超临界机组锅炉管内氧化皮防治课件

超临界超超临界机组管内氧化皮防治 大唐集团600MW机组年会议 华北电力科学研究院 张清峰 赵振宁 1 目 录 第一部分 氧化皮防治 1 氧化皮问题现状及危害 2 氧化皮的生成原因及生成防治（堵） 3 氧化皮的脱落防治（疏） 4 具体工作 5 进一步强化研究 6 结论 第二部分 壁温测点探讨 2 1 氧化皮问题现状及严重危害 1）1990年代，火电机组蒸汽温度突破超临界 540/566限制，超超临界火电技术出现， 蒸汽温度达到600 /600。 2）参数的提高使机组效率达到44-45%，供电 煤耗达到280g/kWh左右，节能潜力巨大，但 伴随着出现过热器、再热器氧化皮问题。 3）氧化皮主要造成两类安全性问题 管道的蒸汽侧氧化导致锅炉超温爆管 汽轮机叶片固体颗粒侵蚀（SPE） 3 氧化皮的形状 4 氧化皮在管内的堵塞情形 5 对汽机造成的损坏 6 2 氧化皮生成原因及防治 1）高温水蒸气具有氧化性 水蒸汽在570以上对钢材有较强的氧化性 ，在600620之间，氧化速度加快，不锈 钢氧化层会迅速增厚。 2）材料高温抗氧化性能相对不足 为了节省造价，锅炉设计时更多考虑材料 高温强度，采用粗晶不锈钢，如TP304、 TP347，没有充分考虑材料高温下抗烟气、水 蒸气腐蚀氧化的性能。 7 参数越高，氧化皮生成越严重 8 Cr含量对于钢材抗氧化性的影响 9 晶粒对氧化性的影响 10 喷丸处理SB的影响 11 目前防止氧化皮生成不可避免 1）超临界锅炉的过热热增加，流量减少，导致 过热器管径变细，长度变长，同时温度升高， 产生的氧化皮难以吹出，容易堵塞。 2）采用高Cr含量的钢材，或是同Cr含量的细晶 晶奥氏体不锈钢，或者进行表面镀铬、喷丸处 理，都会提高材料的高温抗氧化性能。 3）最好的办法当然是采用更高级别的钢材，防最好的办法当然是采用更高级别的钢材，防 止氧化皮的生成。但止氧化皮的生成。但材料价格异常昂贵，超出 电厂能承受的范围。 4）在目前情况下，氧化皮的生成不可避免，堵 是堵不住的 12 3 氧化皮的脱落防治（疏） vv那我们如何应对呢？这需要用到防治氧那我们如何应对呢？这需要用到防治氧 化皮问题的化皮问题的“ “中医疗法中医疗法” ”，包括三个步骤，包括三个步骤 ： 由我单位张清峰提出，并由外高桥电厂成功实施由我单位张清峰提出，并由外高桥电厂成功实施站在巨人的肩上的超越站在巨人的肩上的超越，中国电力报，中国电力报，2009,1,292009,1,29 一、尽管无法防止，但可以大大减少氧化一、尽管无法防止，但可以大大减少氧化 皮产生的条件；皮产生的条件； 二、生成的氧化皮，不能让它随意掉脱落二、生成的氧化皮，不能让它随意掉脱落 ，即减少氧化皮剥落的条件；，即减少氧化皮剥落的条件； 三、即时排毒，让氧化皮有控制的脱落到三、即时排毒，让氧化皮有控制的脱落到 外面去，不能堵管，不能损失汽轮机。外面去，不能堵管，不能损失汽轮机。 13 氧化皮脱落的原因及规律 1）钢材中含铁量越高，其管内氧化皮的膨胀系数与母 材越接近，氧化皮越不易脱落； 2）奥氏体不锈钢的膨胀系数比其管内氧化皮膨胀系数 大得多，在温度大幅变化时会产生巨大的内应力，导 致氧化皮龟裂和剥离，如TP304、TP347管内氧化皮 的稳定性不如T91。 3）升温过程中，管子内冷外热，氧化皮受到拉力为主 ，剥落机会较小，分散断裂机会较多。 4）降温过程中，管子冷氧化皮热，氧化皮受压力为主 ，容易与母材发生分裂，非常容易剥落。 5）统计表明：在350附近的降温过程发生剧烈剥落； 在较高温度下剥落的氧化皮为片状；在较低的温度下 剥落的氧化皮为粉状 14 3.1 减少氧化皮生成的热力条件 1）从设计、选型、制造、安装检修和改造等各 个环节，都保证设计的正确性，减少热偏差， 同时把握好酸洗、吹管等工艺；减少蒸汽侧管 路流量小的设备原因； 2）启停、运行、试验保证合理的炉内空气动力 特性，提高自动调节品质，保证动态燃水比耦 和性好，减少热偏差的外部因素； 3）保证壁温测点设计安装全面，并严格具有代 表性，使超温可以及时监测到；多种材料拼接 ，保证定值的合理性； 15 3.2 减少温差减少氧化皮脱落条件 1）主要方法是机组平稳运行，如限制升降负荷 的速度，设置AGC对电网升降负荷速率时要考 虑氧化皮的限制，与普通直流锅炉有所区别， 以保证受热面升温、特别是降温的速度等； 2）严禁止锅炉快冷，并尽或能减少高负荷非停 ，以免在热态启动前强制通风、快速消压等操 作造成锅炉快冷的效果； 3）蒸汽温度快降危害低于外部快冷。 16 3.3 即时排毒，适当时候吹扫 v氧化皮不能一直留在管子中，必须在适 当时候进行吹扫，使其不发生堵管，不 进入汽轮机。 v最合适的时机是启动冲转前的操作，设 计选择较大的管子弯曲半径 17 4 具体工作 强化启、停、运行管理，在建立完 善制度、正确制定措施、和严肃执行规 程的基础上，通过规范操作、精确控制 来防止超温和汽温突变避免问题。 18 4.1 机组运行中加强监控 a. 保持燃料的稳定，平稳运行，加强燃烧调整 （如降低火焰中心、严防结渣）和参数控制（ 燃水比、减温水），来减小炉膛左右侧烟温、 汽温偏差及各管减小热偏差，减少超温条件及 温度急变条件； b.运行人员加强受热面金属管壁温度的监视，出 现金属管壁温度报警，必须马上降低参数运行 直到超温报警消失，若降低温度运行后金属温 度还是超限,适当降低机组负荷，同时及时通 知锅炉运行专工并记录，进行专题研究。 c.优化吹灰，合理分配锅炉各段吸热；吹灰时必 须在一定的负荷以进行，减少吹灰的影响；机 组连续高负荷运行时，必须适时对炉膛水冷壁 和屏式过热器全面吹灰； d.机组升降负荷时控制主蒸汽和再热蒸汽温度变 化率小于1.85/min。 19 4.2 机组启动注意事项 a.严格按运行规程规定进行锅炉上水； b.加强机组启动前的冷、热态水冲洗；减 少机组频繁启停，减少机组负荷波动； 控制锅炉升降负荷速率，避免频繁启停 ，减少热冲击。 c.冲转前使用启动排汽进行蒸汽吹扫。 20 4.2 机组启动注意事项 d.严格按照锅炉启动曲线进行升温升压 。 太仓控制升温速率如下： 温度在0200时，升温速率小于5/min； 温度200300时，升温速率小于3/min； 温度300450时，升温速率小于2.5/min； 温度450以上时，升温速率小于1.85/min； e.严格通过控制燃水比控制负荷和汽温 ，合理使用减温水。 21 4.2 机组启动注意事项 启动过程中管壁异常处理原则： v发现管壁温度异常升高（包括异常降低 ）时，稳定燃烧工况运行，停止升温升 压； v受热面金属管壁温度出现报警，通过稳 定燃烧工况运行无法消除异常时，降低 燃料量或降负荷消除金属管壁温度报警 ； v若还是无法消除报警且存在上升趋势， 申请停炉对超温管子进行割管检查处理 。 22 a.合理控制降温速率。机组负荷200MW以上， 控制主蒸汽和再热蒸汽降温速率小于 1.85/min； b. 慎重使用减温水。机组负荷降至100MW以下 时关闭二级减温水，只通过一级减温水调节 主汽温； c. 合理停炉。闷炉概念。机组负荷降至200MW 时，快速开启高低压旁路降负荷至50MW， 手动MFT打闸停机；吹扫5分钟后，停止送引 风机运行，关闭风烟系统挡板。 d. 停炉后采用抽真空保养方式，按照锅炉抽真 空保养操作票进行。 4.3 机组停运注意事项 23 1）显性超温：壁温测点指示超过壁温定值 。 大面积超温：运行工况控制问题。 单点超温（偏差）：设计问题或者空气动力问题 。 2）隐性超温（内伤）：壁温测点指示没有 超过壁温定值，但有氧化皮出现、或者 发生管材老化现象。 定值不合理。 测点没有代表性。 内外差值问题。 4.4 防止出现隐性超温 24 4.5 强化检修和点检维护 a.逢停必查，确立制度。 b.停炉检修中不要随意敲打管子。 c.及时割管检查，由冷及热（到底超温没 有？哪里超温了？），由内及外（壁温测 点安装的对应吗？和金相符合吗？），仔 细总结规律，优化改进壁温测点和定 值，尤其对于隐性超温，务必深究（技术 ）。 d.选择合理检查手段，提高工作效率。 e.及时更换病管，中断致病条件，防止恶 性循环。 25 5 进一步加强研究 摸清锅炉受热面钢材料用情况，合理制定 正确的壁温定值，加强定值管理，加强 全过程监督，防止超温现象。 保证壁温测点设计的完整性、合理性，安 装的正确性，测量指示准确性。 水质监督及处理方式：保证水冷壁和受热 面内表面清洁稳定，保证良好的汽温特 性和壁温水平。 26 6 结论 超临界机组氧化皮问题的实质是：具体管材1在高 温、特别是超温2情况下，由水蒸气3氧化生成氧化层 ，在达到一定厚度4情况下，主要由于快冷5等原因造 成大面积集中脱落6，大量堆积使管内蒸汽流量减少或 者中断7，管内蒸汽冷却效果变差，导致再超温或短期 过热爆管8。 国内超临界机组锅炉设计和运行条件，决定其过热 器、再热器管内必然会产生氧化皮及其剥离；通过控 制氧化皮的生成条件，氧化皮的脱落条件，可以在很 大程度上减轻氧化皮控制在一定的范围之内。 超临界机组炉内管氧化皮问题，是锅炉机组防治四 管泄漏问题的一个专门课题，仍然服从锅炉问题的一 般规律，不是深不可测的神秘境地，在现有条件下， 通过技术和管理的提高，或者通过必要的技术改造， 可以防范和有效改善。 27 第二部分 壁温测点设置探讨 28 第一类传热恶化 由于外界热负荷非常大，壁面产生汽泡的频率越 大于汽泡离开壁面的频率，则使壁面产生汽泡来不及 离开壁面，在管壁内产生汽膜（汽泡由于来不及离开 壁面，而积聚在管内壁），使管壁温度急剧升高，而 产生传热恶化，此类传热恶化称为第一类传热恶化， 也称为膜态沸腾。 1）主要原因是热负荷极高，可能在过冷沸腾区产生该类 传热恶化。 2）产生该类传热恶化的热负荷非常大,产生管壁温度值 较高，导致管子爆破。 3）采用临界热负荷衡量，当热负荷低于临界热负荷，管 壁工况是安全的。当热负荷大于临界热负荷时，会出 现管壁温度超过规定值， 4 ) 电站锅炉正常运行时不太可能产生第一类传热恶化。 29 第二类传热恶化 第二类传热恶化发生在环状流动的末端，由于水膜被撕破或 被“蒸干”，出现管壁温度升高、传热恶化，放热系数a2值急剧下降 ，但其壁温的突升值不象第一类传热恶化（膜态沸腾）时那样高， 放热方式亦为强迫对流，由于工质流速大（含汽率x增大），又有 水滴可能撞击和冷却管壁，所以放热系数a2值比膜态沸腾时高。如 果热负荷还不太高，从传热观点来看是产生传热恶化，但从壁温来 看不一定超过允许值。只有当热负荷（或局部热负荷）高时，壁温 才超过允许极限值而使管子烧损。 虽然发生第二类传热恶化时壁温不一定超过允许值，但可能因 “蒸干”点位置经常变动，使某处壁温作周期性波动而导致管壁的疲 劳损坏，这也是为什么对直流锅炉及低循环倍率汽包炉来说，必须 重视第二类传热恶化的原因所在。电站锅炉主要重视第二类传热恶 化，特别是直流炉和低循环倍率汽包炉，在含汽率x值超过0.10.12 时，流动即可进入环状流动区域，因此电站锅炉实际能发生的第二 类传热恶化问题。 开始产生第二类传热恶化的含汽率通常称为界限含汽率Xjx，如 果管子出口（或循环回路出口）的含汽率x小于界限含汽率Xjx，则 不会发生第二类传热恶化，也即是安全的。如果管子出口（或循环 回路出口）的含汽率x大于界限含汽率Xjx时，则就有可能会产生第 二类传热恶化。 30 超临界类膜态沸腾 工质比容在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化，但工质温 度变化不大。压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热特性 逐渐减弱。工质比容的急剧变化必然导致膨胀量增大，从而引起 水动力不稳定或类膜态沸腾。在大比热区外，工质比热很小，因 而温度随吸热变化很大。根据超临界压力下工质的热物理特性， 控制下辐射区水冷壁的吸热量，使大比热区避开受热最强的区域 ，是超临界锅炉机组设计和运行的关键。 超临界压力下水冷壁管内可能发生的类膜态沸腾，主要是由于在管 子内壁面附近的流体粘度、比热、温导系数、密度等物性参数发 生显著变化引起的。这些物性参数随温度升高而剧烈下降，管中 心的流体粘度大，而壁面处的流体粘度降低，由此产生粘度梯度 ，引起流体边界层的层流化。同时在边界层中的流体密度降低， 产生浮力，促使紊流传热层流化。边界层中的流体导热系数降低 ，又使导热性差的流体与管壁接触，且壁面处的流体速度远低于 管中心的流体速度，在热负荷较大时就可能导致传热恶化。这种 现象类似于亚临界参数下的膜态沸腾。 31 壁温测点的设置 v过/再热器部位虽然烟气温度不是最高的，但里面的介 质温度比较高，并且蒸汽密度小，传热比水小，工作 环境最差、最恶劣。无论何种锅炉，过/再热器都要装 设壁温测点，以监测过热器金属是否超温。同时沿过 热器管排布置多点壁温测点，既可全面监视过热器运 行情况，也可有效判断各管子间是否存在热偏差，有 助于运行工况分析。 v直流锅炉（含超临界、超超临界锅炉），其水冷壁最 终的含汽率很有可能是100%，第二类传热恶化的条 件上肯定存在的。此外，各受热管管径小，长度差大 ，管程长，为了减少阻力偏差，往往通过节流圈进行 平衡，而节流圈的计算很难容易出现偏差，造成少数 管的条件，而水冷壁的材质远少于过、再热器，因此 ，其工作条件非常恶劣，因此，直流锅炉的水冷壁管 必须加装足够的壁温测点。 32 v炉内壁温测点会受炉内高温烟气对流热 和辐射热影响，使其数据偏高，测量不 准确，因此，壁温测点一般布置在炉外 热箱内。 v热箱内温度测点集热块结构套管结构。 而且在采用这种结构时必须做到：测点 保温；集热块与管壁三面满焊；热电偶 前段贴紧管子；压紧螺钉不直接接触热 接点。 33 34 测量规律 无论炉内/炉外的壁温测点都不能完全准确地反映炉内管 子外壁温度，其主要原因： 1) 炉内壁温测点受到高温烟气辐射热、对流热影响，其 反映值相对炉外测点温度偏高一些； 2）位于炉外管排上壁温测点不