摘要:本文阐述了锅炉高温受热面氧化皮形成及剥落原因，结合发电厂末级过热器管氧化皮检测实例，提出预防和控制锅炉高温受热面管氧化皮脱落并堵塞爆管的对策。
关键词:火力电厂；受热面；氧化皮脱落；预防与治理
引言：
某电厂3 期2 台680 MW 机组配置了2 台超临界直流锅炉。锅炉高温受热面、过热器、再热器采用的为SA-213TP347H，A-213S30432，SA-213TP310Hcbn 型奥氏体不锈钢管。在机组运行过程中，超温或温度急剧波动都会使受热面管道内壁产生氧化皮；当机组停运后，降温或温度急剧变化时，氧化皮因与母材的膨胀系数不同而脱落，造成受热面管道堵塞，最终导致超温过热爆管。
超临界锅炉在运行过程中，由于蒸汽侧氧化皮的形成、剥落造成的危害主要有以下方面: (1) 阻碍管内蒸汽流动，使壁温大幅升高，金属蠕变损伤，导致炉管泄漏; (2) 氧化皮的绝热作用引起受热面管金属壁温上升，影响管材寿命; (3) 剥落的氧化皮若带入汽机，会损伤叶片、喷嘴和调门; (4) 造成汽水污染，影响汽水品质。
1 预防氧化皮脱落的措施
机组锅炉高温再热器爆管后，该厂及时编制了《焊接安全技术措施》，按照要求消除了爆管缺陷。机组锅炉投入正常运行。为保证锅炉高温受热面安全稳定运行，确保机组能够得到有效检查，彻底消除氧化皮脱落堵塞问题，该厂制定了《锅炉氧化皮检测与治理方案》。结合机组检修，对机组锅炉奥氏体不锈钢管全面进行氧化皮检测与处理。在锅炉运行人员的配合下，严格执行规定：停炉后闷炉72 h，停炉降温速率不超过2 ℃/min。在停炉过程中，炉膛通风10 min 后立即停运送、引风机，并关闭送、引风机进出口挡板，防止锅炉受热面降温过快。控制高温过热器、屏式过热器、高温再热器出口蒸汽温度和受热面金属温度降温速率，确保不超过2 ℃/min；主、再热压降速率不大于0.3 MPa/min；降压结束后水冷壁上水，控制启动分离器温度降低速率不高于2 ℃/min；启动分离器储水箱，见水后方可启动烟风系统进行通风冷却。根据环境温度，控制风机的出力，调整低过、低再入口烟温的降低速率不高于2 ℃/min，禁止强制冷却，执行闷炉时间大于72 h，避免停炉时产生奥氏体不锈钢管氧化皮脱落现象。
2 氧化皮的检测实验
使用与厂内使用型号、规格、材质相同的受热面管段，将前期取出的氧化皮倒至该管段内部，做氧化皮检测试验。通过肉眼观察、重量测量、磁场强度测量，分别记录氧化皮堆积高度为1/3，1/2，2/3 流通面积时对应的氧化皮重量值和此时的管段磁场值。结合现场炉内环境磁场，校核氧化皮磁场测量仪( 型号：BM-100 ) 的测量值，再根据管外径和壁厚的不同分别绘制过热器、再热器磁场强度与氧化皮含量曲线。
在机组启停过程中，管子的温度变化幅度最大，管内的氧化皮也最容易剥落。由于机组启动时的蒸汽流量较小，无法将其带走。脱落的氧化皮不断地积聚，数量较多时，即便机组启动后有了较大的蒸汽流量，也很难对其产生扰动并带走，被堵塞的管子壁温会异常升高，严重时会造成短期超温爆管。所以氧化皮堵塞造成的爆管大多发生在启动后的短时间内。锅炉停运冷却过程中，部分蒸汽凝结成水后积于过热器 U 型管下部，淹没了剥落的氧化皮，随着 U 型管底部积水逐渐的自然蒸发，氧化皮一层紧贴一层，聚积成核状，堵死了锅炉高温受热面管流通截面。
3 氧化皮的清理
3.1 氧化皮的取出
机组检修停炉，未采用焖炉方式进行，让引风机加速冷却从而使氧化皮迅速脱落。在机组此次检修时，炉内温度完全冷却后，轻轻敲打受热面管，使氧化皮完全脱落至管内底部U型弯头内，再用磁场强度仪对高过、高再不锈钢弯头进行全面的磁场强度测量。结合前期校核曲线，估算管内氧化皮重量、堆积高度、堵塞管道的面积，对超过设定标准值的管段进行割管，取出氧化皮。
3.2 氧化皮测量与分析
通过对机组的检修，发现高温再热器冷端770 个弯头全部存在氧化皮堆积超标现象。某个弯头的氧化皮堆积情况，质量为1328 g。检查切割后的直管内壁情况，确认无异常后焊接恢复所有切口，对焊接后的管道进行100 % 无损检测，结果均合格。TP347H 钢管内壁氧化物分为2 层，此次6 号炉高再脱落的氧化皮为外层氧化物，内层氧化物仍附着在管道内壁。内层氧化物由围绕原金属晶界分布的富铬氧化物和位于原金属晶粒内部的铁铬镍氧化物组成，主要成份为Fe3O4，其结构紧密牢固，不易脱落；外层氧化物为铁氧化合物组成，结构松散，易开裂脱落。外层氧化物脱落后，由于内层氧化物对TP347H 管中Fe 原子的扩散有阻碍作用，使管道内壁再次生成铁氧化合物变得非常困难，生成周期也会相应加长。因此，在清理外层氧化皮时，要注意保护内层氧化皮。
氧化皮形成与温度、时间、氧含量、蒸汽压力和流速、钢材成分、氧化皮成分等有关。通常认为: 温度愈高，时间愈长，介质中氧的分压愈高，流速愈快，氧化皮生成速度愈快; 钢中加入 Cr、Al、Si 等元素，生成的氧化膜致密而牢固，可以使钢材的抗氧化性提高。多项研究表明: 炉管表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和铁反应形成的，而是由水汽本身的氧分子氧化表面的铁所形成的。在 570℃以上，水分子会分解为氢氧原子结构，大量的氧原子充分满足了氧化反应的需要。而 570℃也正是形成不致密的 Fe O 的关键温度值，所以 570℃应该成为制定运行参数的重要参考。
超临界锅炉氧化皮脱落并堵塞爆管问题，需要从运行上进行预防。在锅炉停役时，通过检查发现堵塞严重的弯头并割管清除是目前普遍做法。对材料为 TP347H 的炉管可用专用氧化皮检测仪器进行普查，找出异常的弯头。由于氧化皮专用检测仪器，检测信号的强度与炉管内部氧化皮重量及堆积形状有关，并与管壁厚度有关。为准确判断炉管弯头处氧化皮沉积情况，一般用射线检验方法对仪器检测异常的弯头进行复核。射线底片可直观的反映弯头处氧化皮堵塞量，由此决定是否割管清除。
3.3 氧化皮的吹扫
在机组启动过程中，要利用蒸汽携带原理尽量清除沉淀在管内的氧化皮。在机组冲转前，将主汽压力控制在6 MPa，主汽温度控制在350 ～ 400 ℃；再热蒸汽压力控制在大于1.1 MPa, 温度控制在350～400 ℃。保证上述参数后，应尽量提高热负荷，开大高、低旁路，采用稳压冲洗，利用蒸汽带走氧化皮。冲洗时，要求化学人员每隔1h 对主、再热蒸汽及凝结水的品质进行取样分析，介质中Fe2+含量由“低—高—低”至稳定并合格后，再进行机组并网工作。
4 清理效果
通过对氧化皮的检测与清理，结合机组点火过程中执行的氧化皮吹扫措施，有效清理了机组锅炉奥氏体不锈钢管内部的氧化皮，保证了锅炉高温受热面的安全运行。对机组锅炉高再氧化皮进行清理后，未出现因氧化皮堵塞造成的爆管现象。在机组检修期间，对机组锅炉高过、高再进行针对性的氧化皮检测与清理，提高了超超临界锅炉连续安全运行的能力。从经济上看，超超临界锅炉“四管”泄漏最快抢修时间为5 天，以680 MW 机组每日带80 % 负荷计，损失发电量为65 280 MW；若再加上检修、启停机组等费用，单台机组泄漏爆管后的经济损失约650 万元。通过对氧化皮的检测与清理，避免了机组非停，取得了较好的经济效益。
5 预防高温受热面氧化皮产生、脱落、聚积的对策
(1)防止氧化皮快速形成的主要办法是防止机组局部或整体超温运行。主、再热蒸汽温度的控制要服从炉内管壁温度，如发现屏过、末过、末再管壁温度超温，经过燃烧调整后无效，可适当降低中间点温度运行。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆加强对锅炉汽温和烟温偏差的调整和监视，防止受热面局部超温运行。
(2)机组启动时严格按规程控制好升温速度，尽可能减缓机组温度变化的速率; 尽量避免紧急停炉，严禁停炉后通风快速冷却，以防止氧化皮脱落。锅炉运行时应加强制粉燃烧系统的运行监视调整和异常情况下的及时处理，避免汽压、汽温的较大波动。建议锅炉运行规程中规定机组升降负荷时主蒸汽、再热蒸汽温度变化速率，多数文献资料提出: 防止炉管壁温剧烈波动导致的氧化皮脱落，主蒸汽、再热蒸汽温度变化速率应低于 2℃ /min。
(3)尽量减少减温水使用量，不合理的使用减温水不仅会导致减温器的过早损坏，也会导致锅炉汽温和炉管壁温剧烈波动。
(4)加强超温管理。运行部应做好超温预防和控制措施的落实情况，切实做好金属超温情况的统计、分析工作。按公司规定对超温现象进行经济考核。
(5)检修上加强对氧化皮堵塞的检查，将氧化皮检测纳入“锅炉四管”防磨防爆体系。对高温受热面做到逢停必查( 只要具备进入炉膛检查条件) ，检查内容包括: 胀粗检查、变形变色检查、壁厚检查、外壁氧化皮剥落宏观检查、弯头氧化皮堆积情况检查，特别要加强对超温管子的检查。对于无损检查发现氧化皮堆积较多的管段，应进行割管清理。建议在今后机组的计划检修中采用氧化皮检测仪器对屏过、末过管下弯头进行检测，采用射线检验方法对末再管下弯头进行检测。
(6)热控专业应加强壁温测点维护，保证运行人员监视需要。锅炉运行中，运行人员应密切关注各受热面管壁金属温度的变化趋势，一旦出现超温报警，应立刻采取措施。
6 电气控制系统方向
（一）将单元机组控制中心智能化
总所周知，电力在一个社会当中是必备可少的物质之一，在我国社会发展中占有很大比重，因此，要针对电力出现的问题及时采用措施，高校、快速的提高火力发电厂发电效率。针对机组控制中心存在的问题，可以提高机组控制中心的智能化和自动化水平。将单元机组的控制室空间进行缩小，将发电机组和发电厂用电的控制系统都接入到DCS控制系统中，保证机组中锅炉、汽机与电气控制系统之间相互协调，为实现单元机组统一值班提供一定的有利条件。锅炉、汽机和用电监控采用CRT监控，取消统控制盘等后备监控设备的使用。网络控制实现计算机化，同样采用CRT监控，取消网络控制室，同时全部纳入到第一单位控制室当中。
（二）提高全厂自动化作业水平及控制技术
对于提高火力发电厂的发电效率也可以通过提高全厂综合自动化水平着手进行改进提高。在监控和管理上全面实现网络实时监控。包括火力发电厂中的水泵房、水处理等辅助车间和网络控制统一设计，同时要监控设备的选型，对发电厂的设备要统一设计标准，提高发电厂设备整体系统的安全运行，提高作业效率，继而提高了发电效率。提高控制技术水平，能极大改变了电厂电气系统控制方式，提升了电厂信息化管理水平。在工程设计中应合理规划电厂的自动化和信息化架构，降低工程造价、提高电厂自动化和信息管理水平，以实事求是的科学态度应对控制技术带来的机遇与挑战。
电气自动化技术逐渐应用到火力发电厂中，为火力发电厂的提供了技术支持，提高了电厂的自动化管理水平，降低了火力发电厂的经济成本，提高了电厂的经济效益。但是电气自动化在火力发展中的应用仍存着机组控制不协调、整体控制系统技术不够先进及监控系统设计上存在着一定的问题等问题，针对这些问题提出了将单元机组控制中心智能化及提高全厂自动化作业水平及控制技术的解决措施。
7保护与控制
（1）火电厂中锅炉、汽轮机、发电机之间的关系极为密切。任何一个环节出现事故都会影响电厂的安全经济运行。因此，为了保证火电厂的安全经济运行，必须装备完善的保护控制装置和系统。基本的保护方式有以下3种。
①联锁保护：当某一设备或工况出现异常现象时，相关联的设备联动跳闸，切除有故障的设备或系统，备用的设备或系统立即投入运行。
②继电器组成的保护：以热工参量和电气参量的限值，以及设备元件的条件联系为动作判据，采用各种继电器组成保护回路，对某一设备或系统进行保护。
③固定的保护装置:有机械的、电动的保护装置，如锅炉的安全门、汽轮机的危急保安器、电机的过电压保护器等。
近代的单元机组均采用综合保护连锁系统，即将机、炉、电的分别保护与单元的整体保护系统相互协调，形成一个完善的保护系统。
（2）火电厂的基本控制方式有以下3种。
①就地控制：锅炉、汽轮机、发电机及辅助设备就地单独进行控制。这种方式适用于小型电厂。
②集中控制：将锅炉、汽轮机、发电机联系起来进行集中控制。例如大型电厂采用的机、炉、电单元的集中控制。
③综合自动控制：将电厂的整个生产过程作为一个有机整体进行控制，以实现全盘自动化。
上世纪80年代，大型电厂多采用单元机组。对于单元机组自动调节系统的主要控制方式有以下3种。
①锅炉跟踪调节方式：由电力负荷指令操作调节汽轮机的阀门，以控制发电机的出力。而在锅炉方面则调节燃料输入，保证其产生的蒸汽在流量和参数方面满足汽轮机的需要。
②汽轮机跟踪调节方式：以电力负荷指令控制燃料的输入，改变锅炉出力；对于汽轮机，则通过调节汽压以决定负荷。
③机、炉协调控制方式：将机、炉、电作为一个统一整体进行控制，以机、炉共同调整机组的负荷来适应外界负荷变化的要求。
现代化电厂多采用程序控制，以提高自动化水平。程序控制是将生产过程中大量分散的操作，按辅机与热力系统的工艺流程划分为若干有规律的程序进行控制，并结合保护、联锁条件，使运行人员通过少数开关式按钮，即可由程控系统自动完成控制系统的操作。
随着计算机应用的日益扩大，特别是微机及微处理器的发展，现代火电厂的自动化已实现以小型机、微机和微处理器为基础的分层综合控制方式。
5 结束语
超临界锅炉高温受热面管采用奥氏体不锈钢管，锅炉累计运行约10 000 h 后，管道内部氧化皮极易脱落，堆积到受热面弯头内部，影响管道传热导致超温爆管，给电厂带来较大的经济损失。因此，通过氧化皮测量仪快速检测法，可有效发现超超临界锅炉高温受热面管氧化皮脱落问题，减少或杜绝锅炉爆管现象，保障了机组的安全稳定运行。
参考文献
［1］姜求志，王金瑞．火力发电厂金属材料手册［M］．北京:中国电力出版社，2000．
［2］银龙．超临界机组氧化皮的产生和与预防［J］．电力设备，2006，(10):33-36．
［3］李耀君．氧化皮脱落导致的过热器管爆管分析［J］．热力发电，2005，(6):56-59．
［4］陈 戎．火电厂蒸汽通流部件高温氧化的调查分析［J］．电力设备，2006，(11):21-26．
论文作者:李晓杰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/13
标签：机组论文; 锅炉论文; 蒸汽论文; 弯头论文; 电厂论文; 温度论文; 高温论文; 《电力设备》2017年第31期论文;