也會減緩氧化層的形成。

4.3 合理使用加氧工況。鍋爐爐管內(nèi)壁氧化與爐管內(nèi)的水質(zhì)有關(guān)。根據(jù)使用的水質(zhì)的不同情況投入加氧工況。使用合理的方式在爐管內(nèi)壁合金上形成致密穩(wěn)定的雙層氧化膜，控制內(nèi)層合金的被氧化。

4.4 保證鍋爐正常運行。嚴格控制受熱面蒸汽和金屬溫度可以幫助機組的正常運行，延長鍋爐的使用壽命。嚴禁火爐超溫運行，超過規(guī)定溫度時，鍋爐承受不住長時間的高溫高壓，會加快鍋爐內(nèi)壁氧化，進而導致氧化層剝落，引起爆炸。對地區(qū)負荷峰谷差、負荷落差較大的調(diào)峰機組，要控制好磨煤機的啟、停。

4.5 定期維護。每一種機器都有使用年限，在正常使用的年限里，定期維護，不能長時間不管不顧。鍋爐啟用或者停用時不能快速的降溫或者升溫，容易造成危險。

結(jié)語

600MW超臨界機組鍋爐在實際應用中有很多優(yōu)點，但在強高溫高壓條件下運行會造成鍋爐內(nèi)壁發(fā)生氧化。過厚的氧化層會給機組帶來危險，因此要采取適當措施，防止鍋爐內(nèi)壁過快氧化。加強監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)，及時處理，保證機組在正常狀況下健康運行。

[1]黃偉，李友慶，熊蔚立，等. 600MW超臨界鍋爐高溫過熱器氧化皮脫落爆管原因分析及對策[J].電站系統(tǒng)工程，2008，29（4）：32-34.

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