王風(fēng)

摘要：對呂四港電廠超超臨界鍋爐爆管故障進行了分析，對氧化皮成因進行了探討，提出了氧化皮綜合治理措施;在未完全更換薄弱管材的情況下，大幅減少了高溫受熱面氧化皮的生成和剝落，緩解了由于氧化皮問題而引起的超溫爆管事故。

關(guān)鍵詞：超超臨界;鍋爐;氧化皮

一、前言

呂四港電廠1～4號機組采用哈鍋生產(chǎn)的超超臨界變壓直流爐，型號為HG-2000/26.15-YM3。鍋爐П型布置、單爐膛、墻式切圓燃燒，爐膛由內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁構(gòu)成;鍋爐采用帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)，蒸汽出汽水分離器后經(jīng)低過、分隔屏、后屏、末級過進入汽機;再熱器包括低再和高再。4臺機組投運后一段時間后，高溫受熱面連續(xù)發(fā)生多起爆管事故。經(jīng)檢查分析，直接原因是高溫受熱面管內(nèi)壁氧化皮脫落，聚集在U型彎的底部，當(dāng)氧化皮堵塞達到一定程度后，引發(fā)受熱面超溫爆管。電廠迫切需要解決氧化皮生成和大量剝落問題。由于影響因素眾多，治理氧化皮問題是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到發(fā)電運行、鍋爐檢修、金屬監(jiān)督、化學(xué)檢驗等較多部門和專業(yè)，需多方配合，重點從運行方式、水汽品質(zhì)控制、金屬管材使用及設(shè)備檢修治理等方面綜合治理。設(shè)備概況某電廠一期工程為2×630 MW超臨界燃煤機組，鍋爐為引進技術(shù)制造的超臨界參數(shù)、變壓運行、螺旋管圈直流鍋爐，為單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊П型結(jié)構(gòu)、露天布置的燃煤鍋爐。

2007年2月28日#1機組投運，2007年6月28日#2機組投運，自投運至2017年10月，鍋爐受熱面沒有進行過升級改造，也沒有進行過酸洗。鍋爐給水經(jīng)省煤器受熱面吸熱后進入螺旋管水冷壁和垂直管水冷壁繼續(xù)吸熱，然后進入汽水分離器進行汽水分離;從分離器出來的水進入大氣擴容器，通過疏水泵排往汽輪機凝結(jié)器;從分離器出來的蒸汽則進入過熱器。2過熱器超溫爆管事故投產(chǎn)以后，根據(jù)電廠的運行規(guī)程及廠家的說明書要求，鍋爐在啟動過程中啟動給水流量始終不得低于574 t/h（即給水低流量保護）。此時，主蒸汽溫度（以下簡稱主汽溫）、過熱器壁溫溫升速率過快（超過1.5℃/min，有時甚至超過3℃/min）且超溫頻繁，難以控制。為控制主汽溫、過熱器壁溫溫升速率，啟機需要8～10 h，有時高達12 h。根據(jù)統(tǒng)計，該電廠2009—2011年共啟機32次，發(fā)生過5起鍋爐啟動1周內(nèi)過熱器超溫爆管的停爐事故。

二、爆管故障及分析

呂四港電廠2011年2月～2012年2月間共發(fā)生7次高溫受熱面爆管事故，參見表1。由發(fā)生爆管故障的時間看，各臺鍋爐高溫受熱面爆管具有相似的時間特性，通常發(fā)生在機組檢修后冷態(tài)啟動并網(wǎng)1～5天內(nèi)的高負荷工況，而在機組正常運行中未發(fā)生后屏過、末級過熱器爆管。爆管的爆口位置多在入口彎頭處及出口水平段，形態(tài)均帶有明顯的短期超溫跡象，除發(fā)生爆管的管屏外，其周圍管屏并無明顯的超溫跡象;爆口脹粗顯著，邊緣減薄明顯;見圖1。每次發(fā)生爆管故障后對高溫受熱面管屏下彎頭檢查，均發(fā)現(xiàn)氧化皮聚集堆積現(xiàn)象（見圖2）;對總計12 180個未爆管彎頭進行氧化皮專項檢測，共發(fā)現(xiàn)約4 560個彎頭存在超標問題，超標率高達37.5%。后屏過熱器管屏下彎頭超標管內(nèi)氧化皮重量一般在45～70 g;高溫過熱器管屏下彎頭超標管內(nèi)氧化皮稱重一般在60～100 g;高溫再熱器入口管屏下彎頭氧化皮偏多，厚度在100μm左右，稱重一般在100～600 g。在進行氧化皮專項檢測同時，還對部分高溫受熱面管進行了射線復(fù)核抽查，確認氧化皮堵塞情況。圖3和圖4給出氧化皮堵塞超過管子通徑1/3的射線圖片，表明已存在氧化皮堵塞爆管風(fēng)險。由此確認，各臺鍋爐連續(xù)超溫爆管與氧化皮剝落堵塞管道有直接關(guān)系。

三、氧化皮成因分析

國內(nèi)現(xiàn)有研究表明，氧化皮問題成因復(fù)雜，主要與受熱面材質(zhì)、運行控制等有關(guān)。2.1材質(zhì)分析（1）受熱面材料分析呂四港電廠鍋爐過熱器和再熱器高溫段全部采用奧氏體鋼，材質(zhì)如下：分隔屏過熱器（出口側(cè)）主要材質(zhì)為SA-213TP347H;后屏過熱器入口側(cè)主要材質(zhì)為SA-213TP347H，出口側(cè)主要材質(zhì)為A-213S30432;末級過熱器入口側(cè)主要材質(zhì)為SA-213TP347H，出口側(cè)主要材質(zhì)為A-213S30432，外圈管為A-213S30432及SA-213TP310HCbN;高溫再熱器入口段主要材質(zhì)為SA-213TP347H，中間交叉段主要材質(zhì)為A-213S30432，出口側(cè)主要材質(zhì)為SA-213TP310HCbN。對管材進行光譜分析表明，各受熱面材質(zhì)符合原設(shè)計，沒有發(fā)現(xiàn)用錯管材型號或使用劣質(zhì)管材問題。受檢管材主要合金元素成分含量如表2。試樣布氏硬度值為：160、155、172、175、175 HB，試樣的硬度值均低于正常值（180 HB左右）。（2）同類型鍋爐受熱面材料對比分析對同類型鍋爐高溫受熱面材料進行對比分析，主要數(shù)據(jù)見表3。

由上述對比數(shù)據(jù)可知，呂四港電廠鍋爐后屏、末過和末再入口管段均使用TP347H，相對HR3C而言，super304、TP347H管材抗蒸汽氧化溫度低，特別是奧氏體不銹鋼TP347H管材在高溫運行中更容易生成氧化皮;有研究認為，奧氏體不銹鋼高溫下運行時其氧化皮的生成和剝落不可避免[1]，在機組啟停過程中氧化皮大量剝落，堵塞高溫受熱面。2.2運行控制（1）調(diào)試主要節(jié)點及加氧時間（2）化學(xué)加氧情況開始加氧調(diào)試時，由于設(shè)備問題，短時間加氧量有超過300 ppb，但經(jīng)過調(diào)整后，加氧量控制在150 ppb以下，目前加氧量控制在30～70 ppb。合格范圍在150 ppb以下。結(jié)合國內(nèi)外研究和其他電廠鍋爐加氧運行情況，對是否加氧存在一定爭議。由于粗晶TP347H管材抗氧化能力較弱，有研究[2]認為，加氧后氧化皮的熱膨脹系數(shù)與金屬基體加大，促進了氧化皮剝離的傾向，剝離后氧化皮再次生成的速度減緩。采用給水加氧處理的關(guān)鍵要控制加氧后氧化皮的脫落，主要是控制機制啟停時的溫度變化率。（3）啟停溫度變化速率控制按照鍋爐說明書規(guī)定，從點火至汽機沖轉(zhuǎn)不少于3 h，鍋爐最大升溫速率不應(yīng)超過2℃/min。表5給出呂四港電廠與同類型電廠鍋爐啟停控制方式對比。與氧化皮問題不突出的闞山及泰州電廠相比，呂四港電廠啟停鍋爐溫度變化速率控制無明顯差異。溫度變化速率影響氧化皮剝離量，與氧化皮生成無直接關(guān)系。（4）主再熱汽溫控制大量研究表明[3]，氧化皮的生長速度與工質(zhì)溫度有著密切的關(guān)系。

一般說來，在某個溫度段（565～595℃），溫度越高，氧化皮生長速度越快。依據(jù)設(shè)計，鍋爐正常運行時，主再熱汽溫在規(guī)定范圍內(nèi)，兩側(cè)蒸汽溫度偏差小于10℃。受熱面沿程蒸汽溫度、受熱面金屬溫度不超過各段規(guī)定值。但在實際運行中，受燃燒火焰中心偏斜、四角切圓燃燒殘余旋轉(zhuǎn)、不同管屏蒸汽流速不均等影響，同一受熱面不同位置可能存在吸熱、換熱不均。對部分受熱面的TP347H材質(zhì)，吸熱偏差或者短時過熱超溫，極易造成氧化皮生成。圖5給出1號鍋爐高溫受熱面溫度分布圖。由圖5可直觀看出沿水平煙道寬度方向，各受熱面內(nèi)蒸汽溫度分布存在較大偏差：中間低，兩側(cè)高，且右側(cè)偏高明顯，最大約50℃。由于汽溫自動控制以主、再熱汽管道混合后溫度為調(diào)節(jié)對象，加之原設(shè)計壁溫測點有限，因此存在部分無法監(jiān)測到的局部管道超溫現(xiàn)象。綜上分析，呂四港電廠鍋爐受熱面吸熱存在一定偏差，不同部位壁溫分布不均;各段高溫受熱面中的TP347H材料易于在高溫狀態(tài)下形成氧化皮，在鍋爐啟停過程中氧化皮剝落堵塞管道，導(dǎo)致冷態(tài)啟動后短時間內(nèi)部分高溫受熱面超溫爆管。

四氧化皮治理

4.1受熱面材質(zhì)更換結(jié)合國內(nèi)超超臨界鍋爐受熱面管材選用及運行情況，考慮進行高溫受熱面管屏更換工作。依據(jù)對管壁溫度分布的高低和氧化皮清理量的多少，分步將TP347H管材更換為性能更優(yōu)的TP347HFG管材，以提高在工作環(huán)境最惡劣位置受熱面的安全裕量。

4.2受熱面壁溫檢測原鍋爐設(shè)計壁溫監(jiān)測點較少，部分工況惡劣位置超溫管壁無法監(jiān)測。對各臺鍋爐高溫受熱面增加壁溫監(jiān)視測點，更好地管控各部受熱面壁溫，防止隱性超溫。依據(jù)受熱面管壁溫度高低相應(yīng)增加測點，用以確定鍋爐受熱面的溫度水平，加強運行監(jiān)控。經(jīng)分析及逐步優(yōu)化，4號爐加裝測點90點，3號鍋爐加裝179點，1號爐總計加裝250點。

4.3節(jié)流孔優(yōu)化呂四港電廠鍋爐部分高溫受熱面管屏入口裝設(shè)有節(jié)流孔圈。通過對3號鍋爐實際壁溫計算分析：后屏過熱器熱偏差系數(shù)介于0.556～1.556，水力不均勻系數(shù)在0.7～1.49;末級過熱器熱偏差系數(shù)在0.41～1.21，水力不均勻系數(shù)在0.82～1.42。由熱偏差系數(shù)和水力不均勻系數(shù)可知，高溫受熱面節(jié)流孔設(shè)置存在較大偏差，通過計算校核、試驗等工作，對節(jié)流孔進行優(yōu)化改進，以減少蒸汽分配偏差。

4.4設(shè)備檢修加強燃燒系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的檢修和維護工作。利用冷態(tài)停爐機會，進行細致的冷態(tài)一次風(fēng)送粉管道阻力調(diào)平工作，確保各角粉管風(fēng)速均勻，減少送粉量偏差;對燃燒器進行徹底檢修，檢查燃燒器安裝角度，保證燃燒器水平一致性和擺動同步性;檢查大風(fēng)箱內(nèi)二次風(fēng)門實際開度，確保同層四角二次風(fēng)送風(fēng)量一致，二次風(fēng)門實際開度與DCS反饋一致，消除燃燒放熱不均而引起的壁溫偏差。

4.5燃燒優(yōu)化調(diào)整在現(xiàn)有條件下，由于TP347H管材的更換不能在短時間內(nèi)完成，需加強鍋爐運行調(diào)整，采取多種手段，減少吸熱偏差，避免局部管壁超溫運行。聯(lián)系有經(jīng)驗的科研院所，對4臺鍋爐進行系統(tǒng)的燃燒調(diào)整試驗。通過優(yōu)化二次風(fēng)配風(fēng)，減少爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)，降低水平煙道兩側(cè)煙溫偏差。優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，在滿足電網(wǎng)負荷速率要求的情況下，優(yōu)化煤水比控制曲線，特別在高負荷工況下，控制升降負荷時燃料投減量，避免瞬時局部超溫。利用增加的壁溫測點，加強運行監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)受熱面壁溫存在快速上升趨勢時，果斷采取措施控制，避免受熱面超溫運行。

4.6鍋爐啟?？刂七m當(dāng)降低鍋爐啟停過程中蒸汽壓力和溫度變化速率，嚴格控制主汽升溫率不超過1.5℃/min，升壓率不超過0.1 MPa/min，避免氧化皮短時間內(nèi)過量剝落，堵塞受熱面導(dǎo)致超溫爆管。優(yōu)化等離子點火系統(tǒng)投退時機，避免啟停過程中等離子系統(tǒng)的投退而使燃料量大幅波動，引起管壁溫度劇烈變化。適當(dāng)利用大油槍在等離子投退前后點火助燃，能有效緩解溫度變化幅度，控制氧化皮剝落。

4.7上述一系列治理措施實施后，4臺鍋爐未再發(fā)生由于氧化皮問題而引起的高溫受熱面超溫爆管事故，各級受熱面兩側(cè)最高點壁溫偏差由原來的50℃左右降低到20℃之內(nèi)，高溫受熱面氧化皮生成和脫落得到了有效控制。2號機組B修（2012年4月8日～12日）期間對后屏過管屏、末級過管屏、末級再出入口管屏下彎頭處進行氧化皮項目檢測，僅發(fā)現(xiàn)超標受熱面管子7根，超標率大幅減小。1號機組調(diào)停（2012年6月6日）期間對后屏過熱器、末級過熱器、末級再熱器進行氧化皮檢測，未發(fā)現(xiàn)氧化皮積存。5結(jié)論通過綜合治理，在未完全更換薄弱受熱面材質(zhì)的情況下，超超臨界鍋爐氧化皮剝落而引發(fā)的超溫爆管事故初步得到控制，治理成效明顯。

五、原因分析

過熱器氧化皮的生成及特性過熱器管內(nèi)氧化皮（Fe3O4）的生成是金屬在高溫水汽中發(fā)生氧化的結(jié)果[1]，3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑。由于母材與氧化層之間熱脹系數(shù)的差異，當(dāng)垢層達到一定厚度，在溫度發(fā)生變化，尤其是發(fā)生反復(fù)或劇烈的變化時，氧化皮很容易從金屬本體剝離。3.2鍋爐啟動初期給水流量過大帶來的不利因素鍋爐在啟動初期給水流量不能低于保護定值（574 t/h），但在此過程中爐膛溫度較低、燃燒不充分、給水溫度低且欠焓大。要使給水產(chǎn)生足夠的蒸汽量以保證主汽溫、過熱器壁溫不超溫就需要吸收更多的熱量，此時操作員會采用增大燃料量的辦法來提高爐膛的溫度。但由于燃料燃燒不充分，爐膛溫度提升不顯著，爐膛的輻射換熱、水冷壁的吸熱不會明顯增加。且由于給水流量過大，進入汽水分離器的水是未飽和水，熱量隨水從汽水分離器中分離出來并在凝結(jié)器中損失，更增大了水冷壁的吸熱損失。增加燃料量還會大量增加煙氣量，過熱器的對流換熱會因此明顯加強，容易引起主汽溫、過熱器金屬溫升過快，甚至超溫并形成惡性循環(huán)。由于過熱器管材與管內(nèi)氧化皮的膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致氧化皮在升溫較快的過程中脫落。

六、結(jié)束語

該電廠通過5年多的運行實踐證明，對于不帶爐水循環(huán)泵的超臨界630 MW鍋爐在啟動初期給水流量控制在350～574 t/h之間是可行的。這不僅可以有效地控制鍋爐受熱面的溫升速率，還可以縮短機組的啟動時間，同時還有效地解決了鍋爐啟動1周內(nèi)頻繁爆管的問題。該電廠的這種給水控制措施在超臨界鍋爐啟動初期值得進行推廣。

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