基于受熱面蒸汽側氧化皮生成與剝落機理的優化控制

馮仁海，蔡 勇，孫金龍

（華電國際十里泉發電廠，山東 棗莊 277100）

0 引言

國內機組鍋爐受熱面氧化皮剝落的危害主要表現為：氧化皮剝落堵塞管道彎頭，致使蒸汽流量下降，導致超溫爆管；剝落的氧化皮進入汽輪機，造成主汽閥沖蝕和卡澀，容易引起飛車事故，同時會使汽水中含鐵，影響汽水品質［1-3］。超超臨界機組相對容易出現氧化皮剝落的現象，而且國內再熱汽溫610 ℃和600 ℃機組采用的奧氏體不銹鋼管和鐵素體類低合金鋼管都出現氧化皮剝落的現象［4-6］。

以某電廠一機組為例，在研究蒸汽側氧化皮生成原理的基礎上，結合機組鍋爐的特性，制訂抑制蒸汽側氧化皮生長和剝落的技術和管理措施，通過實施效果檢驗，發現蒸汽側氧化皮得到了良好的控制。

1 受熱面蒸汽側氧氣皮生成與剝落機理

1.1 氧化皮的生成機理和影響因素

水蒸汽和純鐵在高溫環境中發生氧化反應生成氧化皮，不同溫度下氧化皮的組成不同：450～570 ℃，主要由Fe3O4、Fe2O3組成；570 ℃以上，主要由Fe3O4、Fe2O3和FeO 組成，位于最內層的FeO 不致密，容易發生剝落［7-9］。

美國I.G.Wright 和B.A.Pint 教授通過研究提出氧化皮的生成厚度變化規律［7-9］為

式中：ξ 為氧化膜厚度，μm；t 為運行時間，h；n 為氧化膜稀疏類型，n＞2 時氧化膜致密化，n＜2 時氧化膜產生疏松；A 為Arrhenius 常數；Q 為控制反應速率過程的激活能，J／mol；R 為氣體常數；T 為金屬溫度，K。

由式（1）可知，氧化皮的厚度和溫度呈指數關系，和運行時間成正相關關系。

富鉻氧化層作為抗氧化的主要手段，容易在高溫環境中與水、氧氣發生化學反應，形成揮發性氣體，導致抗氧化失效，而蒸汽中的氧含量、蒸汽溫度、壓力、流速都會影響鉻的揮發速度，其化學反應方程式為。Cr2O3層對降低氧化速率效果最明顯，但Cr2O3在高溫含蒸汽條件下會形成揮發性氣體，導致Cr 的損耗，嚴重時可能導致氧化層失效。

此外，外界應力大小、氧化皮的結構、介質中成分和壓力等都會影響氧化皮的生成和生長。

1.2 氧化皮的剝落機理和影響因素

當氧化皮的厚度達到臨界值，并且管材金屬壁面和氧化皮或氧化皮之間的應力達到臨界值時，會造成氧化皮的剝落［10-12］。對氧化皮進行彈性力學分析，當管材溫度變化時，管材膨脹或收縮，受外力約束，產生了變溫應力，氧化皮內部的變溫應力σ 為［10-12］

式中：ΔT 為計算應力溫度和無應力參考溫度的差值；Δα 為氧化皮和金屬基體的熱膨脹系數差；E 為彈性模量；v 為泊松比。

由式（2）可知，溫度變化與應力成正相關，在機組啟停和負荷突變時，溫度變化較大，容易發生氧化皮剝落。在機組運行期間，若鍋爐參數控制不當，導致金屬管壁超溫，不僅造成氧化皮快速增厚，而且導致氧化皮結構由雙層變成多層，如遇汽溫、汽壓大幅波動時，極易造成氧化皮剝落［13-15］。氧化皮剝落與溫度變化的關系如圖1 所示，可以看出，隨著溫度降幅的增加，剝落時的臨界氧化皮厚度逐漸減小，即溫差越大，氧化皮越容易剝落；采取保溫措施后，氧化皮與金屬間的膨脹差別減少，應力下降，同樣溫降幅度下氧化皮剝落的臨界厚度有了明顯的提高。

圖1 氧化皮剝落與溫度變化的關系

綜合氧化皮生成和剝落的機理及影響因素，結合可采取的管控手段，圍繞管壁溫度、蒸汽溫度、蒸汽壓力、鍋爐保溫等方面采取控制措施，以抑制蒸汽側氧化皮的生成和剝落。

2 受熱面蒸汽側氧氣皮的運行預防與控制

該機組為660 MW 燃煤抽凝供熱發電機組，于2017 年7 月投產發電，鍋爐型號為DG2002／29.3－Ⅱ13 型，采用超超臨界變壓直流爐，一次再熱方式，采用前后墻對沖的燃燒方式，通過調整水煤比和一、二級減溫器調節主汽溫；通過調整煙氣擋板和事故噴水減溫器來調節再熱汽溫。該機組采用奧氏體不銹鋼管和鐵素體類低合金鋼管，并且再熱汽溫為620 ℃，更容易出現氧化皮剝落的情況。

根據對蒸汽側氧化皮生成和剝落機理及影響因素的分析，從日常運行、機組啟動、機組停運3 個層面進行運行控制，有效管控管壁超溫、蒸汽超溫、蒸汽超壓，抑制氧化皮的生成和生長；有效管控壁溫、汽溫和蒸汽壓力的突變，以及開停機過程對升（降）溫和升（降）壓速率、停機后燜爐，抑制氧化皮的剝落。

2.1 日常運行管控

鍋爐運行階段是控制氧化皮生成和減緩氧化皮剝落的重要階段，因此必須從運行調整方面制訂相應的措施，具體原則為［16］：合理選擇鍋爐管的壁溫控制值；正常運行過程中盡量減少過熱器和再熱器減溫水的流量，應通過調整鍋爐燃燒，采用非均衡燃燒調整方法和調整水煤比等措施來降低受熱面的壁溫水平，防止大量使用減溫水，導致管壁溫度急劇下降，致使氧化皮集中剝落；運行中控制磨煤機的啟停次序，控制及調整主汽溫、再熱汽溫時，注意變化的幅度，防止管壁溫度大幅波動；受熱面吹灰時，疏水溫度不低于230 ℃，采用合適的吹灰方式，有利于消除氧化皮剝落。

2.1.1 日常超溫管控

為加強日常超溫的管控，制訂最高管壁溫度統計表和最高蒸汽溫度統計表，在表格中設置了不同管材、不同位置和不同壓力下的管壁最高溫度，不同測點位置的蒸汽最高溫度，并且進行每日、每個班組的跟蹤，方便對壁溫和汽溫實現有效管控，以此作為抑制氧化皮生成和剝落的重要手段。

2.1.2 汽溫波動幅度管控

為防止汽溫和管壁溫度的驟降變化，加強管控，參照機組首次大修中對爐膛及各受熱面檢查結果，結合鍋爐各自的運行特性，制訂針對機組汽溫、壁溫調整的指導方法，對主汽溫、再熱汽溫日常考核控制值做出新規定，并對10 min 內主汽溫、再熱汽溫不同降幅進行考核規定。

2.1.3 減溫水投用管控

為確保主汽溫600 ℃、再熱汽溫620 ℃，避免大幅度操作減溫水致使汽溫突升、突降，從而造成鍋爐受熱面氧化皮剝落的現象，提高機組運行的經濟效益，制訂660 MW 機組主蒸汽、再熱蒸汽使用減溫水的基本調整原則和運行調整措施，比較詳細地給出了調整方法，方便運行人員執行。

2.2 開停機過程管理

根據氧化皮剝落機理和影響因素分析，開停機過程對于氧化皮生成和剝落的影響很大，為此制訂關于機組啟動過程和停機過程中的操作注意事項和調整技術措施，方便運行人員操作［14-16］，主要內容如下。

1）根據廠家使用說明書要求制訂鍋爐升（降）溫和升（降）壓的具體執行表，如表1 和表2 所示，并利用爐內壁溫測點實時在線監控爐內金屬壁溫變化速度。

2）機組負荷低于30%時，應盡量減少減溫水流量的使用，使用煙氣擋板、磨煤機出力、配風方式、給水流量等方式進行汽溫控制。

3）鍋爐啟動過程中，要嚴格按照規定要求控制升溫、升壓速率，任何工況下不得出現汽溫、壁溫大幅波動現象，應嚴格控制油槍投停數量、燃煤量增減、減溫水量投停速度。

4）加強過熱器和再熱器系統疏水的排放，并利用余熱盡量將積水烘干，使剝落的氧化皮干燥、松散，以利于蒸汽吹掃。

表1 鍋爐升（降）壓具體執行表

表2 鍋爐升（降）溫具體執行表

2.3 機組停運后燜爐管控

根據該電廠關于治理爐管內壁氧化皮的方法，要求“停爐后考慮采取悶爐（不少于24 h）措施，除非有其他安全考慮，否則嚴禁強制冷卻”。制訂措施為：鍋爐熄火吹掃完成后，停運送、引風機，關閉煙氣系統擋板悶爐；鍋爐熄火24 h 后，允許打開風煙系統有關風煙擋板，使鍋爐自然通風冷卻；鍋爐熄火48 h后，無特殊情況不得強制通風冷卻，如工作需要負責人同意后，啟動送風機、引風機維持30%BMCR 風量對鍋爐強制通風冷卻。

3 管控效果

3.1 日常運行管理效果

3.1.1 最高壁溫和汽溫管控效果

為整體反映對壁溫和汽溫的有效管控，通過實時監控系統，隨機選擇時間段為2019 年10 月1 日至31 日的運行數據，機組負荷變化趨勢如圖2 所示，負荷變化范圍為262～663 MW，接近機組正常運行的最小和最大出力；爐管壁最高溫度的變化趨勢如圖3 所示；爐過熱、再熱汽溫最高值的變化趨勢如圖4 所示。從管壁最高溫度變化趨勢、過熱和再熱汽溫變化趨勢可以看出，極少出現超溫現象，且超溫時間較短，相關措施使管壁溫度和蒸汽溫度得到有效管控，對減緩蒸汽側氧化皮的生長和剝落有重要作用。

圖2 負荷變化趨勢

3.1.2 相同負荷下受熱面壁溫分布均勻性的變化比較

額定負荷下，再熱汽溫達620 ℃時，選擇鍋爐2019 年3 月26 日15∶30—17∶30 高溫再熱器最高管壁溫度的數據，繪制高溫再熱器壁溫最大值的分布趨勢，如圖5 所示，機組負荷為666.1 MW。從圖中可以看出管壁最高溫度相對集中，變化更加均勻，波動幅度更小，再熱汽溫均值620.18 ℃，最高管壁溫度641.7 ℃（序號為128 號），報警值644 ℃，未出現超溫現象，控制效果良好。

圖3 管壁最高溫度的變化趨勢

圖4 爐過熱、再熱汽溫最高值的變化趨勢

圖5 鍋爐高溫再熱器最高管壁溫度分布

3.1.3 減溫水投用的管控效果

為有效檢查減溫水的控制效果，選擇機組運行期間大幅度投入減溫水高溫再熱器壁溫變化率進行數據統計，如表3 所示，壁溫變化率最大1.89 ℃／min，小于規定要求的2 ℃／min，減溫水得到了有效的控制。

表3 機組大幅度投入減溫水高溫再熱器壁溫變化率

3.2 開停機過程管理效果

為更好地分析開停機過程管控的效果，隨機選擇機組開停機的數據進行分析，隨機采集高溫再熱器出口153 號、289 號、478 號、655 號管屏的壁溫數據，選擇采樣時間為1 min 進行分析。

3.2.1 機組開機過程

隨機選擇2019-06-10T00∶07∶06 機組并網前后的數據，其機組負荷變化趨勢如圖6 所示，負荷變化范圍為0～559.7 MW，壁溫變化趨勢如圖7 所示，整體上升比較平穩，對每分鐘壁溫變化率進行統計，其采樣期間壁溫變化率如圖8 所示。壁溫200～300 ℃，最大變化率為2.72 ℃／min，小于管控要求的5 ℃／min；壁溫超過500 ℃，最大變化率為2.12 ℃／min，略高于管控要求的2 ℃／min，整體低于管控要求的變化率。

3.2.2 機組停機過程

隨機選擇2019-01-20T01∶26∶26 機組解列前后的數據，其機組負荷變化趨勢如圖9 所示，負荷變化范圍為0～520.44 MW，壁溫變化趨勢如圖10 所示，整體下降比較平穩，對每分鐘壁溫變化率進行統計，其采樣期間壁溫變化率如圖11 所示，壁溫最大變化率為2.3 ℃／min，整體低于管控要求的2 ℃／min。

圖6 開機過程負荷變化趨勢

圖7 開機過程壁溫變化趨勢

圖8 開機過程壁溫變化率

圖9 停機過程負荷變化趨勢

圖10 停機過程壁溫變化趨勢

圖11 停機過程壁溫變化率

通過對機組開停機的數據進行分析，可以看出在采取開停機管控措施以后，整個開停機過程壁溫變化整體上在規定范圍內，沒有出現大幅波動，有利于減緩蒸汽側氧化皮的生長和剝落。

3.3 機組停運后燜爐管控效果

對機組大修停運后燜爐期間壁溫變化進行統計，機組解列時間為2018-09-11T01∶33∶00，停運后風機啟動時間為2018-09-14T10∶30∶00，燜爐時間約81 h，其壁溫變化率如圖12 所示。可以看出，采用燜爐措施后，最大壁溫變化為0.064 ℃／min，整體壁溫變化較小，有利于抑制蒸汽側氧化皮的剝落。

3.4 檢修期間送檢結果

機組于2018 年9 月進行第一次大修，運行時間超過一年，將鍋爐高溫受熱面取樣管材送檢，過熱器管材質和再熱器管均為S30432 材質奧氏體不銹鋼管，材質上未見明顯差異，但送檢的1—4 號過熱器管氧化皮厚度為23～35 μm，5—7 號再熱器管氧化皮厚度為39～52 μm，其氧化皮X 射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）檢驗結果如圖13 所示。結果顯示，氧化皮成分主要為Fe2O3、Fe3O4和FeCr2O4，說明管子金屬側的內層氧化皮有部分剝落。

3.5 機組全負荷段620 ℃的經濟效益

采用非均衡運行調整技術和相關管理措施以后，實現了全負荷段的再熱器汽溫620 ℃，不僅每年帶來1 049.6 萬元的直接經濟效益，而且可以有效控制熱偏差及管壁超溫現象，大大降低汽輪機末級葉片的濕度，降低發生水蝕的風險，提高機組運行的安全性，對保證鍋爐安全經濟運行有著重要的保障作用。同時2 臺660 MW 機組每年可節約燃煤約35 086 t，可實現減少二氧化硫排放1 554.22 t，減少氮氧化物排放490.6 t，減排二氧化碳約18.12 萬t，具有良好的社會效益。

圖12 機組大修停運后燜爐期間壁溫變化率

圖13 氧化皮XRD 分析結果

4 結語

從受熱面蒸汽側氧化皮生成和剝落的原理出發，詳細闡述了蒸汽氧化皮的生成、剝落的機理及危害，結合機組運行的特點和可控因素，著重分析了機組管壁溫度、蒸汽溫度、蒸汽壓力和機組啟停機期間的影響，并以此為基礎，結合機組的安全性和經濟性，制訂機組管壁溫度管控、蒸汽溫度管控、減溫水管控、機組燃燒調整、機組啟停機操作指導、機組停機后燜爐管理等措施。通過最高壁溫和汽溫管控效果、減溫水投用的管控效果、開停機過程管理效果、機組停運后燜爐管控效果等數據分析，結合檢修期間送檢結果，并分析了機組全負荷段620℃的經濟效益，以此說明了通過制訂相關措施有利于抑制蒸汽側氧化皮的生成和剝落，實現機組全負荷段的再熱汽溫620 ℃，實現機組的安全和經濟運行。