鄭觀文,楊苑霖,曹順安

(1. 湛江電力有限公司 生產(chǎn)與技術(shù)分部，湛江 524000; 2. 武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430000)

失效分析

某電廠3號汽輪機(jī)的結(jié)垢原因及防范對策

鄭觀文1,楊苑霖2,曹順安2

(1. 湛江電力有限公司 生產(chǎn)與技術(shù)分部，湛江 524000; 2. 武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430000)

汽輪機(jī)結(jié)垢是火力發(fā)電廠經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，它會導(dǎo)致汽輪機(jī)出力、效率降低，軸向推力增大和葉片損壞等問題，從而影響機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。針對某電廠3號機(jī)組汽輪機(jī)結(jié)垢的特征，分析了其產(chǎn)生的原因，并提出了通過加強(qiáng)鍋爐的運(yùn)行管理和機(jī)組的化學(xué)監(jiān)督，采取適當(dāng)?shù)耐Ｓ帽Ｗo(hù)措施等方法可有效防范汽輪機(jī)的結(jié)垢。

汽輪機(jī)；結(jié)垢；防范對策

隨著我國汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)水平的不斷提高,因共振而導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片斷裂的事故逐漸減少,而因蒸汽品質(zhì)不良導(dǎo)致汽輪機(jī)的通流部分結(jié)垢，進(jìn)而引起汽輪機(jī)葉片斷裂的事故卻時(shí)有發(fā)生。研究表明，機(jī)組參數(shù)越高，蒸汽攜帶雜質(zhì)的可能性越大，這是因?yàn)檎羝麑﹄s質(zhì)的溶解能力隨著鍋爐壓力的增大而增大[1]。另外，當(dāng)鍋爐壓力增大時(shí)，蒸汽的密度增大，蒸汽流機(jī)械攜帶水滴的能力增強(qiáng)；而且汽包中水的表面張力降低，小水滴容易形成，雜質(zhì)隨水滴進(jìn)入蒸汽的可能性也就隨之變大。因此，隨著鍋爐參數(shù)的提高，汽輪機(jī)結(jié)垢的傾向增大。結(jié)垢會使汽輪機(jī)的出力降低，軸向推力增大，從而影響葉片的使用壽命[2]。結(jié)垢還會改變汽輪機(jī)葉片的型線，使蒸汽在汽缸內(nèi)的流體分布狀態(tài)偏離其理想狀態(tài)，增大蒸汽的漩渦及其脫離葉片的趨勢，降低機(jī)組的做功能力和效率[3]。

某電廠在2015年11月機(jī)組大修時(shí)，對3號汽輪機(jī)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)其通流部分出現(xiàn)了積鹽結(jié)垢的現(xiàn)象，如圖1和圖2所示，具體表現(xiàn)為：高壓缸的第1級葉片有明顯的機(jī)械損傷，第8至第9級葉片表面呈棕紅色；低壓缸的第5級葉片進(jìn)、背汽側(cè)附著少量的棕紅色沉積物，第6級葉片存在較輕微的汽蝕現(xiàn)象。本工作根據(jù)汽輪機(jī)結(jié)垢的成分和特征,分析了其產(chǎn)生的原因，并提出了針對性的防范對策。

1 結(jié)垢原因分析

由于汽輪機(jī)高壓缸上的沉積物較少，故只從低壓缸葉片上取垢樣進(jìn)行X射線熒光光譜分析。X射線熒光光譜分析法是一種比較分析法，它要求待測的未知樣和標(biāo)準(zhǔn)樣之間必須具有相似的物理性質(zhì)，因此在對垢樣進(jìn)行儀器分析前需進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。首先,干燥垢樣，以除去附著的水分；然后利用直徑為33 mm的活塞在2×103MPa的壓力下對垢樣進(jìn)行壓片，使其與標(biāo)準(zhǔn)樣品具有同一形貌，提高分析的精度[4]。

圖1 汽輪機(jī)高壓缸葉片F(xiàn)ig. 1 Blades of high-pressure cylinder of steam turbine

圖2 汽輪機(jī)低壓缸葉片F(xiàn)ig. 2 Blades of low-pressure cylinder of steam turbine

汽輪機(jī)葉片的垢樣分析結(jié)果如表1所示。由表1可見，垢樣的主要成分是SiO2和Fe2O3，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為82.93%和12.44%。

表1 汽輪機(jī)葉片垢樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical components of scales on blades of steam turbine (mass) %

垢樣中SiO2的形成主要是由于蒸汽對硅酸的溶解攜帶和機(jī)械攜帶。隨著鍋爐壓力的增加，硅酸在蒸汽中的溶解度增大。對于亞臨界汽包爐，當(dāng)其爐水pH為9～10時(shí)，硅酸的溶解攜帶系數(shù)可達(dá)到8%[5]。另外，由于調(diào)峰等原因，3號機(jī)組經(jīng)常停運(yùn)(平均10次/a)，鍋爐的負(fù)荷變化頻繁。當(dāng)鍋爐內(nèi)壓力驟然下降時(shí)，水沸點(diǎn)也隨之下降，鍋爐水急劇沸騰，大量蒸汽泡形成并破裂，小水滴增多，加上水位膨脹現(xiàn)象的加劇，使得汽包中汽所占空間減少，蒸汽帶水量增大，蒸汽攜帶的硅酸增多[6]。當(dāng)飽和蒸汽被加熱變成過熱蒸汽時(shí)，其中的硅酸會失水轉(zhuǎn)變成為SiO2。SiO2在過熱蒸汽中的溶解度很大，所以飽和蒸汽攜帶的硅酸將全部轉(zhuǎn)入過熱蒸汽中。當(dāng)蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功后，其溫度和壓力都會降低，此時(shí)SiO2就會析出，并主要沉積在汽輪機(jī)的低壓級葉片上[7]。

垢樣中Fe2O3的形成與機(jī)組的頻繁啟停和爐內(nèi)水處理工藝有關(guān)。由上述討論可知，3號機(jī)組經(jīng)常停運(yùn)，當(dāng)機(jī)組停運(yùn)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的溫度和壓力會逐漸降低，蒸汽在汽輪機(jī)的葉片表面凝結(jié)成一層水膜，加上低壓缸與凝汽器相連，空氣中的氧氣容易進(jìn)入，因此設(shè)備在有氧的潮濕環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕[8]。爐內(nèi)采用的水處理工藝為全揮發(fā)性水處理(AVT)，在此工況下，設(shè)備表面會形成疏松的Fe3O4膜，F(xiàn)e3O4膜在氨及聯(lián)氨的作用下易遭受破壞，不能抑制金屬基體的腐蝕。實(shí)踐證明，這種腐蝕以給水系統(tǒng)的湍流部位最為嚴(yán)重，即所謂的流動加速腐蝕(FAC)[1]。水中的腐蝕產(chǎn)物會隨著高溫高壓的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)并沉積，造成機(jī)組結(jié)垢量的增加[9]。

2 防范對策

2.1 加強(qiáng)鍋爐的運(yùn)行管理

硅酸在爐水中存在水解平衡，如式(1)所示[10]。當(dāng)爐水的pH提高時(shí)，OH-含量增大，平衡向生成硅酸鹽的方向移動，硅酸含量減少。蒸汽對硅酸鹽的溶解能力很小，可忽略不計(jì)，故隨著爐水pH的增大，蒸汽對硅酸的溶解攜帶系數(shù)降低。當(dāng)爐水的pH過高時(shí)，水冷壁遭受堿性腐蝕的機(jī)會增大，因此通常將爐水的pH控制在9.0～9.5。此外，為了減少蒸汽對固體顆粒和液滴的攜帶，高參數(shù)鍋爐的汽包中通常設(shè)有旋風(fēng)分離器。由于受到葉片的導(dǎo)向作用，蒸汽流在旋風(fēng)筒內(nèi)會發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，使得密度大的液滴和雜質(zhì)在離心力的作用下被拋向內(nèi)壁，并在重力的作用下沿筒壁下落至底部的集污室，最后通過排污口流出設(shè)備[5]。因此，加強(qiáng)對旋風(fēng)分離器運(yùn)行工況的監(jiān)督，保證其作用效果的穩(wěn)定性也是降低蒸汽對SiO2機(jī)械攜帶的重要手段。

2.2 加強(qiáng)機(jī)組的化學(xué)監(jiān)督

機(jī)組開機(jī)時(shí)需嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)定，等到蒸汽品質(zhì)達(dá)標(biāo)后才能點(diǎn)火、沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)，從而減少開機(jī)期間因蒸汽品質(zhì)不合格對熱力系統(tǒng)造成的影響[11]。同時(shí)，根據(jù)D/L 561-2013《火力發(fā)電廠水汽化學(xué)監(jiān)督導(dǎo)則》對機(jī)組的蒸汽品質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行管理，特別是對蒸汽中含鐵量和含硅量的監(jiān)督。從3號機(jī)組的蒸汽品質(zhì)監(jiān)測結(jié)果來看，其pH、電導(dǎo)率、SiO2、Na+等指標(biāo)均符合相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，不會造成汽輪機(jī)的嚴(yán)重結(jié)垢。然而，機(jī)組低壓缸葉片嚴(yán)重結(jié)垢的事實(shí)則間接說明，在線化學(xué)儀表測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性有待于進(jìn)一步確認(rèn)。因此，有必要加強(qiáng)在線化學(xué)儀表的定期與不定期校驗(yàn)校準(zhǔn)以及定期人工取樣分析比對，提高化學(xué)監(jiān)督的準(zhǔn)確性和可靠性，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決蒸汽品質(zhì)的劣化問題[12]。另外，完善鍋爐的排污制度，合理排污對降低爐水的含鹽量，提高蒸汽的品質(zhì)也有著不可替代的重要作用[1,13]。

2.3 加強(qiáng)機(jī)組的停用保護(hù)

該電廠地處亞熱帶海濱，機(jī)組的停用腐蝕不可忽視。熱力設(shè)備的停用腐蝕主要與金屬表面的濕度、含鹽量及其清潔程度有關(guān)。研究表明，當(dāng)停用設(shè)備內(nèi)部的相對濕度小于20%時(shí)，不會發(fā)生腐蝕；反之，若相對濕度大于20%，則會發(fā)生停用腐蝕，尤其當(dāng)金屬表面的液膜中含有氯化物或硫酸鹽時(shí)，腐蝕速率上升得更加明顯[14]。此外，當(dāng)金屬表面有沉積物時(shí)，容易形成氧濃差電池，加速金屬的腐蝕。在沉積物的下部，氧不易擴(kuò)散進(jìn)去，電位較負(fù)成為陽極；在沉積物的周圍，氧的濃度較高，電位較正成為陰極。因此，為了避免或減輕熱力設(shè)備的停用腐蝕，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?。對于短期停用的機(jī)組，一般采用充氮法。該方法通過維持系統(tǒng)內(nèi)部氮?dú)獾膲毫Γ柚雇饨缈諝膺M(jìn)入而引起腐蝕。對于長期停用的機(jī)組，高溫成膜緩蝕劑法是較好的選擇。機(jī)組在滑參數(shù)停機(jī)的過程中，加入適當(dāng)?shù)某赡ぞ徫g劑，然后熱爐防水，能在設(shè)備的受熱面形成完整的疏水薄膜，阻止了空氣和水與受熱面金屬的直接接觸，從而抑制腐蝕反應(yīng)的發(fā)生[15]。

2.4 實(shí)行聯(lián)合水處理工況

聯(lián)合水處理工況(CWT)被認(rèn)為是解決AVT水工況時(shí)給水含鐵量高、流動加速腐蝕嚴(yán)重的有效方法[14]。研究表明，在電導(dǎo)率為0.1 μS/cm的純水中，若把溶解氧的含量提高到100 μg/L，碳鋼表面會形成致密的Fe3O4-Fe2O3雙層保護(hù)膜，它的溶解度很低，能有效抑制金屬發(fā)生腐蝕[16]。但是，由于純水的緩沖性差，微量雜質(zhì)的漏入就可能使其酸堿性發(fā)生大幅度的變化而引發(fā)腐蝕，故需通過加入氨調(diào)節(jié)給水的pH至微堿性范圍內(nèi)。聯(lián)合水處理工況結(jié)合了堿性水工況和氧化性水工況的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的防護(hù)效果[1]。

3 結(jié)束語

蒸汽的品質(zhì)對汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的影響，是造成汽輪機(jī)結(jié)垢、運(yùn)行效率降低的根本原因。要防止汽輪機(jī)結(jié)垢，必須加強(qiáng)對機(jī)組運(yùn)行蒸汽品質(zhì)的化學(xué)監(jiān)督，特別是硅的監(jiān)督檢測。同時(shí)，還要加強(qiáng)熱力系統(tǒng)的運(yùn)行管理與監(jiān)督，改進(jìn)給水處理工況的優(yōu)化調(diào)整。另外，還要注重機(jī)組停機(jī)期間的停用保護(hù)措施。只有多方面采取措施，才能確保有效預(yù)防汽輪機(jī)的結(jié)垢問題。

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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

楊苑霖(1992-),碩士,從事電廠化學(xué)研究,13164635346,1534562001@qq.com

10.11973/fsyfh-201612014

TK268

B

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