摘要：超临界机组锅炉的后屏过热器和末级过热器管束内氧化皮问题，已经严重影响了机组的安全运行，国内外众多企业也投入了大量经费和技术人员对这个问题进行了深入的研究。现代随着科技的发展，提出了超超临界火力发电机组，其机前的主、再蒸汽温度达到６００℃／６２０℃，发电整机效率达到４５％以上，发电机组的供电煤耗提高到了２９１g／kWh，经过长时间的实践比较超超临界的机组在经济效益上得到显著的提高，与此同时伴随着屏式过热器、末级过热器、再热器氧化皮问题日益严峻。造成两类安全性问题：第一类是氧化皮脱落后的物质堵塞流通蒸汽的管束导致被堵管束形成干烧造成超温爆管；第二类是氧化皮脱落物质经过主汽门和调节门的永久形滤网进入高速旋转的汽轮机内对汽轮机叶片造成固体颗粒侵蚀。基于此，本文主要对超超临界锅炉控制氧化皮的运行调整进行分析探讨。
关键词：超临界锅炉；控制氧化皮；运行调整
１、氧化皮的形成原因
１．１金属的水蒸汽高温氧化原理
金属在高温水蒸汽环境中会失去电子发生强烈的氧化反应。尤其在水蒸汽温度高于４５０℃时，单质铁就会和水蒸汽发生化学反应，生成铁的氧化物。
３Fe＋４H２O＝Fe３O４＋４H２（１）
运行中管束金属单质铁反应形成的氧化铁，其中的氧气来自水蒸汽高温解析出来的氧气，其反应平衡方程式如下：
H２O＝H２＋１／２O２（２）
由上面两个化学方程式可知，水蒸汽具有的氧化性强弱主要是生成物氧气的比值。水蒸气温度在６００℃下时，与氧化亚铁平衡的数值大约是７，与此对应的平衡氧分压约１０～２６个标准大气压。在实际运行过程中，锅炉的产汽量比较大，尤其是调峰机组不仅产汽量大，而且产汽量根据机组负荷会发生很大的变化。由于水蒸汽的流量大，生产的氢气会随着水蒸汽逃逸，促使反应方程（２）向右边进行发展，产生的氧气会增加，这样会促使铁发生氧化反应。从热力学方面分析，铁在高温的水蒸气环境下所发生的氧化反应是一个自发的过程，无法回避。
１．２铁素体类型的刚在水蒸汽中氧化
超超临界机组锅炉的屏式过热器和末级过热器部分管束采用的T９１钢属于铁素体，这种钢铁在水蒸汽中发生氧化其内表面有很薄的一层含有大量阳离子空位的CrFe２O４的单相无晶界非晶体结构；中间层有很厚的CrFe２O４的单相细等轴晶和在上生长的粗柱状晶结构；最外层为Fe３O４-Fe２O３的细等轴晶和在其上生长的粗柱状晶结构。所形成的氧化层这三层结构依照其顺序形成，三层结构主要在第一层或第二层也就是内层和中间层出现，当达到一定条件时也可以全部出现。T９１钢形成的CrFe２O４无晶界非晶体内层致密度、强度、对管束基体的附着力和抗氧化能力最强，CrFe２O４粗柱状晶层紧随其后，而Fe３O４-Fe２O３的粗柱状晶层附着力和抗氧化能力最差。
２、氧化皮的危害
①氧化皮脱落后因管内氧化皮堆积堵塞管道弯头，影响流量减少，导致长期局部过热，管束组织发生蠕变损伤，管材性能降低，引起过热爆管，如果在机组检修启动后又有氧化皮掉落，造成短期局部过热，导致管子胀粗泄漏。②管束内壁氧化皮如果在启动过程中或是在正常运行由于调整燃烧不当时蒸汽温度会大幅波动，氧化皮由于温差的存在使其集中脱落堆积，通流截面积急剧减小，造成管壁超温爆管。③金属管壁氧化反应后腐蚀会造成管的实际壁厚显著减少，这样管壁的承受能力会下降，增加运行危险因素。④氧化皮脱落后会跟随蒸汽的流动一起经过主汽门后再经滤网进入汽轮机，这其中会造成主汽门卡涩；进入汽轮机的氧化皮碎片等固体颗粒会造成汽机的剥削损坏。⑤氧化皮脱落会影响蒸汽品质，增加铁含量。严重影响锅炉和汽轮机的使用寿命。
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３、缓减高温水蒸汽氧化和剥离的措施
３．１设计方面
３.１.１采用耐氧化的合金
电厂锅炉受热面所采用的钢铁材料是否具有较高的抗氧化性能和抗腐蚀性能主要取决于该金属材料的表面能否形成稳定而致密的氧化膜。Cr２O３是高温下热力学惟一稳定的金属氧化物。铬含量越高，奥氏体合金钢抗高温氧化能力越强。当铬的含量＞２０％时，合金表面才会形成致密的保护性氧化膜Cr２O３。在超超临界机组蒸汽温度超过６２０℃时管束材料采用TP３４７HFG合金钢，将T９１管材的最高壁温控制在５９５℃以内。
３.１.２为避免脱落的氧化皮碎片大量堆积在受热面管束底部弯管弯头处，在设计弯曲处半径应选用大于３倍管子外径。
３.１.３设计中必须认识到煤质、机组负荷变化、燃烧不稳定等情况下减温水的投入正确方式，来预防屏过、末过、再热器的管内蒸汽温度和管壁金属温度的长期超温。
３．２运行、监控和检修方面
①调整锅炉的燃烧工况稳定正常，避免主再蒸汽温度的频繁波动，尽量维持机组负荷稳定。加强运行管理，避免频繁启停操作、减少受热面的热冲击。②机组停机过程中，要严格控制燃烧率和蒸汽温降速率，并按照运行规程执行，防止较大的温度梯度变化带来氧化皮的脱落，打闸停机后采用锅炉闷炉自然冷却。③在正常运行调节过程应控制主再热蒸汽温度并实时监视过热器、再热器的壁温同时要通知化学化验过、再热蒸汽的含氢量。④利用停炉时机对管束进行放射线检查，主要查看垂直管屏底部弯头部位氧化层碎片堆积情况以及管壁氧化皮的厚度以方便割管清除避免运行事故发生。⑤新建机组启动时要对过热器、再热器进行吹管并采取合理化学清洗方式，将金属管内的杂物清除干净，大大减轻氧化层剥离危害。⑥在水压试验后或机组启动初期管束弯曲内会有凝结水。当烟温升速率较快时，一方面存水剧烈沸腾导致氧化皮脱落；另一方面烟温变化剧烈也会导致氧化皮脱落。所以要严格控制机组启动初期的锅炉的燃烧稳定。
４、防治氧化皮的运行建议
①避免在低负荷投用减温水，因为低负荷运行机组减温水汽温调节品质不良。②在冲转和带初负荷运行时期，要尽量开大旁路开度建立较高蒸汽流量，为汽轮机冲转提供合理冲转参数并满足初负荷暖机条件。③在正常运行过程中要优化减温水自动控制策略。④汽轮机启动时要延长暖机时间，控制机组启动初期胀差。⑤调整锅炉启动方式，延迟投入等离子。因为煤粉燃尽时间比柴油燃尽时间长，因此采用等离子启动比采用油枪启动时，炉内的火焰中心要高。锅炉起压前，未形成蒸汽流动对受热面的冷却效果，因此处于干烧状态，屏式过热器位于炉膛正上方，加上等离子启动烟温升速率高，必然导致屏式过热器管壁温度变化快，致使氧化皮容易脱落。⑥加装一级减温水小流量旁路调门，控制减温水流量，限制启动初期温度变速率。⑦控制滑参数停机次数和滑停温度降低的深度。⑧增加屏过和高温再热器之间壁温监视测点，为运行提供可靠的调整燃烧手段和方法。⑨特别是在机组事故处理时应加强关注氧化皮脱落问题。应加强调整锅炉燃烧率来控制锅炉主再热蒸汽温降速率；保证规程规定的闷炉时间，尽量避免过早的通风冷却炉膛。有效控制事故扩大。
５、结束语
控制机组启停阶段氧化皮集中大面积剥落的关键是控制受热面管壁温度变化速率。一方面蒸汽侧温度变化过快，主要是低蒸汽流量时投用减温水不恰当；另一方面来自烟气侧冷却过快，过早的进行强制通风以及炉膛热负荷变化太大。适当增加管壁温度测点，有助于掌握受热面壁温分布情况，利于燃烧调整或流量分配改造，避免局部超温；并且有利于监视启动过程中的异常壁温以及扰动吹扫效果。加强运行管理，定期对氧化皮测量并连续实现对壁温监视。停炉期间，特别是异常停机后应进行垂直受热管束下弯头氧化皮堆积检测。
参考文献：
［１］侯荣利．超临界锅炉氧化皮原因分析与防治措施探讨［Ｊ］．中国高新科技，２０１７，１（８）：９３－９６．
［２］陈志刚，袁丹珏，黎华，等．超临界锅炉管内氧化皮剥落的安全控制研究［Ｊ］．中国安全科学学报，２０１７，２７（８）：６２－６７．
论文作者:黄日卓
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/10
标签：机组论文; 水蒸汽论文; 蒸汽论文; 锅炉论文; 温度论文; 管壁论文; 汽轮机论文; 《电力设备》2019年第3期论文;