1 000 MW超超臨界機組低溫再熱器氧化皮問題產生原因分析與治理

(神華國華壽光發電有限責任公司，山東 濰坊 261000)

某超超臨界(1 000 MW)高效燃煤發電機組配套鍋爐為東方鍋爐廠生產的超超臨界參數變壓運行直流鍋爐，鍋爐型號為DG3002/29.3/623 ℃/605 ℃-Ⅱ1。低溫再熱器布置于尾部前煙道，沿爐寬方向布置，一共分為四級管組，其中三級管組采用SA-213T91，設計壁溫為579 ℃，四級管組即垂直管段采用SA-213TP347H，設計壁溫為612 ℃，內壁未噴丸。該機組鍋爐運行至約14 000 h時，經檢查，低溫再熱器四級管組下彎頭存在較嚴重的氧化皮堆積現象，部分垂直管段下彎頭氧化皮堆積量已超過2/3。據測算，低溫再熱器四級管組氧化皮生成速度達0.0125 μm/h，且隨著機組運行，氧化皮生長速度有明顯加快趨勢，通過割管檢測，垂直段SA-213TP347H管內壁氧化皮平均厚度達227 μm，已遠遠超過SA-213TP347H奧氏體鋼管內壁氧化皮剝落的臨界厚度(90 μm)[1]，即當氧化皮厚度超過此臨界值時，后續運行氧化皮剝落堵管的風險較高，給機組的安全穩定運行帶來嚴重威脅，發生因氧化皮剝落堵塞造成超溫爆管事故的可能性很高[2-4]。因此，有必要對氧化皮采取行之有效的措施進行治理，防止氧化皮剝落造成超溫堵管現象發生。本文從原因分析、控制措施和治理手段等方面介紹了低溫再熱器氧化皮治理的研究及工程應用。

1 再熱器氧化皮問題產生的原因分析

1.1 運行問題

溫度是影響過/再熱器換熱管氧化皮生長的最主要因素[5]。煙氣溫度偏高以及管內工質流通不暢均可導致管壁溫度偏高。該鍋爐低溫再熱器設計蒸汽溫升為180 ℃，THA運行工況下蒸汽溫升最高達203 ℃，高于設計值23 ℃；負荷800 MW以上時蒸汽平均溫升約191.76 ℃，高于設計值11.76 ℃，存在明顯蒸汽溫升速度偏高的問題。通過長期運行數據分析，煙溫偏高是導致低溫再熱器蒸汽溫升速率偏高的主要原因。低溫再熱器煙溫偏高的主要原因如下：

(1)低溫再熱器受熱面設計面積偏大，吸熱管程較長，導致蒸汽溫升偏高；

(2)再熱器煙氣擋板調節余量過小導致蒸汽溫升超過設計值，即在高負荷工況下再熱器煙氣擋板至最小開度10%時，低溫再熱器蒸汽溫升仍達200 ℃左右，比設計值偏高15～20 ℃；

(3)隨著運行時間增加，屏式過熱器和高溫過熱器出現結焦情況，吸收熱量能力有所降低，鍋爐整體吸熱向爐后移動，導致低溫再熱器煙氣溫度偏高。

此外，該鍋爐與其他鍋爐設計類似，低溫再熱器入口未設置減溫水，低溫再熱器蒸汽溫度無法用減溫水調節控制，以防止換熱管壁溫過高。

1.2 材質選用問題

該鍋爐低溫再熱器垂直管材質為SA-213TP347H，設計溫度為630 ℃。圖1為950 MW負荷條件下低溫再熱器管屏壁溫情況。從圖1中可以看出，低溫再熱器壁溫沿爐膛寬度方向整體呈雙駝峰趨勢，處于駝峰區域的管屏壁溫較高，接近TP347H材質設計溫度。實際上，目前國內過/再熱器管在設計溫度的選擇上存在一定的問題，忽視了材料的抗蒸汽氧化能力。以TP347H為例，雖然設計溫度為630 ℃，但國內大量超臨界機組的運行經驗表明，該材質換熱管的氧化皮尤為突出，抗氧化能力并不滿足超臨界機組(主汽溫度571 ℃)的長期使用要求。該鍋爐低溫再熱器TP347H材質的使用情況也證明，由于低溫再熱器存在煙溫較高情況，TP347H材質換熱管的抗氧化能力與壁溫不匹配，隨著機組運行，低溫再熱器垂直管奧氏體鋼內壁氧化皮很快達到剝落的臨界厚度，為鍋爐的安全運行帶來嚴重威脅。

圖1 機組950 MW負荷條件下低溫再熱器管屏壁溫情況

2 再熱器氧化皮治理措施研究

2.1 降低金屬壁溫措施

根據原因分析，導致低溫再熱器垂直管氧化皮生長過快的主要原因是運行金屬壁溫偏高，因此通過降低金屬壁溫可以大大降低氧化皮的后續生長速度。根據實際運行情況，提出了以下幾種可能的解決方案：

方案A：割除部分低溫再熱器受熱面，減少低溫再熱器受熱面積，降低低溫再熱器出口汽溫和垂直管的壁溫。具體為：在低溫再熱器一級管組上割除一個或兩個繞的換熱管或整體割除，改造示意圖如圖2所示。根據核算，此方案在鍋爐THA工況下，低溫再熱器出口基本可以實現零減溫水，但低溫再熱器出口煙道煙溫將會升高30～57 ℃，排煙溫度預計會升高3～4 ℃，且鍋爐熱效率明顯降低。即使在整體割除下組低溫再熱器管的情況下，再熱器側的煙氣份額沒有發生明顯變化，低溫再熱器下方煙氣擋板開度仍維持在幾乎全關的狀態，調節性能較差。可以看出，采用割除管組的方案來降低低溫再熱器吸熱效果并不明顯，同時割除大量的受熱面，影響了鍋爐效率，此改造方案不經濟。

圖2 割除部分低溫再熱器受熱面示意圖

方案B：對垂直低溫再熱器的前后兩排換熱管進行短路，降低峰值溫度。改造示意圖如圖3所示。此方案可以使同屏換熱管獲得比較均衡的壁溫，不影響鍋爐熱效率，但低溫再熱器總體吸熱與優化改造前基本一致，對降低低溫再熱器管屏的整體壁溫不明顯，因此該優化改造方案不可取。

圖3 垂直低溫再熱器前后兩排換熱管短路示意圖

方案C：對低溫再熱器出口煙氣擋板進行改造，將部分擋板葉片解列并固定，增加再熱器側煙氣阻力，讓煙氣更多地流經低過區域，減少低溫再熱器吸熱量。根據計算，如果屏蔽1/6～1/3的擋板流通面積，將會大大改善現有的煙氣擋板調節特性，在高負荷下低溫再熱器煙氣擋板開度將達到30%～40%，能夠實現再熱器零噴水量，低溫再熱器出口的汽溫可降低10～20 ℃，低溫再熱器垂直管壁溫將隨之降低。低溫再熱器溫升和出口汽溫符合設計值，同時鍋爐效率不會降低。

通過對以上三種優化方案進行對比，采用方案C對降低低溫再熱器出口垂直管金屬壁溫的效果是明顯的，可以從源頭上消除導致低溫再熱器出口奧氏體鋼管內壁氧化皮快速生長的外界因素。

此外，納米陶瓷噴涂技術可有效提高換熱管的防結渣性能，同時可有效阻斷高溫煙氣對受熱面的腐蝕和侵蝕作用，從而增加爐膛吸熱量[6-7]。對屏式過熱器彎頭區域底部最外圈彎頭向上2米范圍內管子實施納米陶瓷噴涂，通過納米陶瓷噴涂，屏式過熱器吸熱量增加10～15 ℃，減少了鍋爐煙氣側的熱量后移，降低低溫再熱器吸熱量，從而降低了低溫再熱器垂直管SA-213TP347H管壁溫，對奧氏體鋼SA-213TP347H管后續氧化皮的生長起到較好的抑制和延緩作用。

2.2 已生成氧化皮治理措施

目前來講，治理已生成氧化皮的措施主要有換管及化學清洗[8-9]。換管是相對成熟的解決方案，但存在的缺點是檢修工期長、費用高。化學清洗的經濟性要遠遠好于換管，隨著近十幾年過熱器化學清洗技術的發展，過熱器化學清洗中存在的氣塞、堵管、欠洗、過洗、廢液處理等技術難題基本攻克。目前，國內已有數十臺鍋爐過/再熱器化學清洗的案例，雖然不乏一些清洗公司由于技術水平低導致的失敗案例，但該治理氧化皮問題的技術路線是值得肯定的，以國華臺山電廠#1鍋爐為例，該鍋爐過熱器洗后已良好運行七年，期間未發生氧化皮問題。同時，過熱器清洗后鍋爐效率提高0.2%，機組經濟性也得到有效提高。

根據取樣檢測，低溫再熱器垂直段SA-213TP347H管氧化皮厚度已達227 μm，內壁氧化皮已出現脫落。通過小型試驗驗證，采用6%～10%催化檸檬酸清洗介質，添加0.5%～0.8%專用緩蝕劑及0.05%～0.1%還原劑，經兩階段清洗可有效去除SA-213TP347H管內壁氧化皮，且腐蝕速率滿足T/CEC144-2017《過熱器和再熱器化學清洗導則》的要求。

通過化學清洗，低溫再熱器出口垂直段SA-213TP347H管內壁表層氧化皮被完全去除，內層富鉻層部分保留，厚度約為66 μm，宏觀照片見圖4。清洗前、后通過金相顯微鏡和掃描電鏡對SA-213TP347H管內表面進行觀察和分析，結果見圖5。

圖4 SA-213TP347H管化學清洗前、后管內壁宏觀照片

圖5 SA-213TP347H管化學清洗前、后斷面的金相微觀形貌

化學清洗后，SA-213TP347H管樣斷面的電子顯微鏡照片及元素線掃描分析結果見圖6。從圖6可以看出，保留的內層部分鉻含量高于基體，為富鉻層，可以延緩后續氧化皮的生長[10-11]。

圖6 SA-213TP347H管樣清洗后斷面電子顯微鏡照片及元素線掃描結果

化學清洗后，對兩個階段化學清洗中SA-213TP347H試片在200倍金相顯微鏡下進行微觀檢查，試片表面金相顯微形貌見圖7。從圖7中可以看出，化學清洗后SA-213TP347H試片未發現晶間腐蝕特征。

圖7 SA-213TP347H試片表面金相顯微形貌

通過化學清洗，對低溫再熱器垂直段SA-213TP347H管內壁表層氧化皮進行完全去除，保留少量的富鉻層，可以延緩后續氧化皮的生長，解決了現有氧化皮問題，達到預期目的。

3 治理效果

通過采取一系列的氧化皮治理措施，達到了比較理想的治理效果，主要表現為

(1)低溫再熱器蒸汽溫升降低約27 ℃，最高壁溫降低約30 ℃，平均壁溫降低約20 ℃，均恢復至原有設計值范圍內，對后續低溫再熱器SA-213TP347H管氧化皮的生長起到較好的抑制和延緩作用；

(2)對已生成的氧化皮進行了 化學清洗，SA-213TP347H內壁表層氧化皮得到完全去除，保留少量富鉻層，且可以延緩后續氧化皮的生長，治理效果明顯。

從治理效果看，低溫再熱器溫升偏高問題已解決，氧化皮脫落隱患已得到治理，氧化皮治理達到預期目的。

4 結 語

通過低溫再熱器化學清洗、再熱器煙氣擋板部分封閉，該超超臨界鍋爐低溫再熱器溫升偏高問題已解決，低溫再熱器氧化皮脫落治理目標已完成，1 000 MW超超臨界機組的低溫再熱器氧化皮的化學清洗尚屬首例，主要借鑒600 MW機組過、再熱器及1 000 MW機組過熱器化學清洗經驗，對1 000 MW超超臨界機組具有較高的借鑒意義。