崔修強(qiáng)

（華電國際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟(jì)南 250014）

近年來發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，高效型超超臨界供熱機(jī)組再熱汽溫已達(dá)620℃，機(jī)組發(fā)電煤耗和污染物排放水平大幅降低，但是隨著機(jī)組初參數(shù)尤其是溫度參數(shù)的大幅提高，過熱器、再熱器管材汽側(cè)的高溫氧化問題日益突顯，帶來了超臨界鍋爐氧化皮脫落爆管、汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕等難點(diǎn)問題。

氧化皮脫落后聚集在受熱面U 型彎底部，使受熱面管道的通流截面減小、流量降低，對受熱面管子的冷卻效果減弱，高過、高再等高溫鍋爐受熱面管材短期過熱，導(dǎo)致高溫受熱面爆管；受熱面管壁剝落的堅(jiān)硬金屬氧化物粒子隨蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，造成汽輪機(jī)入口流通部分固體顆粒侵蝕與汽輪機(jī)葉片損害。超臨界鍋爐氧化皮脫落問題已成為影響機(jī)組安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要問題之一。為此研究鍋爐氧化皮產(chǎn)生的機(jī)理，掌握金屬材料高溫氧化與脫落的規(guī)律，并對相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，制定預(yù)防鍋爐高溫受熱面氧化皮產(chǎn)生、脫落、聚積的相應(yīng)對策，對提升機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行特性，具有較大的指導(dǎo)意義。

1 鍋爐氧化皮機(jī)理分析

1.1 氧化皮生成機(jī)理分析

金屬的氧化主要通過氧離子的擴(kuò)散來不斷進(jìn)行，可以認(rèn)為高溫蒸汽管道內(nèi)壁氧化膜的生成是一個化學(xué)、物理過程。若化學(xué)反應(yīng)生成的氧化膜不牢固，生成的氧化膜不斷剝落，則致密的氧化膜對金屬的保護(hù)作用消失，金屬氧化的過程不斷持續(xù)進(jìn)行。氧化皮的生長速度與管材溫度和運(yùn)行時間都有關(guān)系，機(jī)組運(yùn)行時間越長，氧化膜的厚度越大，有資料表明金屬溫度和氧化速度之間呈指數(shù)曲線關(guān)系，金屬溫度越高，氧化速度越快。

一般情況下，鍋爐管材蒸汽側(cè)氧化皮的斷面形貌呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)特征，內(nèi)層與外層氧化物厚度也大體相當(dāng)。大量的研究工作表明，外層氧化物得成分主要是Fe3O4，內(nèi)層氧化物的成分主要是(FeCr)3O4，隨著管材中Cr 含量的增加，其內(nèi)層氧化物中Cr 的含量也相應(yīng)增加。通常情況下，外層氧化物微觀形態(tài)呈現(xiàn)粗大柱狀晶結(jié)構(gòu)，疏松多孔，內(nèi)層氧化物呈現(xiàn)尖晶石結(jié)構(gòu)，較為致密。

1.2 氧化皮的脫落及聚積分析

在鍋爐的啟動、停止和負(fù)荷劇烈波動過程中，鍋爐受熱面管壁溫度波動幅度較大，導(dǎo)致受熱面管材產(chǎn)生了溫差熱應(yīng)力，是氧化皮大量脫落的主要原因。對于超臨界機(jī)組，由于鍋爐受熱面管材運(yùn)行參數(shù)超過了氧化皮快速生成的溫度水平，高溫氧化非常容易發(fā)生，氧化膜增長到一定厚度后，在受熱面管材溫度發(fā)生大幅、劇烈或反復(fù)波動時，受熱面母材與高溫氧化膜不同熱膨脹能力的影響，氧化皮將從金屬管材本體脫落，而且氧化膜越厚則脫落越明顯。尤其對奧式體鋼材，在高溫運(yùn)行條件下，鍋爐氧化皮的生成和剝落將不可避免。

在鍋爐啟停過程中，最容易發(fā)生鍋爐高溫氧化皮大量脫落、在管屏下部堆積和阻塞管內(nèi)流通部分的情況。鍋爐停運(yùn)冷卻過程中，鍋爐受熱面管道內(nèi)部部分蒸汽凝結(jié)成水，積存在受熱面U 型管屏的下部，積水自然蒸發(fā)后，浸在積水中的氧化皮聚積成核狀，導(dǎo)致受熱面管子流通截面堵塞；鍋爐啟動初期，受熱面管內(nèi)蒸汽流量較小，不能將脫落的氧化皮帶走，氧化皮在U 型彎的底部不斷的集聚、積聚成團(tuán)，鍋爐蒸汽流量增大后也很難將其帶走。受熱面管道被氧化皮堵塞，導(dǎo)致受熱面管內(nèi)蒸汽流量降低、壁溫升高，嚴(yán)重時會造成受熱面管子短期超溫爆管。

1.3 氧化皮脫落的危害

鍋爐過熱器、再熱器等高溫管材發(fā)生氧化皮剝落，會造成以下幾方面的危害：

（1）脫落氧化物堵塞鍋爐受熱面管道通流部分面積，使受熱面管內(nèi)蒸汽流動受阻、流量降低，管內(nèi)蒸汽吸熱能力降低，管材壁溫升高，發(fā)生金屬蠕脹，鍋爐金屬受熱面發(fā)生局部過熱而爆管。

（2）機(jī)組正常運(yùn)行中，剝落的鍋爐高溫氧化皮被高速蒸汽攜帶進(jìn)入汽輪機(jī)，撞擊汽輪機(jī)噴嘴和葉片，導(dǎo)致固體顆粒侵蝕，汽輪機(jī)內(nèi)效率下降。

（3）剝落的鍋爐高溫氧化皮在汽機(jī)高、中壓主汽門的閥座和閥芯之間沉積，導(dǎo)致主汽門卡澀、關(guān)閉不嚴(yán)，威脅汽輪機(jī)運(yùn)行安全性。

（4）氧化皮顆粒在撞擊、沖蝕汽輪機(jī)葉片后，90%的顆粒被破碎成直徑在5 ～50μm 之間細(xì)小顆粒，這些細(xì)小顆粒顆與葉片被沖蝕的固體顆粒一起，隨著水汽系統(tǒng)流動進(jìn)入到汽輪機(jī)尾部的凝汽器，成為影響機(jī)組的汽水品質(zhì)降低、汽輪機(jī)熱力設(shè)備結(jié)垢的一個重要因素。

2 氧化皮危害的防治對策

分析高溫蒸汽受熱面管材氧化、氧化皮的脫落、固體顆粒的產(chǎn)生與運(yùn)行軌跡、汽輪機(jī)葉片侵蝕的整個過程，防治氧化皮的危害工作開展的總體思路應(yīng)沿著上述關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行，基本原則首先應(yīng)設(shè)法防止和減緩鍋爐高溫受熱面金屬氧化物的生成，其次對已生成的金屬氧化物則應(yīng)采取措施避免脫落，再者對已脫落的高溫氧化皮則應(yīng)盡快清除避免堆積，最后對未能清除的高溫氧化皮則應(yīng)采取措施減輕其對汽輪機(jī)葉片的侵蝕。

2.1 基建設(shè)備選型

2.1.1 高溫管材選擇

相對于同一等級的蒸汽溫度參數(shù)，選用抗氧化性能好的管材是鍋爐選型的首要選擇，通過材料規(guī)格的提升，降低蒸汽側(cè)氧化的速率。其次對高溫受熱面管材內(nèi)壁噴丸或鍍鉻，也可減緩蒸汽側(cè)金屬氧化。新建鍋爐受熱面材料，應(yīng)根據(jù)鍋爐區(qū)域布置特點(diǎn)，并對受熱面進(jìn)行溫度場、煙氣流場校核計(jì)算后，確定管材規(guī)格的選擇。例如某高效型超超臨界供熱機(jī)組采用HR3C 和SUPER304H 型細(xì)晶粒材料，其比粗晶粒材料有更為優(yōu)良的抗氧化性能。

就管材的抗蒸汽氧化性能而言，細(xì)晶粒優(yōu)于粗晶粒，高Cr 鋼優(yōu)于低Cr 鋼。多數(shù)使用案例證明HR3C 抗氧化性較好，作為同類型的細(xì)晶粒鋼Super304H 與TP347HFG（7-10 級），其理論抗氧化性優(yōu)于粗晶粒鋼TP347H（4 ～6 級）。國產(chǎn)TP347HFG 因價格優(yōu)勢及國產(chǎn)化較早在超（超）臨界機(jī)組受熱面高溫區(qū)域被廣泛推薦使用，但統(tǒng)計(jì)資料表明TP347HFG 材料氧化皮脫落問題比較普遍，其抗高溫氧化性能低于預(yù)期。

綜合來看，HR3C 材料抗氧化性能良好，但價格較高；采取噴丸處理后的Super304H 和TP347H 材料被更多新機(jī)組采用。噴丸工藝是通過對鋼管內(nèi)表面進(jìn)行處理后，形成碎化晶層，高溫下產(chǎn)生Cr2O3保護(hù)膜，有效減緩基體氧化。

2.1.2 鍋爐選型

對于超臨界鍋爐，蒸汽氧化與氧化皮脫落現(xiàn)象是客觀存在，當(dāng)氧化皮脫落及固體顆粒產(chǎn)生后，解決問題的核心是如何防止其積聚避免鍋爐超溫爆管，如何避免固體顆粒對汽輪機(jī)葉片的侵蝕。因此超臨界鍋爐爐型的選擇首先應(yīng)有利于降低鍋爐受熱面的傳熱偏差。如果受熱面?zhèn)鳠崞钸^大，部分區(qū)域的煙氣溫度會明顯高于平均煙溫，導(dǎo)致該區(qū)域的傳熱強(qiáng)度、管材壁溫及管內(nèi)蒸汽溫度均會不同程度提高，將會加劇管子的表面、尤其是管材內(nèi)壁表面的蒸汽氧化。其次應(yīng)有利于高溫氧化皮及固體顆粒的傳輸，避免氧化皮的沉積。

2.1.3 汽輪機(jī)選型

汽輪機(jī)高、中壓缸的第1 級最容易發(fā)生固體顆粒侵蝕問題，基于減緩固體顆粒侵蝕的目的，對于汽輪機(jī)第1 級的噴嘴和動葉，應(yīng)選用高溫葉片材料，以提高其抗侵蝕能力，同時采用保護(hù)鍍層、涂層，或采用表面硬化處理等措施，提高其抗防固體顆粒侵蝕的能力。

2.1.4 配置大容量旁路

鍋爐啟動過程中，不可避免出現(xiàn)氧化物的脫落、固體顆粒隨汽流排出的情況，為防止其進(jìn)入汽輪機(jī)造成汽輪機(jī)葉片侵蝕，設(shè)置汽輪機(jī)旁路，將氧化物顆粒直接排入凝汽器是一個有效的途徑。在機(jī)組設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)鍋爐氧化皮進(jìn)行吹掃的流量需求，校核計(jì)算后選用大容量汽輪機(jī)旁路。

2.2 運(yùn)行操作優(yōu)化調(diào)整

2.2.1 鍋爐超溫運(yùn)行控制

加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行中燃燒配風(fēng)、制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，發(fā)生異常情況及時處理，避免鍋爐汽溫、汽壓參數(shù)的大幅度波動。主、再熱汽溫的控制調(diào)整的原則要避免爐內(nèi)管壁溫度超溫，發(fā)現(xiàn)高溫受熱面管壁溫度超溫，應(yīng)調(diào)整運(yùn)行方式，如增加鍋爐本體蒸汽吹灰頻率、進(jìn)行氧量及二次風(fēng)配風(fēng)優(yōu)化等，必要時可降低主蒸汽溫度或中間點(diǎn)溫度運(yùn)行。

為防止?fàn)t膛熱負(fù)荷大幅擾動造成受熱面超溫，做好過熱器和再熱器減溫裝置維護(hù)工作，確保其處于可調(diào)整和備用狀態(tài)，防止主再蒸汽溫度周期性大幅度波動。鍋爐正常運(yùn)行中，高過出口汽溫偏差應(yīng)控制在±5℃以內(nèi)，屏過、高再出口汽溫偏差應(yīng)控制在±10℃以內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)把溫度高點(diǎn)作為控制汽溫控制目標(biāo)。

2.2.2 鍋爐減溫水控制

超臨界鍋爐運(yùn)行中主汽溫控制的基本原則，以煤水比控制為主，減溫水調(diào)節(jié)為輔。再熱汽溫控制以二次風(fēng)配風(fēng)優(yōu)化與制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整為主。運(yùn)行中及時、精確調(diào)整減溫水量，禁止大幅投、停和調(diào)整減溫水流量。

2.2.3 鍋爐溫度變化速率控制

（1）正常運(yùn)行中鍋爐受熱面溫度變化率控制。在50%～100%BMCR 負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，正常負(fù)荷變化速率不超過10MW/min，升降負(fù)荷期間維持額定蒸汽溫度，溫度的波動率控制在5℃/min 以內(nèi)。

（2）滑參數(shù)停爐受熱面溫度變化率控制。機(jī)組正常停止采用滑參數(shù)停爐，停爐過程中屏過、高過以及高再出口汽溫變化率控制在2℃/min 以內(nèi)。

（3）事故停爐受熱面溫度變化率控制。緊急停爐過程中，控制高過、屏過和高再出口汽溫和高溫受熱面金屬壁溫下降速率控制在3℃/min 以內(nèi)，鍋爐汽壓的下降速率應(yīng)控制在0.3MPa/min 以內(nèi)；降壓結(jié)束后，通過水冷壁上水的方式，把啟動分離器管壁溫度下降的速率控制在在3℃/min 以內(nèi)。

（4）機(jī)組冷態(tài)啟動過程中溫度變化率控制。機(jī)組冷態(tài)啟動的過程中，并列前溫升速率控制應(yīng)不高于3℃/min，并列后溫升速率控制應(yīng)不高于2℃/min。

（5）熱態(tài)啟動過程中溫度變化率控制。機(jī)組熱態(tài)啟動過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照升溫、升壓曲線的要求控制參數(shù)變化，屏過、高過、高再溫升速率控制應(yīng)不大于5 ～6℃/min，尤其要防止鍋爐受熱面管材金屬溫度降低。

2.2.4 機(jī)組啟動時利用大容量旁路沖洗

機(jī)組啟動過程中，汽輪機(jī)旁路進(jìn)行鍋爐氧化皮吹掃，氧化顆粒通過旁路排入凝汽器。機(jī)組啟動時利用大容量旁路沖洗，既可保證機(jī)組的安全啟動，同時在鍋爐受熱面氧化皮脫落時，保證足夠的流量和壓差，可以及時帶走受熱面管內(nèi)積聚的氧化皮，緩解氧化皮脫落堵管的問題。

2.3 機(jī)組檢修及檢查處理

存在氧化皮隱患的鍋爐，每年必須進(jìn)行一次全面的氧化皮檢查，氧化皮沉積嚴(yán)重的鍋爐應(yīng)進(jìn)一步縮短檢查周期。機(jī)組停運(yùn)或大小修時，采用高頻超聲波測量、射線拍片（非奧氏體鋼）或磁性測量（奧氏體鋼）等方法，檢查并及時清除鍋爐受熱面管子內(nèi)壁剝落的氧化皮，避免因氧化皮沉積而導(dǎo)致爆管的隱患。

檢查內(nèi)容包括鍋爐受熱面外壁氧化皮剝落宏觀檢查、變形與變色檢查、管材脹粗與壁厚檢查、受熱面彎頭處氧化皮堆積情況檢查，對于氧化皮堆積情況嚴(yán)重的受熱面管屏，應(yīng)進(jìn)行割管清理。

建立健全設(shè)備臺賬，詳細(xì)記錄氧化皮堆積或爆管發(fā)生的時間、部件及位置，受熱面管材及氧化皮取樣檢測并做好記錄，為管控氧化皮問題提供技術(shù)依據(jù)。

2.4 建立氧化皮在線監(jiān)測機(jī)制

建立氧化皮在線監(jiān)測機(jī)制，實(shí)時監(jiān)測鍋爐高溫受熱面壁溫，建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測氧化皮厚度狀態(tài)，監(jiān)視氧化皮脫落物濃度變化。指導(dǎo)運(yùn)行人員燃燒優(yōu)化調(diào)整，將受熱面壁溫控制在紅線以下，同時為鍋爐高溫受熱面優(yōu)化檢修數(shù)據(jù)支持，通過運(yùn)行優(yōu)化及精密檢修工作，減緩氧化皮生長速率，防止氧化皮大量剝落，保障鍋爐在620℃初參數(shù)條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4.1 高溫受熱面壁溫在線監(jiān)測及模型

高溫受熱面爐內(nèi)汽溫及壁溫的測點(diǎn)布置建立是在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)壁溫分布適當(dāng)增加測點(diǎn)數(shù)量，重點(diǎn)檢查壁溫安全余量偏小的管材以及累計(jì)超溫時間較多、溫度異常的管圈。通過加強(qiáng)壁溫監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)問題并及時采取針對性措施。

根據(jù)鍋爐代表性的測點(diǎn)實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用對受熱面?zhèn)鳠岷退畡恿μ匦赃M(jìn)行計(jì)算，建立精確的受熱面壁溫分布預(yù)測模型，在線獲得鍋爐每根受熱面沿長度的壁溫和汽溫分布。

隨著高溫受熱面蒸汽側(cè)氧化皮厚度增加，受熱面?zhèn)鳠嵝阅芟陆?，管壁溫度升高。根?jù)氧化皮的生長規(guī)律，建立高溫受熱面氧化皮厚度數(shù)學(xué)預(yù)測模型，獲得氧化皮厚度分布對管壁溫度的影響。

2.4.2 鍋爐氧化皮脫落濃度在線監(jiān)測技術(shù)

利用脫落物在線測量系統(tǒng)，實(shí)時、在線、連續(xù)測量機(jī)組氧化皮顆粒含量、顆粒分布、流量，記錄單個顆粒質(zhì)量、顆粒質(zhì)量流量、質(zhì)量分布及其它統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以基于顆粒流量產(chǎn)生報(bào)警。其測量原理基于振動波探測原理，測量顆?；蛩巫矒舨迦氲搅黧w中的探頭產(chǎn)生的振動波，此振動信號比例于顆粒質(zhì)量和流體速度，通過變送器將這些振動波信號轉(zhuǎn)換為電信號，測量系統(tǒng)見圖1。

圖1 氧化皮脫落濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.4.3 鍋爐氧化皮在線監(jiān)測系統(tǒng)

建立超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壁溫分布在線監(jiān)測、超溫時間統(tǒng)計(jì)、氧化皮生成厚度預(yù)測、管排壽命損耗評估等功能。

（1）壁溫分布在線監(jiān)測。在線監(jiān)測和管理鍋爐高溫受熱面各管各點(diǎn)壁溫，實(shí)現(xiàn)壁溫超溫報(bào)警功能；在線監(jiān)測和管理鍋爐高溫受熱面熱偏差，預(yù)防超溫爆管。

（2）管壁運(yùn)行狀態(tài)查詢。在線查詢鍋爐高溫受熱面超溫時間，實(shí)現(xiàn)對任一位置管壁運(yùn)行溫度預(yù)測，生成歷史曲線及不同受熱面壁溫統(tǒng)計(jì)分布圖，在線查詢鍋爐高溫受熱面管材強(qiáng)度，統(tǒng)計(jì)壁溫超限結(jié)果，形成鍋爐高溫受熱面管材氧化超溫統(tǒng)計(jì)信息。

（3）高溫受熱面運(yùn)行狀態(tài)評估。在現(xiàn)有鍋爐監(jiān)測的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型，在線預(yù)測鍋爐高溫受熱面每根管子各點(diǎn)氧化皮生成狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)氧化皮剝落預(yù)測、氧化皮厚度監(jiān)測、氧化皮應(yīng)力監(jiān)測、受熱面安全性評估，在線評估鍋爐高溫受熱面管材運(yùn)行狀態(tài)。

（4）優(yōu)化指導(dǎo)。通過智能優(yōu)化運(yùn)行，結(jié)合燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)及鍋爐歷史運(yùn)行情況，發(fā)布的最優(yōu)熱偏差工況及對應(yīng)的配風(fēng)方式，指導(dǎo)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。同時在線給出鍋爐高溫受熱面系統(tǒng)檢修建議。

圖2 氧化皮在線監(jiān)測系統(tǒng)圖

3 結(jié)語

為防止和減緩超臨界鍋爐氧化皮的生成與剝落，降低其對機(jī)組運(yùn)行的危害，分析了氧化皮生成、剝落的規(guī)律及影響因素，并對基建設(shè)備選型、運(yùn)行操作優(yōu)化調(diào)整、機(jī)組檢修及檢查處理、建立氧化皮在線監(jiān)測機(jī)制幾個方面提出了針對性防治措施。

氧化皮的生成速度主要與受熱面管壁溫度有關(guān)，鍋爐受熱面溫度大幅波動產(chǎn)生的溫差熱應(yīng)力是氧化皮大量脫落的主要原因。避免管壁超溫，控制高溫受熱面汽溫波動，是預(yù)防氧化皮生成和剝落的有效方法。

建立鍋爐高溫受熱面氧化皮在線監(jiān)測機(jī)制，實(shí)現(xiàn)壁溫分布在線監(jiān)測、超溫時間統(tǒng)計(jì)、氧化皮生成厚度預(yù)測、管排壽命損耗評估等功能，了解鍋爐各部位受熱面管材的氧化程度與規(guī)律，實(shí)現(xiàn)積極主動預(yù)防的目的。