高溫受熱面管內壁氧化皮在線監測系統研發與應用

楊占君，賀文健，張 龍，陳 璟，鄭準備

高溫受熱面管內壁氧化皮在線監測系統研發與應用

楊占君1，賀文健2，張 龍2，陳 璟1，鄭準備1

（1.中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西 西安 710018；2.大唐彬長發電有限責任公司，陜西 咸陽 710036）

針對長期困擾火電廠的因高溫受熱面管氧化皮剝落與堆積造成的過熱與爆管問題，提出了一種氧化皮顆粒物在線監測方法，并研發出一套在線監測設備。通過對實際在線監測獲取的相關數據分析發現，數據變化與機組運行存在一定的對應關系。本文結果為下一步開展相關技術研究提供了一種新的方法和思路。

火力發電廠；受熱面管；氧化皮；顆粒；在線監測；負荷

隨著新材料與設備等領域不斷開發與應用，大容量、高參數的超臨界及超超臨界機組不斷投入運行并逐步替代了傳統亞臨界機組[1-2]。火力發電廠的機組煤耗、污染物排放等環保指標隨著機組容量的提高而不斷下降，這對能源的節約及環境質量的改善起到了積極作用。

為了滿足高效率超（超）臨界機組受熱面管的常溫加工性能及高溫綜合力學性能、抗蒸汽氧化性能、抗沖蝕等需求，大量諸如T91、T92、TP347H、TP347HFG、Super 304H和HR3C等新型高合金耐熱材料不斷得到應用[3]。隨著新型高合金耐熱鋼的不斷應用，受熱面管用耐熱鋼，特別是奧氏體不銹鋼管內壁氧化皮剝落甚至沉積在彎頭部位，使管道通流面積變小，超溫爆管事件時有發生；同時，剝落的氧化皮顆粒隨介質流動，還會造成閥門卡澀，對通流部件產生機械損傷[4-8]。

已有很多業內專家或技術人員在改善材料合金配比，改善材料加工性能、爐型設計，提高機組運行穩定性和燃燒調整，加強停機檢驗及清理等方面做了大量工作，使得因受熱面管內壁氧化皮剝落、堆積造成的堵管爆管事件較大幅下降，但卻無法完全杜絕此類事件的發生。

目前，國內外對高溫受熱面管內壁氧化皮產生與剝落的在線監測大多利用受熱面管壁溫測點數據，通過相關計算得出內壁金屬壁溫，再根據設備運行狀況通過經驗間接推測受熱面管內壁氧化皮產生與剝落狀況。這種對運行設備的受熱面管內壁氧化皮產生、剝落與堆積的預測方法可靠性偏差很大。國內外尚未見在線監測技術或設備的相關文獻報道[9-11]。對此，本文利用光學投影粒度檢測原理研發了一套氧化皮顆粒物在線監測系統，目的是探索火力發電廠機組運行期間機組負荷變化對受熱面管內氧化皮剝落行為對應關系及堆積量準量化在線監測的可行性診斷，通過檢測數據研究在線運行機組氧化皮生成、剝落及堆積規律，為進一步降低因受熱面管內壁氧化皮堆積導致介質流量減少造成爆管的非計劃停機事件發生提供預警。

1 技術路線

1.1 原理

奧氏體耐熱鋼大都用在過熱器管和再熱器管上，這些材質的受熱管內壁氧化皮剝落后會集中在下彎管部位，形成堆積。不同材質的氧化皮生成速率、剝落量及剝落后的形態有所不同。除了宏觀成片狀、條狀的較大的氧化皮外，還伴隨著一些粒徑從幾微米到幾百微米的細小氧化皮顆粒的生成。在蒸汽流動作用下，少量細小氧化皮顆粒物會通過受熱面管、出口集箱后隨蒸汽進入主蒸汽、再熱蒸汽管道中。因此，在主蒸汽和再熱蒸汽管道上的汽水取樣裝置末端凝結水中就可能捕捉到細小氧化皮顆粒物。對6臺不同制造廠及容量的機組主蒸汽和再熱蒸汽管道的蒸汽取樣水進行了多次取樣分析，均發現了不同粒徑的氧化皮顆粒物。這表明通過對凝結水取樣分析，間接檢測到受熱面管內壁產生的氧化皮顆粒物的思路具有一定可行性。

1.2 檢測部位的選擇

氧化皮顆粒度檢測系統安裝在主蒸汽、再熱蒸汽管道上汽水取樣裝置末端的凝結水取樣管路上（圖1）。選擇此部位主要考慮到3個方面因素：1）需要檢測的細小氧化皮顆粒物隨蒸汽流動，從堆積部位到采集部位行程相對最短，可以確保最大量采集到細小氧化皮顆粒，保證監測數據采集量充分；2）由于介質流動相對行程最短，可最大限度減少監測行程中聯箱、主蒸汽、再熱蒸汽管道內壁產生及剝落的少量氧化顆粒物對檢測數值的影響；3）原在用設備無需進行較大改造，僅需在凝結水取樣管上安裝三通引出一部分凝結水進行取樣檢測，即可實現連續在線監測。采集檢測裝置自身體積不大，可直接安裝在取樣間內，既不影響化學汽水取樣，也不需要進行額外的安裝施工。同時，數據線通過電纜夾層引入化學水質監督系統，可實現氧化皮顆粒物與水質情況在線同步監測（圖2）。

圖1 氧化皮顆粒物取樣管路安裝部位

圖2 氧化皮顆粒物檢測裝置在化學取樣間里的安裝位置

1.3 采集對象的選取

前期通過對若干火力發電廠主蒸汽、再熱蒸汽凝結水樣本的采集分析，發現氧化皮顆粒物主要為粒徑在4~25 μm的氧化皮顆粒物，其占比接近93%；粒徑小于4 μm及大于14 μm的氧化皮顆粒物占比相對較少。因此，選擇粒徑在4~25 μm的氧化皮顆粒物進行重點檢測、統計。實際監測過程中又對粒徑在4~25 μm的氧化皮顆粒物進一步進行粒徑細分甄別統計，即分別統計(4,6]、(6,14]、(14,21]、(21,25]、(25, +∞) μm共5個粒徑范圍的氧化皮顆粒物數量，目的是研究不同奧氏體鋼氧化產物剝落形態、細小氧化物顆粒占比與系統采集的數據的對應關系。

1.4 二維顆粒粒度檢測系統原理

在線檢測裝置的核心部件為二維顆粒粒度檢測系統，它主要是由光源、光學透鏡、比色管、電荷耦合器件（CCD）及模擬數字轉換電路5個部分組成，系統示意如圖3所示。光源部分由具有體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高等優點的半導體激光管構成，通電后光管會產生波長為500~600 nm的綠光。光學透鏡采用孔徑較小的雙片平凸透鏡，其主要作用是將來自孔徑欄中每一點的光線變成一束平行的準直光柱[12]。比色管放置于水樣管前，其內部分別放置粒徑為4、6、14、21、25 μm且高濃度的標準溶液。采用若干金屬氧化物半導體晶體管電容器作為CCD探測器的像素組成元件（金屬氧化物半導體晶體管電容器是采用氧化的方法在P型或N型硅襯底的表面生產一層二氧化硅層，然后在二氧化硅層上蒸鍍一層金屬膜，并以光刻的方法制成柵狀電極，其單個金屬氧化物半導體晶體管電容器就是CCD探測器的1個像素），將采集到的光學信號轉化為數字信號，再通過模擬數字轉換電路將數字信號轉化為模擬信號輸出。

圖3 二維顆粒粒度檢測系統

光源產生的光線首先由光學透鏡進行準直，經比色管及含氧化皮顆粒物的水樣管后，在CCD上投影成像。由幾何光學可知，大粒徑粒子成像會覆蓋小粒徑粒子成像。若比色管內放置粒徑為4 μm的標準溶液，且標準溶液的濃度較高，在CCD上標準溶液內粒徑為4 μm粒子的成像可以將水樣管內粒徑＜4 μm氧化皮顆粒物的成像完全覆蓋，也就是說水樣管內僅粒徑≥4 μm的氧化皮顆粒物才可以在CCD上投影成像。由于圖像邊緣處的灰度微分值較高，同時微分算子具有突出灰度變化的作用，因此可以利用微分算子獲得的灰度微分值作為邊緣檢測的判定條件。

本系統采用以一階導數為基礎的Soble算子對影像邊緣進行檢測，利用最大類間方差法對圖像二值化；然后經數學形態學處理獲得改進的二值圖像[13-14]，掏空內部點獲得邊界點；最后通過進行邊界跟蹤從而提取粒子成像輪廓。

對成像輪廓進行分析，可識別粒徑為4 μm粒子的成像及粒徑＞4 μm粒子的成像。統計單位面積內粒徑為4 μm粒子和粒徑＞4 μm粒子的個數。標準溶液濃度已知，因此經運算放大存儲顯示器計算可得水樣管內粒徑＞4 μm的粒子濃度。光線分別通過放置有粒徑為6、14、21、25 μm標準溶液的比色管，經運算放大存儲顯示器計算，可獲得水樣管內粒徑＞4、＞6、＞14、＞21、＞25 μm的粒子濃度，然后對5種濃度結果依次遞減即可分別獲得粒徑在(4,6]、(6,14]、(14,21]、(21,25]、(25, +∞) μm 5種范圍的氧化皮顆粒物數值。

為了避免較大氧化皮顆粒物成像完全覆蓋導致測量誤差，采用了相互垂直的2路光源同步采集，然后對照2套檢測系統的檢測結果進行綜合統計計算，以提高檢測精度。

1.5 在線監測裝置研發

在線檢測裝置主要包含凝結水取樣裝置和凝結水氧化皮顆粒物檢測裝置2個部分（圖4）。

圖4 在線監測裝置

取樣裝置由用于過濾水樣雜質的取樣格網帽、用于保持水樣容量的匯集溢流器、用于連接取樣裝置和測試裝置的引流管3個部分組成。其中，由316不銹鋼絲網編制的孔徑小于1 700 μm的圓錐狀取樣格網帽可以將水流中較大的雜質阻擋在格網外，避免后續樣品分析系統的堵塞及對數據采集的干擾。

檢測裝置包括用于控制流量的進樣調節閥、用于保持流量穩定的恒流裝置、用于粒度分布測試的二維顆粒粒度檢測器和用于對輸入信號運算放大存儲并處理顯示的顯示器4個部分。

帶有氧化皮顆粒的取樣水首先經過取樣格網帽過濾后流入匯集溢流器，之后依次經引流管、調節閥及保證流量穩定的恒流裝置后，進入二維顆粒粒度檢測器進行氧化顆粒物的在線檢測與統計，檢測器檢測獲取的信號輸入至運算放大存儲顯示器進行處理顯示，最終獲得相關統計數據。

2 氧化皮在線監測系統的應用

選取某火力發電廠2號機組進行在線監測設備的實際安裝測試，進行了一段時間的數據采集與分類統計，并將采集到的氧化皮顆粒物數據與機組負荷曲線進行同步對比分析。圖5為氧化皮顆粒物實時統計數據與機組負荷變化的疊加對比。由圖5可見：粒徑小于等于21 μm的氧化皮顆粒物數量變化波動與機組負荷變化存在一定的對應關系，尤其是占比較大的粒徑為4~14 μm的氧化皮顆粒物采集數據峰值時間段與機組負荷變動時間段的對應關系相對更加明顯，而機組負荷穩定時間段內的氧化皮顆粒數值變化也相應較穩定。

圖5 氧化皮顆粒物數值與機組負荷變化實時對照

3 結 語

目前，由于氧化皮在線監測系統投入運行時間較短，數據采集量相對較少，數據收集分析及相關規律分析可靠性尚待驗證，對實際預防因氧化皮造成機組非計劃停機事件發生的工作指導性尚不足。

今后將結合長期連續監測數據采集的數據進行分類統計，在如下幾個方面開展研究與探索。

1）通過對凝結水中氧化皮顆粒物數量波動的在線監控，與機組運行方式及負荷變化相結合，探索影響受熱面管氧化產生及剝落的因素。

2）結合機組若干檢修期間受熱面管彎管氧化皮堆積量檢測結果，探索在線檢測數據與堆積量的對應關系。

3）蒸汽內氧化皮顆粒物含量對汽輪機通流部件的損傷影響。

4）通過分析氧化皮顆粒物粒徑統計數據，研究不同受熱面管材氧化物形態與剝落規律。

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Development and application of on-line monitoring system for oxide scale on inner wall of high temperature heating surface tube

YANG Zhanjun1, HE Wenjian2, ZHANG Long2, CHEN Jing1, ZHENG Zhunbei1

(1. China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Northwest Branch, Xi’an 710018, China;2. Datang Binchang Power Generation Co., Ltd., Xianyang 710036, China)

Aiming at solving the problem of overheating and tube bursting caused by oxide scale peeling and stacking of high temperature heating surface tubes in thermal power plants for a long time, an on-line detection method for oxide scale particles was proposed and an online monitoring device was developed. Through analysis on relevant data obtained via actual online monitoring, it finds that there is a certain correspondence between data changes and unit operation. The result provides a new method and idea for the next step of on-line monitoring technology for heated surface oxide scale accumulation.

thermal power plant, heating surface tube, oxide scale, particle, on-line monitoring, load

TK224.9

B

10.19666/j.rlfd.201905078

2019-05-05

楊占君(1974)，男，高級工程師，主要從事發電廠金屬監督、無損檢測、理化檢驗及失效分析工作，617578204@qq.com。

楊占君, 賀文健, 張龍, 等. 高溫受熱面管內壁氧化皮在線監測系統研發與應用[J]. 熱力發電, 2019, 48(10): 28-32. YANG Zhanjun, HE Wenjian, ZHANG Long, et al. Development and application of on-line monitoring system for oxide scale on inner wall of high temperature heating surface tube[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 28-32.

（責任編輯 劉永強）