浙江浙能电力股份有限公司萧山发电厂 311200
摘要：本文介绍了600MW超临界锅炉设备的情况，介绍了过热器爆管事故过程，提出了要重视管理，加强锅炉汽水品质的监督，尽可能提高控制标准，要规范操作等超临界直流锅炉氧化皮脱落预防对策和思路。
关键词：600MW；超临界锅炉；氧化皮脱落
0 引言
随着国产600MW等级超临界、超超临界机组相继投产发电，国内许多电厂均出现了锅炉高温过热器、高温再热器氧化皮脱落导致爆管停炉事故，某些电厂同一台锅炉在不到一个月时间内就因炉管氧化皮脱落造成爆管停炉3～4次，给电厂的安全、可靠、经济运行蒙上了一层阴影。其实，超临界锅炉高温受热面氧化皮的生成、脱落是一个必然的过程，是一个从量变到质变的过程，如果认识不够，没有超前防范措施，将会对设备造成严重后果，如锅炉传热恶化、汽轮机通流部分效率下降、锅炉高温受热面超温爆管、汽轮机固体颗粒物浸蚀、主汽门卡涩、叶片损坏等。目前，许多电厂专门成立技术攻关小组把防治锅炉氧化皮脱落作为重点课题来研究，通过广大技术人员的不断探讨和潜心研究，众多电厂在预防和控制锅炉氧化皮脱落方面取得了许多成功的经验。
1 设备概况
某公司引进美国ALSTOM公司技术生产。锅炉型号为SG-1913/25.4-M950,过热器出口压力为25.4MPa,过热器出口温度为571℃。锅炉型式为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉,单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉、露天布置燃煤锅炉。炉膛宽度为18816mm,炉膛深度为17697mm,水冷壁下集箱标高为7500mm,炉顶管中心标高为71210mm。炉膛上部布置有分隔屏过热器和后屏过热器,水平烟道依次布置高温再热器和高温过热器,尾部烟道布置有低温再热器和省煤器。高温过热器为逆流布置,共计82排,每排12根U形管,为冷热段布置。2007年6月,8号锅炉发生了一起严重的末级过热器爆管事故。
2 过热器爆管事故过程
2015年6月20日19∶15,8号机组并网,6月22日02∶40,锅炉给水流量异常增大,03∶20就地检查发现IK12吹灰器处声音大;04∶40降负荷至530MW;05∶00左右机组补水量增加至100t/h,炉65.8m处异音明显增大,确认锅炉受热面发生泄漏;05∶25降负荷至450MW;22日06∶10降负荷至210MW;10∶05机组打闸停机。
对爆管及弯管内氧化皮进行检查后,发现末级过热器共有2处爆口:第1处爆口呈菱形,长度为60mm,宽度为32mm,端面光滑,破口两边呈撕薄撕裂状,从爆口特征分析为短期过热所致;第2处爆口未全部爆开,长度20mm,破口附近有众多平行的轴向裂纹,从爆口特征分析为管道堵塞造成流量下降,并导致该管过热爆裂,该根管子下弯头割开后取出不少于90g的氧化皮(测量其厚度0.14mm)。爆管及弯管内氧化皮检查情况如图2所示。停机后对末级过热器的热段分上、中、下3层进行100%胀粗及外观检查;末级过热器热段出口弯管按照一定比例通过射线检查氧化皮堆积情况;对末级过热器管有明显吹扫痕迹的管排进行测厚检查;对爆破管、壁厚吹损超标管、外壁表皮脱落过热管共计40根管进行了更换,对存在不同程度氧化皮堆积的末级过热器热段下部出口的6只弯管进行了更换。
3 超临界直流锅炉氧化皮形成和脱落
3.1 氧化皮形成机理
超临界直流锅炉运行温度高达550～570℃，这一温度正好处在水蒸汽的强氧化区间内（450～700℃），在这个区间内水蒸汽对金属受热面的氧化能力比空气高达十几倍，因此很自然地在金属内壁生成氧化皮。
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在超临界直流锅炉运行热力系统中高温氧化反应是高温水蒸汽与金属铁的反应，在锅炉受热面管内壁生成氧化物的过程按以下反应式进行：
3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑（1）
金属铁与高温水蒸汽反应时，假设同时存在以下三种平衡：
Fe+2H2O=FeO2+2H2↑（2）
O2+2H2=2H2O（3）
Fe（Fe2+）+O2（O2-）=FeO（4）
根据热力学基本原理，反应的吉布斯自由能G的变化如下：
ΔG=ΔG0-2RTln[PH2/PH2O]-2RTln[PO2]（5）
水蒸汽的氧化性强弱取决于PH2/PH2O的比值，比值越大，氧化性越弱。锅炉实际运行情况下，高温过热器、高温再热器管内水蒸汽流量大，流速高，水与金属反应产生的氢气被水蒸汽带走，因此PH2/PH2O远远低于平衡值，反应按（1）向右进行，导致金属持续被氧化。
在高温过热器、高温再热器管内流过高温蒸汽时，水蒸汽与金属元素铁发生化学反应，最初生成Fe3O4氧化膜，这层氧化膜是致密的和富有韧性的，一旦生成氧化速度就会减缓，对金属母材起着保护作用。随着化学反应时间的延长，此氧化膜就会由多层（Fe3O4、Fe2O3、FeO）组成，当蒸汽温度在565℃以下时，内壁氧化膜主要成分为Fe3O4、Fe2O3，当蒸汽温度在565℃以上时，内壁氧化膜中含有较多的FeO，该层氧化物结构较为疏松，晶格缺陷多。
3.2 氧化皮脱落机理
氧化皮脱落必须具备两个条件：氧化膜达到一定厚度（因管材、温度变化速度而异，对于不锈钢为0.05～0.1mm，铬钼钢为0.2～0.5mm）；母材基体与氧化膜之间的应力达到临界值（因管材、温度变化速度、氧化膜特性而异）。这两个条件相互之间还存在一定影响，氧化皮剥落的允许应力随着氧化皮厚度的增加而减小。奥氏体不锈钢的内壁氧化膜在双层界面处脱落是自然发生的，剥落的临界厚度因锅炉管材、管子规格、运行工况和温度变化幅度而不同，一般在0.05～0.1mm左右，通常容易剥落的是磁性Fe3O4和少量的а-Fe2O3。高温过热器、高温再热器钢材的热膨胀系数一般在（16～20）×10-6/℃，而氧化铁的热膨胀系数一般在9.1×10-6/℃，由于热膨胀差异，在氧化层达一定厚度后，尤其是在金属温度反复波动和变化，使金属应力交替变化，氧化皮很容易从金属本体剥离，铬钼钢的内外层同时剥离，剥离厚度达0.2mm，而奥氏体不锈钢只剥离0.05mm的外层。丹麦运行机组统计分析表明奥氏体钢的氧化皮厚度超过150μm时就会剥落，由于运行条件的影响，氧化皮厚度超过20μm也可能剥落。
4 超临界直流锅炉氧化皮脱落预防对策和思路
4.1 要重视管理。要重视超临界直流锅炉氧化皮脱落潜伏的危害性，电厂应成立攻关小组，经常性开展锅炉氧化皮脱落原因分析，提出控制策略，指导生产实践。江苏某电厂因锅炉氧化皮脱落造成锅炉频繁超温、爆管，电厂管理层高度重视，邀请全国专家进行会诊和治理，取得了良好效果。
4.2 加强锅炉汽水品质的监督，尽可能提高控制标准。锅炉启动前上水时必须用合格的除盐水，水温控制在21～70℃，炉水水质合格方可点火。锅炉必须严格执行冷、热态清洗流程，阻止不合格的蒸汽进入汽轮机。正常运行中对锅炉汽水指标要严格控制，凝结水精处理装置必须正常投入运行，除盐水、凝结水、给水、炉水、蒸汽品质符合《超临界火力发电机组水汽质量标准》（DL/T912-2005），尽最大努力减少蒸汽溶盐和盐类沉积。
4.3 要规范操作。机组启动时应严格按滑参数曲线升温、升压，当锅炉温度在100℃以下启动时应先用小油枪点火升温，控制汽、水温度变化速率小于1.0℃/min；当水温高于100℃时方可投入等离子进行点火，等离子投入后锅炉蒸汽温度变化速率不得超过1.5℃/min。锅炉加、减负荷要平缓，煤量加减操作尽量控制均匀缓慢，每次增减煤量速率控制在100kg/min以内；锅炉风量调整也必须均匀缓慢，烟温变化速率90℃/h；正常增、减负荷速率控制不大于2%B-MCR。停炉应按停炉时间长短做好保养工作，并保证保养质量，防止锅炉管腐蚀。锅炉停炉采用滑参数停机方式，控制主、再汽温降温速度不大于1.0℃/min；锅炉停炉冷却不可过快，锅炉熄火后以30%额定通风量吹扫10min后停风机闷炉，严禁采用强制通风冷却方式；停炉放水不可过早，一般在停炉后24小时后进行，当分离器压力低于0.5MPa，贮水箱水温低于150℃为宜，并控制贮水箱内外壁温差不得大于25℃。锅炉启、停制粉系统操作要缓慢，加减给煤量要缓慢均匀，切换磨煤机操作过程应保持一次风压稳定、总燃料量稳定、水煤比稳定、锅炉参数稳定。锅炉在本生负荷以下运行时要尽可能配合旁路来控制再热汽温，防止蒸汽流量小，再热器超温；锅炉再热器无蒸汽流过时，严格控制炉膛出口烟温在540℃以内；锅炉再热汽温应用烟气挡板来调节，减温水量应尽可能不使用。锅炉水压试验结束48小时后应尽快点火启动，否则必须采取保养措施，防止锅炉管发生腐蚀。
5 结语
根据各试验工况确定炉内、外管壁温度的差值,结合炉外壁温测点的测量结果 ,根据蒸汽出口侧管壁温度计算各屏受热面不同管材的最高运行温度。为提高计算精度, 采用数值模拟计算的方法确定屏底和各级受热面入口烟气的温度场和速度场分布,为热偏差系数的选取提供依据,以便修正现有温度测点,反映温度及其温度变化速度, 更好地控制氧化皮非正常生成,有效控制因氧化皮非正常脱落造成高温受热面管堵塞爆管。
参考文献
[1]许建林.国产600MW亚临界机组锅炉氧化皮脱落原因分析[J].中国高新技术企业,2012,(5):58-60.
[2]黄兴德,周新雅,游喆等.超(超)临界锅炉高温受热面蒸汽氧化皮的生长与剥落特性[J].动力工程,2009,29(6):602-608.
论文作者:马肖南
论文发表刊物:《电力技术》2016年第4期
论文发表时间:2016/7/23
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