超临界锅炉氧化皮产生机理及防治措施研究

超临界锅炉氧化皮产生机理及防治措施研究

目前，锅炉的受热面所采用的材料多为奥氏体不锈钢或者新型铁素体，一些刚才在高温的作用之下，极易发生氧化皮大量剥落的事故，给发电机组的安全、高效运行带来了极大的威胁。为此，本文结合某超临界机组对氧化皮的产生机理及防治措施进行了具体地分析和总结，期望对同行业相应运行人员具有一定的指导意义。

标签：超临界机组；氧化皮；措施

1、设备概况

该660MW超临界锅炉，末级过热器选材以T91为主，仅管屏外圈选用TP347H，总重量比为30∶1；高温再热器选材以T91和TP347H为主，总重量比为3.4∶1。

2、氧化皮产生及脱落机理

2.1 氧化皮产生的机理

对氧化物进行收集化验得出的结论是外层氧化皮结构主要成分是Fe3O4，在某些特殊情况下也会存在少量的Fe2O3，内层的机构比较复杂，主要组成成分是（FeCr）3O4，其中Cr的含量受钢中Cr含量的影响很大，基本是随着钢中含量的增长而增长。外表皮的氧化物疏松多孔，通过显微镜进行细致的观察发现，基本上呈粗大柱状晶体结构。内层的氧化物相对而言要紧实致密一些，主要以尖状的晶石结构。在内层和外层氧化皮的表面界面上，都大量分布着平行于表面的孔洞。

2.2 氧化皮脱落的机理

造成氧化皮的剥离条件主要由两个方面组成，一方面是氧化层的厚度达到一定的累计程度。另一方面是温度变化大、速度快、频度大所造成的影响。由于承载材料与氧化层之间的膨胀系数存在差异，当氧化层沉积达到一定的厚度时，加之温度不稳定，发生反复剧烈的变化，就会造成氧化皮与金属本体发生剥离现象。

2.3 氧化皮存在的危害

氧化皮问题危害巨大，主要表现在以下几个方面：

（1）氧化皮在管系弯头处易发生堵塞，引起相应的受热面管璧金属超温，最终导致机组强迫停机。

（2）长期的氧化皮脱落，使管壁变薄，强度变差，直至爆管。

（3）锅炉过热器、再热器、主蒸汽管道及再热蒸汽管内脱落下来的氧化皮，是坚硬的固体颗粒，严重损伤汽轮机通流部分高/中压级的喷嘴、动叶片及主汽阀、旁路阀等，导致叶片冲蚀，损伤严重时甚至必须更换叶片。

（4）进入主汽阀和调节阀，使阀门的调节特性改变和恶化，甚至卡死。

（5）检修周期缩短，维护费用上升。

（6）一些机组为了减缓氧化皮脱落，采用降参数运行，牺牲了机组的效率。

上述各种情况导致机组运行的安全性、可靠性及经济性均大幅度降低。

3、氧化皮防治措施分析

在机组运行过程中，对于氧化皮的生成速率和异常脱落的控制要求更加严格，控制氧化皮的生成速率、防止氧化皮脱落是防治锅炉中沉积氧化皮的主要手段。

3.1 氧化皮防控原则

（1）严格控制汽水品质。

（2）锅炉启停，汽温汽压按规程规定控制，避免温度、压力波动过大，停炉过程应避免进行强制快速冷却。

（3）锅炉启动中，在汽机冲转前，应利用旁路进行低压大流量的蒸汽吹扫。

（4）运行过程中减温水操作时，其停投和调节应尽量平稳和小幅度操作，避免出现减温水大增大收的脉冲式变化，另外避免在蒸汽流量很低的情况下投用减温水。

（5）严格控制锅炉启、停速度，同时控制锅炉升降负荷期间汽温、汽压的变化速率。

3.2 氧化皮生成速率的控制

（1）严格控制给水品质，保证给水的总硬度、溶解氧、铁、铜、二氧化硅、PH值、电导率在合理的区间之内。

（2）锅炉上水、点火及升温升压

1）严格控制入炉水质，上水时的环境温度不低于5℃，锅炉上水温度20～90℃，且高于螺旋水冷壁外壁温20℃以上，用给水旁路调整门控制上水速度在

5%BMCR左右，上水初期各放水门开启冲洗1小时后关闭。锅炉冷态冲洗过程中缓慢提升除氧器水温，以≤20℃/h速度加热到110℃以上，锅炉冷态冲洗水质合格后方可进行锅炉点火。

2）炉水铁离子≤500μg/l，确认炉水循环泵过冷管电动门关闭后启动炉水循环泵冲洗。

3）炉水泵启动后，注意检查炉水泵振动情况。当分离器出口压力0.15MPa以上，且出水温度高于省煤器入口温度20℃以上时，炉水泵过冷水电动门解锁。

4）在升压开始阶段，监视炉膛出口烟温应缓慢上升，烟气温度升高速度不超过2℃/min，应该小心控制热输入，以使炉膛出口的烟温探针在任何时候都不超过540℃。当烟气温度升高到540℃时，必须控制热输入量。

（2）锅炉正常运行阶段。

1）对于管壁内表面温度的控制需要电厂在运行期间尽量消除壁温偏差，使每根管子受热均匀。

2）正常运行时，机组负荷50%BMCR以上时升降负荷速率不超过1.5%BMCR/min，负荷小于50%BMCR时升降负荷速率不超过1%BMCR/min。

3）负荷调整的过程中，应保持锅炉的负荷与水煤比的对应关系，防止水煤比失調造成蒸汽参数的大幅度波动。

4）制粉系统启停时维持一次风母管压力稳定，及时调整给水量，同时调整其他磨煤机出力，防止负荷大幅波动。

（5）过、再热器壁温高低点的偏差最好控制在30℃以内，同时再热器尽量少投或不投减温水，在调整减温水调门过程中要根据汽温偏离的大小及减温器后温度变化趋势进行调整，减温水调门操作要缓慢，防止出现减温水调门大幅开关，每次操作幅度不超过10%。任何工况下减温器后温度大于饱和温度20℃。

3.3 氧化皮异常脱落控制

（1）运行过程中避免大的负荷波动

受热管壁内附着氧化皮的热膨胀率远小于金属管的热膨胀率，运行中如果负荷有较大的波动，会使受热管道的温度产生剧烈变化，由于膨胀量不一样，氧化皮从壁面脱落下来。当脱落的氧化皮过多时，容易堵塞管道，导致爆管。所以在运行过程中应当尽量避免大的负荷波动，在300MW以下负荷时控制升降负荷速率为2MW/min，300MW以上负荷时控制升降负荷速率不超过3MW/min。

（2）应控制汽温平稳变化，防止温度突变

在500-600℃这一区间内温度突变，极易造成大量氧化皮脱落，危害运行安全，因此要注意汽温控制，尽量使其变化平稳缓慢。水减温器应避免喷水量大幅度变化和周期波动，喷水量变化大，会造成减温后汽温大幅变化，引起氧化皮脱落。

（3）停炉时，严格控制停炉速度

1）停炉过程中，应当严格控制停炉速度。设定降负荷速度。若升降负荷速度过快，炉内温度变化较剧烈，除了对炉本体设备会造成损坏外，还容易形成大量氧化皮脱落，堵塞管道。

2）直流锅炉停炉后应采用自然冷却方式，并严格监视分离器和水冷壁的降温、降压速率。锅炉灭火后将给水流量保持5%，监视启动分离器的汽水和金属降温速度（不得高于1℃/min），内外壁温度偏差不得高于50℃。

3）机组故障紧急停机时，炉膛通风10分钟后立即停止送、引风机，并关闭送风机出口和引风机进、出口挡板，进行焖炉6小时以上，防止受热面温度快速降低。控制高温过热器、再热器蒸汽温度和金属壁温降温速率不大于1℃/min，主、再热压力降低速率不大于0.1MPa/min。降压结束后，水冷壁可以上水冷却，通风冷却要控制低温段入口烟温降低速率，尤其是金属壁温在200-300℃之间是氧化皮脱落的最危险期。

4、结论

在现有材料和技术水平下，超临界锅炉高温受热面氧化皮生成与剥落是不可避免的，通过对高温受热面管材选型、受热面壁温的控制、规范锅炉启停操作，可以减缓氧化皮生成和剥落，同时通过对金属寿命评估检验、停炉检修维护，能够有效地避免或减少氧化皮集中剥落导致的停机事故。

参考文献：

[1]黄兴德.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，2013，29（6）：602-608.

[2]赵彦芬.高温过热器T91、T22管爆管分析[J].热力发电，2014（11）：61-64.