浅谈超(超超)临界锅炉氧化皮问题防控措施

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  摘要:通过介绍超超临界状态水的物理化学特性,分析超超临界直流锅炉炉前水系统磁性氧化铁产生、沉积原因以及聚集结垢对锅炉水冷壁管的危害,提出做好预防及处理磁性氧化铁沉积问题的方法,减少锅炉爆管,提高机组安全可靠性。
  关键词:超超临界、直流锅炉、磁性氧化皮、尘积、防控。
  1、氧化皮概述
  氧化皮是锅炉受热面管的内壁金属被高温下水蒸汽氧化的产物,氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO三层组成。
  超(超超)临界锅炉水的临界点参数是22.115MPa、 374.15 ℃,在这个压力和温度下,水和蒸汽转化所需的汽化潜热等于零,不存在两相区,即水变成蒸汽是连续的、单相形式进行。超临界锅炉是指水蒸汽压力在临界点以上的锅炉,其汽水系统只能为直流锅炉。目前,国内绝大部分超临界锅炉蒸汽参数为25.4MPa、560℃左右,部分引进俄罗斯技术的超临界锅炉蒸汽温度为545℃。将工质压力大于26MPa的锅炉称为超超临界锅炉,蒸汽温度一般在605℃左右。
  2、总则
  2.1 为确保超(超超)临界机组能够长周期稳定运行,控制锅炉高温受热面管内壁氧化皮的生成速度和剥落数量,防止发生大量氧化皮过早脱落导致堵塞爆管和汽轮机叶片固体颗粒侵蚀。所以我们应从氧化皮问题的产生的机理、原因、特点、危害和防控措施等方面深刻认识该问题的实质,提高防控意识和超临界机组运行、维护、检修的水平和防控措施。
  2.2 高温受热面氧化皮的生成和脱落现象是超(超超)临界锅炉普遍存在的,有其自身发展的规律,在锅炉整个寿命周期内会多次、阶段性的少量脱落并被蒸汽携带走。氧化皮问题的实质是其大量、过早的脱落。氧化皮问题是可以防控的,治理氧化皮问题的工作重点在于防微杜渐。避免氧化皮大面积的反复脱落导致一系列问题的发生。
  2.3 氧化皮问题的防控策略: 第一层次:减缓生成→控制剥落→加强检查→及时清理,第二层次:摸索规律→指导换管→合理技改→科学预测。
  3 产生机理
  3.1 合金元素铬(Cr)能使钢的性能在很多方面得到改善和提高,其主要作用是提高钢的耐腐蚀性能和抗蒸汽氧化性能。常温下不锈钢的表面生成了一层致密Cr2O3薄膜,能起保护膜作用。钢中含铬量越高,钢的抗高温蒸汽氧化性能就越好。
  3.2 水蒸气可以在高温下对金属具有较强的氧化性,氧化皮是钢管内壁金属被氧化的产物。当蒸汽温度超过570℃时,氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO三层组成。FeO处于最内层,由于其致密性差,结构疏松,破坏了整个氧化膜的稳定性。
  4、产生原因
  过热器、再热器内壁的氧化层脱落有2个主要条件:一是氧化膜厚度达到临界值;二是母材基体与氧化膜层间应力达到临界值。水蒸气在570℃以上对钢材有较强的氧化性,氧化皮随运行时间的增长逐渐增厚,在600~620℃氧化速度会加快,氧化层会迅速增厚。随着氧化膜厚度的增加,发生脱落的几率增大。由于氧化皮的线性膨胀系数与基材金属的不同,在温度发生剧烈变化时就会产生氧化皮的脱落。对于粗晶奥氏体不锈钢管,统计数据表明,亚临界机组在正常温度下(545℃)运行,氧化皮应在3万~3.5万小时左右出现脱落;超(超超)临界机组在正常温度下(545℃、571℃、605℃)运行应在1万~1.5万小时左右。氧化皮提前发生大量剥落甚至导致对流受热面堵塞的主要原因有三条,第一,选材不当;第二,超温运行;第三,壁温变化率过快。
  5 产生特点
  5.1 珠光体钢(l2CrlMoV)、铁素体钢(T22、T23、T91)和奥氏体不锈钢(TP347H、HTP347HFG、ASME CODE CASE2115/HR3C/ TP310NbN、ASME CODE CASE2328-1/Super304H/S30432)均会产生,奥氏体不锈钢氧化皮问题尤为突出。T91钢较少发生氧化皮脱落爆管事故,T23较多,尤其是上锅产超临界锅炉的高温过热器。这是由T91钢氧化皮晶粒结构镶嵌致密紧凑,其氧化皮晶粒剥落所需要的临界应力大的特点决定的。
  5.2 不同的电站锅炉制造厂发生氧化皮爆管的部位和范围有所不同,上锅主要集中在高过的T23管材,哈锅和东锅主要集中在高过和分隔屏的TP347H管材,引进俄罗斯技术的超临界锅炉主要集中在四级过热器的12Cr18Ni12Ti管材。
  5.3 从炉型上看,塔式炉不易产生氧化皮问题,Π型炉易产生;引进俄罗斯技术的超临界锅炉,由于主汽温度选择较低,在545℃左右,发生氧化皮问题均较晚。
  5.4 机组超温运行一定时间后快速停炉,或停炉后快速冷却,或机组启动时升温速率过快,就会大量剥落;若未及时清理,再次启动往往会发生氧化皮堵塞对流受热面下弯头,导致管段短期过热超温,发生爆管。
  5.5 剥落后的氧化皮一般集中在高温段受热面U型管底部弯头或联箱的节流孔部位。大量产生氧化皮的管段不一定是发生爆管的部位。爆管首先发生在抗高温蠕变性能最低材质、烟温最高的管段处,或发生在焊缝、弯头等易产生机械性能缺陷处。不一定发生在烟道内,也可能发生在大罩内。受超温程度和温度变化率高低的影响,氧化皮大量产生可能提前到2000~3000h左右运行时间。
  5.6 超(超超)临界锅炉对热偏差的敏感性超过亚临界参数以下的锅炉,超温几率也就高。由切圆燃烧残余旋转带来的烟温偏差、中速磨分离器(动态、静态)带来的粉量偏差、一次风粉管长度不均带来的风量偏差、由联箱(Z形、U形、T形)内蒸汽流动方向带来的蒸汽流量偏差、由同一管屏管间阻力不同造成的蒸汽流量偏差等等,都会造成高温对流受热面较大的壁温偏差。在壁温测点较少的情况下DCS报警系统就不能全面、真实的反映超温情况。
  6、危害
  氧化皮过早的大量脱落,大面积堵塞高温受热面管材,带来管壁超溫,甚至过热爆管的问题。该问题已成为全球范围内锅炉炉管失效的第2位主要原因。脱落的氧化物颗粒会引起汽轮机前级叶片和喷嘴的固体颗粒侵蚀(SPE问题)或汽门卡涩,会使汽轮机级效率迅速下降,甚至危及叶片的运行安全。氧化皮问题带来的机组效率和运行小时数下降、检修成本的增加,都为电厂运营带来了巨大的压力。   7、防控措施
  7.1 基建超(超超)临界机组防控措施
  7.1.1 在招投标及技术协议谈判过程中,应尽量避免在高温过热器、高温再热器、分隔屏过热器的高温段上采用近几年频发氧化皮问题的T23和TP347H管材,应采用T91和TP347HFG材料替代。
  7.1.2 汽轮机应避免采用只满足启动要求的一级大旁路系统,尽量采用常规满足启动要求的高、低旁路设计或100%高旁+65%低旁,为机组启停过程中锅炉过、再热器系统蒸汽吹扫氧化皮及蒸汽参数平稳过渡提供有效手段,可显著减轻SPE问题,也有利于避免启动过程中再热器干烧期间控制不当造成的管壁超温。
  7.1.3 应采用带炉水泵和内置式分离器的启动系统,给水泵与炉水泵应串联布置,有利于减少中低负荷减温水的投入量。
  7.1.4 高温过热器、再热器必须确保每屏都有温度测点,隔屏布置的应要求锅炉厂增设测点。水平烟道应在左右侧分别设计有烟温测点,用以辅助分析燃烧调整对烟温偏差的影响。为满足高温烟气测量的需要,可将传统型烟温探针设计改为红外高温测量仪表,新建直流炉必须在大罩内部对壁温测点热电偶进行逐点传动,确保DCS画面上各测点与实际管屏位置能一一对应。大罩内壁温测点应严格按设计要求敷设保温材料。
  7.1.5 新建直流炉应重视酸洗期间过热器的大流量冲洗工作。尽量采用汽泵给水稳压吹管工艺,通过尽可能大的蒸汽流量,确保吹管系数合格。吹管后的临时系统恢复阶段必须对高温过、再热器联箱进行全面内窥镜检查,有缩孔的应透视抽查是否有异物。
  7.2 投產后防控措施
  7.2.1 建立超(超超)临界机组氧化皮问题防控组织机构,由主管生产的公司领导负责,可包括运行组、防磨防爆检查组、检修组、热工组、金属监督组、化学监督组、物资组、评价组,形成一套完整的氧化皮问题防控体系。运行组应制定详细的锅炉吹扫措施。机组启动初期通过旁路进行大流量吹扫,尽最大可能携带走受热面管内积存的氧化皮并排至凝汽器。有100%高旁的机组应采取稳压吹扫的方式。为缩短并网时间可先冲车,将汽机转入温热态后打闸或带小负荷运行,继续提高锅炉蒸汽流量达到至少50%BMCR以上,通过控制水煤比使锅炉维持在较低的压力和汽温下稳定运行2小时以上。没有100%旁路的机组可采用降压吹扫方式,但降压幅度和速率不宜过大。吹扫过程中应对壁温偏差及其变化趋势、凝汽器Fe离子含量进行观察,辅助评价吹扫效果。无论是降压吹扫还是稳压吹扫,均应保证吹管系数>1。
  7.2.3 应根据结渣特性、热值等煤质变化情况提出混配煤要求,提出燃烧初调整试验方案,辨识出与氧化皮问题有关的影响因素,制定试验工况表格,逐个因素进行变化调整试验,积累调整经验。
  7.2.4 严格控制锅炉启停时的温度变化率,运行人员在启停炉、干湿态转换、启停磨等操作及变负荷过程中应严密监视各温度变化率,确保不超限;严格要求停炉吹扫后的闷炉操作,确保足够的冷却时间。根据制造厂的不同,制定适合本公司的控制标准,例如:任何时候,锅炉贮水箱温度变化率≯1.5℃/min,主、再热蒸汽温度变化率≯3℃/min;在末过壁温低于300℃后方可自然通风冷却,降温速率≯2℃/min,末过壁温低于250℃后方可强制通风冷却,降温速率≯2.5℃/min。
  7.2.5 通过一次风调平实验、调整燃尽风水平摆角或投运层数、投用磨煤机旋转分离器等措施,最大程度的减小热偏差,避免局部管壁超温。控制热偏差应以燃烧调整手段为主,不能单纯以减温水来消除汽温偏差。通过控制结渣、调整燃烧器摆角、调整煤粉细度、调整二次配风等燃烧调整手段降低火焰中心及炉膛出口烟温,避免对流受热面超温。
  7.2.6 通过减少总风量(氧量)、减少锅炉启动初期不必要的外排冲洗水量、降低分离器出口过热度、调节烟气挡板、避免转入湿态后过早自动打开361阀(溢流阀)、提高给水温度等手段,尽量减少中低负荷减温水的投入。
  7.2.7 防磨防爆检查组应针对氧化皮问题制定专门的防磨防爆检查措施,明确检查办法、所用仪器、割管标准,建立检查台账。应根据超温情况、温度变化率、启停机次数、运行小时数、汽水品质、检修级别等因素制定相应的检查工作方案,明确检查范围,做到不漏检,不盲目割管。大面积氧化皮脱落时,应扩大检查范围,对整个管屏分上中下三段进行,焊缝处、变径处、异种钢接口、弯头处、缩孔等重点检查。
  7.2.8 检修组应根据防磨防爆小组提出的检查结果,及时响应割管清理和恢复焊接所需要的人力和工器具,确保焊接质量。停炉后应带压放水、余热烘干,避免U形弯内积水或过于潮湿导致氧化皮难以清理。检查前可轻微敲击、振荡管屏帮助剥落,严禁强制通风冷却加强剥落的方法。
  7.2.9 热工组定期对自动调节失灵或品质下降事件进行分析,找出原因,及时优化调整。应确保自动控制系统各项参数能正确响应煤质变化,否则及时调整。应在锅炉主给水及主、再热蒸汽DCS画面上增加温度变化率计算点,并加入历史库,辅助运行人员精确操作和事故分析。应在DCS数据库中修正各处壁温报警值,充分考虑实际壁温与大罩内壁温测点之差所需预留的安全余量。如TP347H管壁报警温度不应超过590℃。
  7.2.10 金属监督组应制定防控氧化皮问题的金属监督规定,加强对金属监督专工的培养,提高理论水平和防控意识。通过长周期的金属监督使氧化皮防控工作形成标准化、精细化、科学化的良好局面。实行定期割管送检制度。对易发生氧化皮脱落的重点区域每4000h应进行割样管送检,通过光谱分析、力学性能测定、扫描电镜微观形貌分析、X射线衍射物相分析、金相分析等手段,记录氧化皮厚度、重量,分析氧化皮微观结构的变化,总结氧化皮生成及剥落的规律。
  7.2.12 金属监督人员应对历次氧化皮剥落数量、氧化皮厚度、成分、金属机械性能变化等形成数据库。邀请投产超(超超)临界机组较多的南方电科院所或特检院专家帮助分析、评价受热面金属健康程度,提出防控改进意见。
  7.2.13 化学组应从启停机的全过程对汽水品质进行监督,严格执行超(超超)临界机组各种相关水汽质量标准。给水加氧应在做好充分技术储备并制定好科学的技术措施后方可执行,在措施中应明确防止加氧过量加剧氧化皮产生的防控方法、监控参数、监督标准等。对于每次启停机进行的旁路蒸汽吹扫应结合凝汽器Fe离子变化进行分析,辅助评价吹扫效果。
  7.2.15 评价组由总工程师负责,应制定氧化皮防控体系定期评价制度。结合措施执行力度及控制标准达标情况,对历次氧化皮检测和割管结果进行对比分析,寻找整个防控体系中各项技术标准和手段还存在的问题,总结已取得的经验,评价氧化皮防控领导小组整体运作效果。负责向本公司及集团公司提交氧化皮防控工作总结报告。
  7.2.15 在启停速率控制、蒸汽吹扫、燃烧初调整、混配煤等手段都采用后仍存在超温现象的,应及时限汽温甚至限负荷运行。根据电科院所金相分析及热力试验的结果提出改造方案,要求锅炉厂进行校核计算并充分论证,不能盲目更换高等级管材。
  结论:通过对超超l临界机组磁性氧化铁沉积情况的分析,根据不同阶段采取投产前化学清洗、给水处理采用OT方式等预防措施,可有效解决直流锅炉水冷壁节流孔板磁性氧化铁沉积堵塞问题,为确保机组安全稳定运行奠定基础。
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