1、全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉157高温氧化皮脱落运行防控探索陈学兵 周 亮 于春雁（华能沁北电厂 河南省 济源市 454662）【摘 要】本文针对超临界直流锅炉高合金奥式体材料高温氧化皮脱落机理提出相应的运行防控措施，为解决超临界直流锅炉停炉后再次启动爆管预防提供实际解决方案。【关键词】华能沁北电厂 高温氧化皮 高合金奥式体 超临界直流锅炉0 概述近年来，火力发电厂为应对不断增大的节能降耗压力，新建机组设计参数不断提升，超临界和超超临界锅炉高温过热器和再热器的出口额定温度已经超过 570和 600。随着锅炉高温过热器和高温再热器出口温度的提升，原高温受热面采用的
2、低合金耐热钢材料不再能满足锅炉超高温运行工况要求，TP304H、TP347H、TP347HFG、Super304、HR3C 等高合金奥式体材料在超临界和超超临界锅炉锅炉上开始广泛应用。由于高温下奥式体钢管内壁不可避免的被水蒸气氧化，锅炉长时间运行氧化膜生长形成一定厚度的氧化皮，因氧化皮和钢管基材存在较大的膨胀系数差，在停炉冷却过程中氧化皮受应力作用脱落堵塞受热面管，如检查清理不彻底，就会造成锅炉再次启动后超温爆管。近年来的运行统计，采用上述高合金奥式体材料的超临界锅炉几乎都存在不同程度的氧化皮脱落现象。氧化皮脱落造成的超温爆管已经成为影响超临界和超超临界锅炉可靠运行的重大不利因素。1 运行时间
3、华能沁北电厂一期两台 600MW 机组配套东锅 DG1900/25.4-II1 超临界直流锅炉，主/再热蒸汽额定温度 571/569，屏式过热器出口蒸汽温度 535，高温过热器、高温再热器、屏式过热器受热面管炉内部分均采用 TP347H 奥式体合金钢管。锅炉累计运行约 12000 小时后对高温过热器、高温再热器、屏式过热器割管检查时发现受热面下部 U 型弯内均积存有最多重量 69.2g 的氧化皮，如图。在之后发生 2 次机组检修后再启动氧化皮堵塞过热器爆管，并在之后的多次检修割管检查中均发现高温过热器、高温再热器、屏式过热器受热面管内存在数量不等的氧化皮。全国火电 600MW 机组技术协作会第
4、十三届年会论文集 锅炉1582 脱落机理当前国内外锅炉高温受热面奥式体不锈钢材料水蒸气氧化以及氧化皮剥落机理的研究已经比较深入，虽然仍有分歧，但以下的观点基本达成一致。1）高温下运行奥式体不锈钢材料水蒸气氧化以及氧化皮的剥落不可避免，运行温度越高氧化皮的生长速度越快；2）氧化皮的剥落是由于氧化皮和奥式体不锈钢基材的膨胀系数存在差异，并因受热面温度变化在氧化皮和基材间产生应力造成。因此，膨胀系数存在差异，一定的温变速率是氧化皮剥落的原因。一定的氧化皮厚度下，温变速率越大氧化皮越容易脱落，同样，一定的温变速率下，氧化皮越厚越容易脱落；3）氧化皮的脱落在锅炉的运行、停止和启动过程中均在发生，但锅炉运
5、行过程中由于汽流的携带、冲击破碎，一般不会在受热面中沉积，不会对锅炉的运行带来直接的危害。但在锅炉的启动特别是停炉后，由于受热面温变速率大，氧化皮脱落量大，同时蒸汽的流速低或流速为 0，氧化皮就会在受热面的弯头、小角度管段、焊缝缩口处沉积。当氧化皮在受热面内沉积堵塞超过受热面截面一定量（一般认定超过管截面 1/2，堵塞截面越大爆管风险越大） ，在停炉后检查处理不彻底，锅炉再次启动就会因受热面管冷却不足造成超温爆管。根据上述结论，在现有的材料和设计运行温度下，通过下列途径能够有效的减缓氧化皮的生长速度并减轻氧化皮脱落对锅炉造成的危害。4）由于运行温度越高氧化皮的生长速度越快，并且运行温度超过某一
6、临界值，氧化皮的生长呈现加速现象，因此严格控制受热面金属超温运行是氧化皮防控的重要手段。通常锅炉厂提供的高温受热面金属报警温度是根据相应压力按照管材强度的计算值，没有考虑管材高温氧化的问题，因此需要更保守的设置受热面金属报警温度来限制受热面出口的蒸汽温度。实际运行中调整好锅炉的燃烧，防止受热面出现不允许的热偏差；尽量降低火焰中心高度，减小高温受热面的“温压” （降低烟气和蒸汽温度差，保证相同蒸汽温度的条件下降低受热面的金属温度） ；锅炉检修时积极消除高温受热面的“烟气走廊”和出列；针对个别金属温度高的管子检修时重点进行通流部分堵塞物的检查和清理，都是保证相同的平均蒸汽而降低受热面金属温度的有效
7、措施。可能的情况下降低受热面蒸汽温度也是防范氧化皮的有效途径。因降低主、再热蒸汽温度会降低机组循环效率，违背了超临界锅炉设计高参数的初衷，实际运行中难以采纳。但通过增大直流锅炉的水/煤比（下移汽水的全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉159相变点） ，增大一级减温水流量来降低屏过出口蒸汽温度，能够不影响机组运行效率同时积极缓解屏过氧化皮的危害。沁北电厂原设计屏过出口蒸汽温度为 535，经过一段时间运行后检修割管发现屏过内有比较严重的氧化皮堆积现象。之后经过各种负荷工况试验，将分离器入口的蒸汽温度由600MW 设计值 432降低到 406（其他负荷工况根据分离器入口的蒸汽
8、过热度和一级减温水裕度相应调整降低） ，屏过出口蒸汽温度由原设计的 535降低到 515。屏过出口蒸汽温度降低后，在之后的割管检查屏过氧化皮脱落情况大为减轻，基本避免了屏过的割管氧化皮清理。5）氧化皮脱落的直接原因是氧化皮和奥式体不锈钢基材的膨胀系数存在差异，并因受热面温度变化在氧化皮和基材间产生应力造成。由于氧化皮和奥式体不锈钢基材的膨胀系数是材料的物理属性，运行中无法改变，因此控制受热面温变率是实际运行中氧化皮防控的必要手段。氧化皮的脱落在锅炉的运行、停止和启动过程中均在发生，但造成危害的是在锅炉的启动和停止的蒸汽低流速和停滞阶段。因此，如何减轻和消除氧化皮剥落造成的危害，实现氧化皮的受控
9、剥落，即让已生成的一定厚度的氧化皮在运行时尽量多的剥落，在启动和停炉后尽量少剥落是防范氧化皮剥落危害的关键。由于氧化皮的剥落影响因素复杂，既与氧化皮的厚度有关，也与受热面的温变速率有关，不同的材料和运行环境生成的氧化皮形态和结构又存在比较大的差异，目前的研究还不能量化上述因素之间的影响。同时实际运行的环境也比较复杂，锅炉运行中蒸汽流量在无规律扰动，烟气、蒸汽温度在无规律波动，造成氧化皮的受控剥落难以量化和精确控制。但在锅炉启动过程中尽量平稳的控制锅炉的温升，停炉后尽可能降低锅炉的降温速率，则可有效缓解氧化皮在危险阶段的剥落，减轻检修中氧化皮清理的工作量，降低锅炉再启动爆管的风险。3 控制措施为
10、减轻氧化皮造成的危害，沁北电厂锅炉停炉后无特殊要求，通常采用闷炉自然降温控制锅炉的降温速率，如锅炉受热面有紧急检修，也尽量控制高温受热面不快速冷却。以下是沁北电厂的典型停炉冷却措施和冷却曲线：3.1 机组正常滑压降负荷到 350MW，在该负荷下以 1/min 的速度将主蒸汽温度降低至 545、再热蒸汽温度降低至 525运行 2 小时。3.2 降低机组负荷至 300MW，保持 3 台制粉系统 300MW 运行。在此期间继续以 1/min 的速度将主蒸汽温度降低至 525、再热蒸汽温度降低至 505,主汽压力以 0.05MPa/min 的速度降至 10MPa 运行 1 小时。3.3 继续降低机组负
11、荷至 250MW，在此期间继续以 1/min 的速度将主蒸汽温度降低至 480、再热蒸汽温度降低至 480，主汽压力以 0.05MPa/min 的速度降至 9MPa 运行 1 小时。3.4 手动 MFT。3.5 锅炉灭火后炉膛通风 10 分钟，依次停止送、引风机运行，关闭烟风系统所有挡板进行闷炉。3.6 保持主汽门前疏水开启自然降压（避免采用高、低压旁路等措施快速泄压） 。3.7 当主汽压力降低至 1.5MPa 后按照锅炉进行热炉放水。3.8 锅炉放水结束，维持锅炉系统空气门和疏水门开启状态进行余热干燥。3.9 当过热器金属温度和竖井烟道入口烟气温度均降至 120以下，开启所有烟风系统挡板，全
12、开全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉160送风机动叶，引风机入口导叶按每 30 分钟间隔 10-20-30-40-60-80-100%开度开启进行炉膛自然通风冷却。在竖井烟道入口烟气温度 120以上严禁开启炉膛的人孔和检查孔。3.10 在竖井烟道入口烟气温度 60以下，允许破坏捞渣机水封，开始准备检修工作。锅炉冷却过程中，在运行阶段通过正常的温度调控手段（水/煤比和减温水）控制受热面的温降速率。停炉后受热面的温降速率和压降速率一致，由于受热面内有蒸汽流动，蒸汽温度均能够有效代表实际受热面金属的温度变化趋势，此阶段通过监视受热面蒸汽温度，采用限制开启汽机前的疏水门数量来
13、控制受热面的温降速率。在锅炉热炉放水结束，受热面内不再有蒸汽流动，此时烟气降温速率基本和高温受热面金属降温速率相同，此时通过监视烟气温度的变化，控制炉膛的密封来保证高温受热面金属降温速率。在受热面金属温度降低到 120以下，随着炉膛和环境温差的降低，锅炉的冷却速率变缓，为不影响机组检修工期，炉膛进行自然通风，通过引风机挡板开度控制炉膛通风量来保证受热面金属降温速率。受热面金属温度降低到 60以下，破坏捞渣机水封，开始准备检修工作，整个冷却过程大约需要 90 小时。通过上述措施基本能实现停炉后的降温速率可控，在保证合适的降温速率的情况下冷却时间不致过长。氧化皮在停炉的脱落较之前的快速冷却有了明显
14、的好转。4 结论尽管以上措施能够有效缓解氧化皮造成的危害，但由于奥式体不锈钢材料高温下运行水蒸气氧化以及氧化皮的剥落不可避免。如锅炉经过了长时间的运行，氧化皮生长到一定厚度，在停炉后终究会有一定量的氧化皮脱落，如不采取措施进行检查清理，锅炉再次启动后爆管的风险始终会存在。当前停炉后氧化皮的检测有磁感应探测检查、 射线拍片检查 、割管检查等多种手段，同时国内外一些电厂和研究机构也在积极探索蒸汽吹管和压缩空气吹扫等方法来消除氧化皮脱落带来的危害。上述方法优缺点不一，各电厂可根据实际情况进行选择。沁北电厂采取运行中定期统计运行温度偏高的受热面管屏，停炉后针对性的割管检查。对监测不到或运行温度正常的管
15、屏采用磁感应探测或 射线拍片检查，发现氧化皮堆积过多再进行割管清理。锅炉高温氧化皮脱落的问题给电厂的运行带来极大的安全隐患，也给机组停机检修增加了极大的工作难度并使检修费用大幅度增加。要彻底解决高温氧化皮的困扰，最终还应在高温受热面的材全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 锅炉161料上找出路。目前奥式体钢材通过晶粒细化处理和喷丸表面硬化处理后材料的抗蒸汽氧化性能能得到有效提高，但上述方案除需要增加设备的制造成本外并不能完全避免氧化皮的生成和脱落。另外，锅炉设计时充分考虑氧化皮问题，尽量降低高温受热面设计温压，设计方便氧化皮清理的受热面形状并在锅炉流程上考虑氧化皮吹扫的系统，也是防范氧化皮危害的方向，应该引起锅炉制造厂的重视。参考文献：1超临界锅炉受热面管蒸汽侧氧化皮剥落问题及其对策研究2 西安热工研究院有限公司 贾建明作者简介：作者：陈学兵，华能沁北电厂运行部锅炉专工性别：男，1971 年 5 月，助理工程师通讯地址：河南省济源市五龙口镇华能沁北电厂运行部手机：13949696775，邮箱：邮编：454662作者：周 亮，华能沁北电厂副总经理通讯地址：河南省济源市五龙口镇华能沁北电厂作者：于春雁，华能沁北电厂运行部主任通讯地址：河南省济源市五龙口镇华能沁北电厂运行部
