鄭觀文,楊苑霖,曹順安

(1. 湛江電力有限公司 生產(chǎn)與技術(shù)分部，湛江 524000; 2. 武漢大學 動力與機械學院，武漢 430000)

失效分析

某電廠3號汽輪機的結(jié)垢原因及防范對策

鄭觀文1,楊苑霖2,曹順安2

(1. 湛江電力有限公司 生產(chǎn)與技術(shù)分部，湛江 524000; 2. 武漢大學 動力與機械學院，武漢 430000)

汽輪機結(jié)垢是火力發(fā)電廠經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，它會導致汽輪機出力、效率降低，軸向推力增大和葉片損壞等問題，從而影響機組的安全、穩(wěn)定運行。針對某電廠3號機組汽輪機結(jié)垢的特征，分析了其產(chǎn)生的原因，并提出了通過加強鍋爐的運行管理和機組的化學監(jiān)督，采取適當?shù)耐Ｓ帽Ｗo措施等方法可有效防范汽輪機的結(jié)垢。

汽輪機；結(jié)垢；防范對策

隨著我國汽輪機設(shè)計、生產(chǎn)水平的不斷提高,因共振而導致汽輪機葉片斷裂的事故逐漸減少,而因蒸汽品質(zhì)不良導致汽輪機的通流部分結(jié)垢，進而引起汽輪機葉片斷裂的事故卻時有發(fā)生。研究表明，機組參數(shù)越高，蒸汽攜帶雜質(zhì)的可能性越大，這是因為蒸汽對雜質(zhì)的溶解能力隨著鍋爐壓力的增大而增大[1]。另外，當鍋爐壓力增大時，蒸汽的密度增大，蒸汽流機械攜帶水滴的能力增強；而且汽包中水的表面張力降低，小水滴容易形成，雜質(zhì)隨水滴進入蒸汽的可能性也就隨之變大。因此，隨著鍋爐參數(shù)的提高，汽輪機結(jié)垢的傾向增大。結(jié)垢會使汽輪機的出力降低，軸向推力增大，從而影響葉片的使用壽命[2]。結(jié)垢還會改變汽輪機葉片的型線，使蒸汽在汽缸內(nèi)的流體分布狀態(tài)偏離其理想狀態(tài)，增大蒸汽的漩渦及其脫離葉片的趨勢，降低機組的做功能力和效率[3]。

某電廠在2015年11月機組大修時，對3號汽輪機進行檢查,發(fā)現(xiàn)其通流部分出現(xiàn)了積鹽結(jié)垢的現(xiàn)象，如圖1和圖2所示，具體表現(xiàn)為：高壓缸的第1級葉片有明顯的機械損傷，第8至第9級葉片表面呈棕紅色；低壓缸的第5級葉片進、背汽側(cè)附著少量的棕紅色沉積物，第6級葉片存在較輕微的汽蝕現(xiàn)象。本工作根據(jù)汽輪機結(jié)垢的成分和特征,分析了其產(chǎn)生的原因，并提出了針對性的防范對策。

1 結(jié)垢原因分析

由于汽輪機高壓缸上的沉積物較少，故只從低壓缸葉片上取垢樣進行X射線熒光光譜分析。X射線熒光光譜分析法是一種比較分析法，它要求待測的未知樣和標準樣之間必須具有相似的物理性質(zhì)，因此在對垢樣進行儀器分析前需進行適當?shù)念A處理。首先,干燥垢樣，以除去附著的水分；然后利用直徑為33 mm的活塞在2×103MPa的壓力下對垢樣進行壓片，使其與標準樣品具有同一形貌，提高分析的精度[4]。

圖1 汽輪機高壓缸葉片F(xiàn)ig. 1 Blades of high-pressure cylinder of steam turbine

圖2 汽輪機低壓缸葉片F(xiàn)ig. 2 Blades of low-pressure cylinder of steam turbine

汽輪機葉片的垢樣分析結(jié)果如表1所示。由表1可見，垢樣的主要成分是SiO2和Fe2O3，其質(zhì)量分數(shù)分別為82.93%和12.44%。

表1 汽輪機葉片垢樣的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab. 1 Chemical components of scales on blades of steam turbine (mass) %

垢樣中SiO2的形成主要是由于蒸汽對硅酸的溶解攜帶和機械攜帶。隨著鍋爐壓力的增加，硅酸在蒸汽中的溶解度增大。對于亞臨界汽包爐，當其爐水pH為9～10時，硅酸的溶解攜帶系數(shù)可達到8%[5]。另外，由于調(diào)峰等原因，3號機組經(jīng)常停運(平均10次/a)，鍋爐的負荷變化頻繁。當鍋爐內(nèi)壓力驟然下降時，水沸點也隨之下降，鍋爐水急劇沸騰，大量蒸汽泡形成并破裂，小水滴增多，加上水位膨脹現(xiàn)象的加劇，使得汽包中汽所占空間減少，蒸汽帶水量增大，蒸汽攜帶的硅酸增多[6]。當飽和蒸汽被加熱變成過熱蒸汽時，其中的硅酸會失水轉(zhuǎn)變成為SiO2。SiO2在過熱蒸汽中的溶解度很大，所以飽和蒸汽攜帶的硅酸將全部轉(zhuǎn)入過熱蒸汽中。當蒸汽進入汽輪機做功后，其溫度和壓力都會降低，此時SiO2就會析出，并主要沉積在汽輪機的低壓級葉片上[7]。

垢樣中Fe2O3的形成與機組的頻繁啟停和爐內(nèi)水處理工藝有關(guān)。由上述討論可知，3號機組經(jīng)常停運，當機組停運時，系統(tǒng)內(nèi)部的溫度和壓力會逐漸降低，蒸汽在汽輪機的葉片表面凝結(jié)成一層水膜，加上低壓缸與凝汽器相連，空氣中的氧氣容易進入，因此設(shè)備在有氧的潮濕環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕[8]。爐內(nèi)采用的水處理工藝為全揮發(fā)性水處理(AVT)，在此工況下，設(shè)備表面會形成疏松的Fe3O4膜，F(xiàn)e3O4膜在氨及聯(lián)氨的作用下易遭受破壞，不能抑制金屬基體的腐蝕。實踐證明，這種腐蝕以給水系統(tǒng)的湍流部位最為嚴重，即所謂的流動加速腐蝕(FAC)[1]。水中的腐蝕產(chǎn)物會隨著高溫高壓的蒸汽進入汽輪機并沉積，造成機組結(jié)垢量的增加[9]。

2 防范對策

2.1 加強鍋爐的運行管理

硅酸在爐水中存在水解平衡，如式(1)所示[10]。當爐水的pH提高時，OH-含量增大，平衡向生成硅酸鹽的方向移動，硅酸含量減少。蒸汽對硅酸鹽的溶解能力很小，可忽略不計，故隨著爐水pH的增大，蒸汽對硅酸的溶解攜帶系數(shù)降低。當爐水的pH過高時，水冷壁遭受堿性腐蝕的機會增大，因此通常將爐水的pH控制在9.0～9.5。此外，為了減少蒸汽對固體顆粒和液滴的攜帶，高參數(shù)鍋爐的汽包中通常設(shè)有旋風分離器。由于受到葉片的導向作用，蒸汽流在旋風筒內(nèi)會發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，使得密度大的液滴和雜質(zhì)在離心力的作用下被拋向內(nèi)壁，并在重力的作用下沿筒壁下落至底部的集污室，最后通過排污口流出設(shè)備[5]。因此，加強對旋風分離器運行工況的監(jiān)督，保證其作用效果的穩(wěn)定性也是降低蒸汽對SiO2機械攜帶的重要手段。

2.2 加強機組的化學監(jiān)督

機組開機時需嚴格執(zhí)行相關(guān)規(guī)定，等到蒸汽品質(zhì)達標后才能點火、沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)，從而減少開機期間因蒸汽品質(zhì)不合格對熱力系統(tǒng)造成的影響[11]。同時，根據(jù)D/L 561-2013《火力發(fā)電廠水汽化學監(jiān)督導則》對機組的蒸汽品質(zhì)及運行參數(shù)進行管理，特別是對蒸汽中含鐵量和含硅量的監(jiān)督。從3號機組的蒸汽品質(zhì)監(jiān)測結(jié)果來看，其pH、電導率、SiO2、Na+等指標均符合相應的控制標準，不會造成汽輪機的嚴重結(jié)垢。然而，機組低壓缸葉片嚴重結(jié)垢的事實則間接說明，在線化學儀表測量結(jié)果的準確可靠性有待于進一步確認。因此，有必要加強在線化學儀表的定期與不定期校驗校準以及定期人工取樣分析比對，提高化學監(jiān)督的準確性和可靠性，以便及時發(fā)現(xiàn)和解決蒸汽品質(zhì)的劣化問題[12]。另外，完善鍋爐的排污制度，合理排污對降低爐水的含鹽量，提高蒸汽的品質(zhì)也有著不可替代的重要作用[1,13]。

2.3 加強機組的停用保護

該電廠地處亞熱帶海濱，機組的停用腐蝕不可忽視。熱力設(shè)備的停用腐蝕主要與金屬表面的濕度、含鹽量及其清潔程度有關(guān)。研究表明，當停用設(shè)備內(nèi)部的相對濕度小于20%時，不會發(fā)生腐蝕；反之，若相對濕度大于20%，則會發(fā)生停用腐蝕，尤其當金屬表面的液膜中含有氯化物或硫酸鹽時，腐蝕速率上升得更加明顯[14]。此外，當金屬表面有沉積物時，容易形成氧濃差電池，加速金屬的腐蝕。在沉積物的下部，氧不易擴散進去，電位較負成為陽極；在沉積物的周圍，氧的濃度較高，電位較正成為陰極。因此，為了避免或減輕熱力設(shè)備的停用腐蝕，必須采取適當?shù)拇胧τ诙唐谕Ｓ玫臋C組，一般采用充氮法。該方法通過維持系統(tǒng)內(nèi)部氮氣的壓力，阻止外界空氣進入而引起腐蝕。對于長期停用的機組，高溫成膜緩蝕劑法是較好的選擇。機組在滑參數(shù)停機的過程中，加入適當?shù)某赡ぞ徫g劑，然后熱爐防水，能在設(shè)備的受熱面形成完整的疏水薄膜，阻止了空氣和水與受熱面金屬的直接接觸，從而抑制腐蝕反應的發(fā)生[15]。

2.4 實行聯(lián)合水處理工況

聯(lián)合水處理工況(CWT)被認為是解決AVT水工況時給水含鐵量高、流動加速腐蝕嚴重的有效方法[14]。研究表明，在電導率為0.1 μS/cm的純水中，若把溶解氧的含量提高到100 μg/L，碳鋼表面會形成致密的Fe3O4-Fe2O3雙層保護膜，它的溶解度很低，能有效抑制金屬發(fā)生腐蝕[16]。但是，由于純水的緩沖性差，微量雜質(zhì)的漏入就可能使其酸堿性發(fā)生大幅度的變化而引發(fā)腐蝕，故需通過加入氨調(diào)節(jié)給水的pH至微堿性范圍內(nèi)。聯(lián)合水處理工況結(jié)合了堿性水工況和氧化性水工況的優(yōu)點，具有較好的防護效果[1]。

3 結(jié)束語

蒸汽的品質(zhì)對汽輪機的安全穩(wěn)定運行具有重要的影響，是造成汽輪機結(jié)垢、運行效率降低的根本原因。要防止汽輪機結(jié)垢，必須加強對機組運行蒸汽品質(zhì)的化學監(jiān)督，特別是硅的監(jiān)督檢測。同時，還要加強熱力系統(tǒng)的運行管理與監(jiān)督，改進給水處理工況的優(yōu)化調(diào)整。另外，還要注重機組停機期間的停用保護措施。只有多方面采取措施，才能確保有效預防汽輪機的結(jié)垢問題。

[1] 范圣平,韓倩倩,曹順安. 火電廠熱力設(shè)備結(jié)垢、積鹽與腐蝕現(xiàn)狀及防治對策[J]. 工業(yè)用水與廢水,2010,41(5):9-14.

[2] 王濤英,徐軍鋒,郭包生,等. 600MW汽輪機在首次大修中的積鹽檢查[J]. 華北電力技術(shù),2009(增1):46-52.

[3] 單文浩,朱志堅. 超臨界600MW汽輪機通流部分結(jié)垢分析與處理[J]. 發(fā)電設(shè)備,2013,27(5):355-357.

[4] 趙合琴,鄭先君,魏麗芳,等. X射線熒光光譜分析中樣品制備方法評述[J]. 河南化工,2006,23(10):8-10.

[5] 肖作善. 熱力設(shè)備水汽理化過程[M]. 武漢:水利電力出版社,1986:68-74.

[6] 許雙偉,王艷紅,田孝軍. 鍋爐蒸汽運行中污染的原因分析及預防[J]. 四川化工,2008,4(11):52-53.

[7] 吳立華,胡興強. 機組調(diào)峰與汽輪機的結(jié)垢腐蝕[J]. 湖北電力,2001,25(2):33-34.

[8] 張忠明,徐力鵬,閏愛軍. 亞臨界直流機組熱力系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢及原因分析[J]. 陜西電力,2007,35(7):44-46.

[9] 黃興德,游喆,趙泓,等. 超(超)臨界汽輪機通流部位腐蝕沉積特征及對策[J]. 華東電力,2014,42(11):2451-2456.

[10] 吳仕宏. 采用爐水堿處理控制給水硅污染的探討[J]. 電力建設(shè),1986(3):21-22.

[11] 童龍勝,萬長勝. 汽輪機高壓缸通流部分積鹽現(xiàn)象分析及處理[J]. 江西電力職業(yè)技術(shù)學院學報,2013,26(1):26-28.

[12] 曹杰玉,劉瑋,宋敬霞. 提高水汽系統(tǒng)化學監(jiān)督與在線化學儀表可靠性的研究[J]. 中國電力,2008,41(3):62-64.

[13] 謝佐祥. 汽輪機積鹽異常的分析及改進措施[J]. 福建電力與電工,2002,22(4):44-56.

[14] 謝學軍,龔洵潔,許崇武,等. 熱力設(shè)備的腐蝕與防護[M]. 北京:中國電力出版社,2011:136-137.

[15] 王海濤,周國定,葛紅花,等. 用十八烷基胺處理法防止熱力設(shè)備的停用腐蝕[J]. 材料保護,1998,31(6):29-31.

[16] 劉濤,陶紅衛(wèi). 135 MW汽輪機結(jié)垢原因分析與處理措施[J]. 冶金動力,2014(2):36-38.

Scaling Reasons of No. 3 Steam Turbine in a Power Plant and Precaution Measures

ZHENG Guan-wen1, YANG Yuan-lin2, CAO Shun-an2

(1. Department of Production and Technology, Zhanjiang Electric Power Co., Ltd., Zhanjiang 524000, China；2. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430000, China)

Scaling of steam turbine is a common phenomenon in thermal power plants. In addition to the reduction of steam turbine′s output and efficiency, scaling will also cause axial thrust augmentation and blade damage, and affect the unit's safe and stable operation as a result. The reasons for scaling of steam turbine were analyzed based on its feature in a case of the No. 3 unit in a power plant. And some effective precaution measures such as reinforcing the management of boiler′s operation status, strengthening the quality supervision of water and steam as well as taking proper lay-up protection method were put forward to prevent the scaling of steam turbine.

steam turbine; scaling; precaution measures

2016-07-25

楊苑霖(1992-),碩士,從事電廠化學研究,13164635346,1534562001@qq.com

10.11973/fsyfh-201612014

TK268

B

1005-748X(2016)12-1015-03