煤矸石300MW 鍋爐高溫氧化皮脫落分析與預防

鄭潤輝

（遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112700）

現在隨著火電技術水平的發展，一大批大容量、高參數機組大量投入運行，但是在運行過程中或多或少會產生一定的氧化皮，在高參數下，爐管的焊件受到不同擴張力的影響會產生裂紋，使金屬直接暴露在氧化環境中，導致爐管氧化速度進一步加速，產生的氧化皮會附著在爐管表面，如果鍋爐管壁長期存在過熱現象，便可能容易發生爆管事故[1]，以及汽輪機主、調閥卡澀事故，威脅機組安全運行。通過討論火電廠金屬氧化皮產生的機理并制定相應的安全措施，對火電廠的安全運行具有很大的指導意義。

1 氧化皮產生機理

氧化皮生產原因、蒸汽氧化主要機理，其電化學過程如下：

在火電鍋爐熱力系統的環境溫度要求范圍內，鐵、給水、氧氣指標體系的吸附反應依照環境溫度區間及作用基本原理的區別，可以分為電化學變化及化學變化。在運行低溫區是電化學反應，金屬通過氧氣之間的一系列化學反應最終變成穩定的Fe3O4。隨著溫度的升高，高溫氧化的化學反應速度極速加快，Fe3O4氧化層呈現1%-15%的孔隙，由于孔隙的存在使Fe2+發生氧化，生成Fe2O3沉淀在Fe3O4層的縫隙里，堵住了Fe3O4膜的縫隙，進而使Fe2+氧化的速度變慢，在金屬表面生成穩定的雙層保護膜，高溫段的氧化膜一般統一叫做氧化膜[2]。

高溫蒸汽管內壁氧化薄膜應是個自然的過程，蒸汽水溫大于450℃才進入氧化范圍，開始時氧化薄膜演變很快，當氧化膜形成后反應速率變慢，但隨著運行工況的劇烈變化，以及管子母材和氧化膜各異的擴張能力，金屬表面的氧化膜能產生裂縫，裂縫的存在致使機體金屬直接暴露于氧化環境之中，加快了氧化的速度，隨著高溫高壓的持續，金屬管壁能持續被氧化，最終產生大量的氧化皮，氧化層亦開始向雙層、多層發展。

2 氧化皮脫落原因

2.1 影響鍋爐氧化皮脫落的因素

火電廠在運行過程中，蒸汽的溫度最高可以達到550℃～600℃，但是它的氧化范圍只為450℃～700℃，正好在機組運行參數范圍內，蒸汽通過分解變成氫氧原子以及氧原子，進而與鍋爐內壁金屬原子發生化學反應，生成金屬氧化皮，在機組運行的高參數下，當金屬氧化膜生成到0.05～0.1mm，即達到臨界值時，氧化皮會出現自然脫落現象，堵塞鍋爐爐管，嚴重時會發生爆管事件。通過對火電廠運行過程中金屬氧化皮產生的機理和脫落原因進行分析，進一步對機組運行過程中氧化皮的環境因素展開以下分析。

2.2 爐管材質因素

鍋爐爐管材質成分多且含量各異，T23、T91、TP347以及Super304H 的抗氧化性和抗氧化溫度也存在差異，在進行設計時要充分考慮實際情況，預留好富裕度，否則在運行過程中就會超過設計值，鍋爐爐管長時間溫度高于抗氧化溫度，進而在短時間內快速發生氧化現象，氧化皮超過臨界值，出現氧化皮脫落[3]。

表1

2.3 管壁溫度因素

對于已經脫落的氧化皮，一般通過查閱運行記錄，檢查蒸汽溫度是否超溫來驗證金屬氧化皮的生成，當運行工況溫度超過設計值時，就會在短時間內加快氧化速度，另一方面爐管氧化皮厚度變大，迅速達到臨界厚度，極易引起氧化皮掉落。

2.4 機組啟停時熱應力因素

鍋爐啟動時，一般熱負荷很大，水循環不能達到正常的流量規范，這時鍋爐管壁處于干燒工況，在這種情況下，應該及時噴減溫水來降低溫度，同時由于減溫水的應用，盡管降低了爐管溫度，但也會同步產生大量的熱應力，促進了金屬氧化皮的脫落。在汽輪機組停機時，容易出現參數波動大，鍋爐燃燒情況不穩定等問題，這些問題出現后，容易導致主再熱汽溫迅速下降，進而使金屬產生巨大的熱應力，在熱應力下使氧化皮脫落。綜上所述，火電廠機組在啟停過程中，主再熱汽溫變化大、溫升變化率大導致金屬內壁產生很大的熱應力，是引起爐管金屬氧化皮脫落的因素之一。

2.5 鍋爐BT 壓火，停爐不停機的影響

循環流化床鍋爐蓄熱量大，可以實現這種工況。調兵山電廠至2 號機組投產以來，每年都有不止一次的鍋爐BT 或壓火處理缺陷而短時間停爐不停機的運行工況。這種停爐不停機的短時間運行工況，為了不使汽溫、汽壓下降過快，汽輪機需要快速將負荷減到最低，并且旁路要保持關閉狀態。這樣通過爐管的蒸汽流量非常少，很有可能在爐管局部出現超溫現象，而這種超溫現象又無法監視到，在短時間內加劇爐管氧化的速度。

3 氧化皮脫落產生的問題

2010 年5 月遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司2 號機組投產運行，至X 年11 月高壓主汽門未發生過因爐管氧化皮脫落引起的卡澀，X 年12 月1 日機組發生事故造成全廠停電，機組雙停期間，機組跳閘后，由于循環流化床鍋爐雖然BT 跳閘，但由于其蓄熱能力強、過熱蒸汽減溫水失去、高壓旁路開度不夠（高壓旁路減溫水失去，開度過大時高旁后溫度超溫），導致高溫過熱器超溫（超過545℃）56 分鐘，最高溫度達到571℃，這樣加劇了高溫過熱器的氧化皮的形成、脫落，隨后在機組啟動后的運行過程中，1 號高壓主汽門在做定期試驗時多次出現輕微卡澀現象，在次年6 月2 日的定期活動試驗時1 號高壓主汽門卡澀嚴重，無法開至正常位置。在其后的機組小修中，將1 號高壓主汽門解體后獲取的卡澀物質送遼寧電科院檢查，證明是管壁脫落的氧化皮。

4 防止氧化皮減緩、脫落的技術措施

4.1 給水處理方式

當前國內給水處理方法主要有三種方法，分別是還原性全揮發處理AVT（R）、弱氧化性全揮發處理AVT（O）和加氧處理OT[4]，在實際運行過程中，根據機組型式、材料特性等制定相應的運行規范。

4.2 調兵山電廠給水處理方式

調兵山電廠采用[AVT（O）]即機組給水只加氨的處理，機組爐水采用爐水固體堿化劑處理，根據運行情況來看，機組基本無腐蝕情況發生，通過檢修期間對兩臺機組水冷壁割管檢測情況，我廠均屬一類情況。

4.3 機組啟動

1.確認除氧器水質符合要求，鍋爐可以進行上水。鍋爐上水過程中控制上水量80～120t/h，夏季不小于2小時，冬季上水時間不小于4 小時，上至點火水位。

2.啟動煙風系統，檢查機組具備點火條件。

3.根據要求投入風道燃燒器運行，控制出口煙溫不大于900℃，鍋爐的床溫升溫速率不得超過100 ℃/h。逐漸增加油量，原則上控制升溫速度不大于1.5℃/min，升壓速度：4.0MPa以下0.01MPa/min-0.03MPa/min；4.0MPa以上0.02MPa/min-0.05MPa/min。具體按升溫升壓曲線進行。

4.床溫380℃檢查給煤線，床溫400℃對稱投入2、3 號給煤線（前給煤口），1、4 號給煤線（后給煤口）點動給煤，燃燒后逐漸升溫至520℃，逐漸減少油量。床壓不再繼續下降時二次風量改為上小下大，控制高過入口溫度500℃。投煤燃燒穩定后，根據需要緩慢投入高再低過外置床各風室流化風量，緩慢暖外置床，定期開灰控閥。

5.汽壓升至4.2MPa，過熱汽溫340℃，再熱汽壓力：0.8MPa 再熱汽溫260℃，蒸汽品質合匯報值長，具備沖轉條件，利用高低旁路控制機組壓力。

6.暖機時中壓主汽門前蒸汽溫度達260℃時，開始計算暖機時間 ≮ 3 小時，原則上控制主汽溫升溫速度≯0.25℃/min，再熱汽溫≯0.2℃/min，但主汽溫度不得超過427℃，再熱汽溫不得低于260℃。

7.暖機后結束后升速定速緩慢增加給煤，高旁仍保持80%以上，低旁60%以上，保持壓力穩定，緩慢投入中過外置床。

8.并網立即關閉減溫水門氣溫逐漸上升，關高低旁控制壓力上升，帶初負荷15MW 維持10 分鐘，緩慢增加機組負荷。

4.4 機組停運

1.機組主蒸氣、再熱蒸氣的降溫速率：＜1℃/min。

2.機組主蒸氣、再熱蒸氣的降壓速度：＜0.098 MPa/min。

3.汽輪機缸體金屬的溫度下降率：＜1℃/min。

4.機組主蒸氣、再熱蒸氣的過熱度：＞56℃。

5.機組主蒸氣、再熱蒸氣的溫度差值小于30℃。

6.負荷下降速度：＜3 MW/min。

7.汽輪機調節級后面的蒸汽溫度，不得低于高壓內缸金屬溫度30℃，若低于則暫時停止降溫。

8.按照機組滑參數停機的要求控制床溫不大于100℃/h，床溫490℃以下停止風機運行，關閉送風引風機進出口擋板封閉爐膛進行悶爐，防止受熱面快速冷卻。六小時后，開啟兩臺二次風機和兩臺引風機出入口擋板，全開上二次風風量擋板，然后根據汽包壁溫差調整上二次風擋板開度。

9.如果遇到特殊情況，當床溫降至200℃左右時，可執行快速冷卻措施。

4.5 機組正常運行汽溫變化規定及異常處理

嚴格執行主、再熱蒸汽溫度異常的運行規定，不斷完善熱工自動控制系統，對給水、一、二級減溫水、再熱器溫度自動、負荷控制邏輯不斷進行改進，減輕系統溫度的周期性波動幅度和速率。

1.正常控制主汽溫度：541+5 或-10℃，再熱汽溫：541+5 或-10℃。

2.主、再熱蒸汽汽溫上升至551℃，應匯報值長，鍋爐盡快恢復必須立即采取一切手段進行調整降溫，且異常升高至546℃～551℃之間全年累計運行時間不得超過400 小時。

3.主、再熱蒸汽汽溫上升至565℃，連續運行時間不得超過15 分鐘，否則應匯報值長不破壞真空故障停機，并且異常升高至551℃～565℃之間全年累計運行時間不得超過80 小時。

4.主、再熱蒸汽汽溫上升超過565℃，應立即匯報值長不破壞真空故障停機處理。

5.主、再熱蒸汽汽溫下降至525℃，應及時進行調整恢復；下降至510℃，應按相應的規定進行減負荷，并適當降低汽壓，保證蒸汽過熱度不低于120℃，并匯報值長；下降至460℃，雖經減負荷至零仍不能恢復并繼續下降至454℃時，應匯報值長不破壞真空故障停機處理。

6.主、再熱蒸汽溫度異常時，應迅速采取措施恢復汽溫至正常，在處理過程中，若汽溫在10 分鐘內急速下降超過50℃，應立即匯報值長，按不破壞真空故障停機處理。

7.汽溫下降減負荷過程中，應適當降低主汽壓力以保持蒸汽過熱度不小于56℃，否則立即匯報值長按不破壞真空故障停機。

5 結語

總之，在機組運行過程中，應加強鍋爐爐管金屬氧化皮的監管，在運行過程中要嚴格按照規范操作，及時調整汽溫、汽壓，防止溫度超過規定值，加速金屬氧化皮的生成，同時，在運行過程中，應該避免鍋爐熱負荷短時間內大幅度波動、負荷大幅度波動；在機組停運后，要堅持逢停必檢的原則，針對鍋爐本體及高溫蒸氣管道進行氧化皮狀態檢查、清理，降低機組運行過程中由于氧化皮的存在造成事故發生的概率。