超临界锅炉氧化皮原因分析与防治措施的探讨

在超临界锅炉运行，氧化皮生成不可避免，从氧化皮问题的产生的机理、原因、特点、危害、防控措施等方面深刻认识该问题的实质，提高超临界机组运行、维护和检修的水平，制定适合本厂机组特点的防控措施。

1　机组概况

山西河曲电厂二期锅炉为哈尔滨锅炉有限公司生产的2×660MW超临界直流炉、一次再热、墙式切圆燃烧、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。

燃烧方式采用水平浓淡低NO_x四墙切圆燃烧技术。燃烧设备设计煤种和校核煤种均为河曲烟煤，制粉系统采用钢球磨煤机一次风正压直吹系统，煤粉燃烧器为四墙布置、切圆燃烧。

运行方式：定一滑一定方式运行。负荷性质：带基本负荷并调峰运行。

表1　锅炉容量及主要参数

2　锅炉氧化皮形成原因

根据奥氏体不锈钢在超临界以上参数的锅炉中使用特性，其抗氧化性较弱，温度越高，高温氧化的速度就会加快，氧化高峰期到来的越早，在实际运行中越容易造成受热面氧化皮的大面积脱落造成堵塞爆管的事故。有的厂由于受热面运行超温，以及锅炉启停时温度升降过大，锅炉保养不好，不足10000小时就会发生氧化物大面积快速脱落－－堵塞爆管的事故（国内机组高峰期最早的在2700小时左右）。

超临界锅炉高温受热面采用马氏体钢、铁素体钢和奥氏体钢材料后，因此管道内壁在高温高压水蒸汽作用下生成氧化皮是不可避免的。

氧化皮的主要成分是大量Fe₃O₄和少量Fe₂O₃。而铁氧化物Fe₃O₄，与奥氏体不锈钢母材晶格形式、热膨胀系数之间有较大差异。运行中，管内壁产生氧化皮生长到一定厚度时，在机组启停过程中，在管道温度变化较大时，由于氧化皮与受热面热膨胀系数相差较大，氧化皮就很容易从金属本体剥落。当剥落物堆积到管排下部弯头部位时，将引起受热面管路堵塞而引发超温爆管；当剥落物随主蒸汽进入主汽阀会造成主汽阀卡涩；当剥落物进入汽轮机通流部分将发生固体颗粒冲蚀。防止氧化皮脱落对亚/超(超)临界机组安全、稳定、经济运行，具有十分重要的意义。

氧化皮产生的主要原因： 高温氧化。其他的为原因：锅炉长时间运行、汽水品质、运行操作习惯、锅炉构造及其他因素。超临界机组正常运行主蒸汽温度（571℃）此时炉内钢管实际温度（571℃＋50℃＝621℃）。因此，锅炉设计应用SA-213T91、SA-213TP347H、等不锈钢材料。当蒸汽温度在566℃以上时不锈钢管料就会发生所生成的氧化皮剥落事故，特别是超临界锅炉不可避免产生氧化皮脱落堵塞管道，检修时必须检查。超临界机组正常温度运行（571℃），根据奥氏体不锈钢使用特性，氧化物高峰期应在13000小时左右就会出现脱落堵塞管道。受热面温度越高，氧化越快，越容易造成氧化物在运行中大面积的快速脱落造成管道堵塞爆管。超临界机组超温运行（≥571℃），此时炉内钢管温度（571℃＋50℃≥621℃），就会加速高温氧化。炉内钢管就会一直产生高温氧化、一直脱落、随着蒸汽带走，一般不会发生氧化物堵塞爆管。但是会冲刷损坏汽轮机叶片、喷嘴、隔板等部件。

3　氧化皮的脱落

3.1　停炉时

因为不锈钢的线膨胀系数为2.1×10^-5，氧化物的线膨胀系数为0.9×10^-6，膨胀系数不同，氧化物脱落无法避免。由于不锈钢在运行时内壁已有大量的氧化物存在，不锈钢和氧化物的膨胀系数又相差较大，而在冷却时不锈钢收缩快，氧化物收缩慢，因此造成氧化物-挤碎-脱落-沉积。

3.2　启炉时

由于不锈钢在运行时内壁已经有了大量的氧化物存在，在停炉时已经破碎，不锈钢和氧化物的膨胀系数相差较大，但不锈钢的膨胀速度快，氧化物的膨胀速度慢，氧化物破碎量小，一般不会造成氧化物的大面积脱落。氧化物脱落量小，一般不会造成堵塞爆管。

4　防止氧化皮脱落的具体措施

4.1　启动阶段

（1）启动初期，利用高压辅汽提高除氧器的给水温度，保证锅炉上水温度达到110℃，加强水质监督。严格按照机组运行规程规定进行锅炉上水操作，控制上水速度150t/h左右，锅炉上水温度与汽水分离器壁温差＜110℃。

（2）在机组启动过程中严格按照规程的要求进行冷态、热态分步冲洗，冷态冲洗水质不合格不允许进行锅炉点火，锅炉热态冲洗水质不合格不允许锅炉进行升温升压。

（3）机组启动时，利用高低压旁路系统将氧化皮吹扫到凝汽器，监测凝结水的含铁量≤500μg/L，方可以投入凝结水精处理，凝结水回收。

（4）机组启动时，锅炉燃料量的投入不可过快，尽量维持磨煤机的最小给煤量，按锅炉启动曲线进行升温升压，控制温升率在饱和温度＜100℃时，温升速率≯1.0℃/min，汽机冲转前温升速率≯1.5℃/min，机组并网后升温速率控制≯2.0℃/min。

（5）锅炉启动时保证主蒸汽的压力和流量，汽机冲转前维持主汽压力在5.0MPa以上，主蒸汽流量≮450t/h，通过适当开大高低压旁路系统，有效吹扫过、再热蒸汽管道内积存的氧化皮。

（6）通过瞬间开关旁路，变压力和流量对主、再热器管道进行吹扫，吹扫期间密切关注凝汽器水质含铁情况的变化。

（7）机组在冷、热态启动过程中严格按照不同启动状态的升温升压曲线控制蒸汽温度。在机组热态启动过程中，为防止受热面金属壁温降低，锅炉的烟风系统要与其他系统同步进行启动。烟风系统启动后控制炉膛通风总风量为35%，在炉膛通风吹扫结束立即点火，点火后要尽快投入锅炉燃料量，控制屏过、高过、高再各受热面的温升速率为≯3℃/min，防止受热面金属壁温降低。

（8）锅炉从点火启动到发电机并网带初期负荷阶段，除控制好锅炉升温升压速率外，还要尽量避免主、再热汽温出现大幅波动的现象，减小汽温变化的幅度，防止氧化皮脱落。

（9）机组冲转前使用一级减温水控制主汽温，不得使用二级减温水，并网后低负荷阶段控制二级减温水流量，投用减温水过程中必须严密监视和控制各管壁温度波动情况。锅炉启动过程中再热器减温水原则上不允许使用，以烟气调节挡板控制再热汽温为主。防止减温水投入后因受热面金属管材内形成的氧化皮与管材金属的膨胀系数不同造成氧化皮的大幅开裂及脱落。尽可能的通过配风调整进行烟气温度调整来达到汽温调整的目的，尽可能的不用减温水。

（10）干湿态转换过程是锅炉受热面氧化皮脱落的高峰时期，各级壁温尤其时垂直管在炉水循环泵的退出运行给水流量波动较大，因此，此时应保持给水流量稳定，缓慢增加锅炉燃料量，使锅炉由湿态平稳过渡到干态运行，不要在临界区域长时间停留，避免锅炉干湿态反复转换造成汽温大幅度的波动。锅炉转态过程尽可能的平稳不要给水、负荷、壁温、过热度等高参数频繁多次的波动造成氧化皮脱落。

（11）监视各受热面温度在许可范围内并有一定的余量，垂直管段在420℃以下，屏过后温度530℃以下，高再后温度569℃运行。监视末过壁温≯590℃、高再壁温≯610℃，如有超温现象要降参数运行，并及时对整个燃烧系统进行燃烧调整。

4.2　热态启动

（1）尽量缩短从风机启动到启磨投粉的时间，尽快提升炉内烟温，直到烟温不再继续下降，避免受热面壁温的大幅度下降。

（2）其他措施参照冷态启动执行，带负荷时尽快恢复到缸温对应负荷。

（3）注意减温水投入时机和使用量不能过猛，避免汽温大幅波动。

4.3　正常运行

（1）严格控制锅炉各受热面蒸汽和金属温度，严禁锅炉各受热面超温超压运行。

（2）由于受热面可能存在较大的热偏差，各受热面蒸汽和金属温度按要求进行控制，各受热面蒸汽温度的控制要服从金属温度，金属温度超温时要降低蒸汽温度运行。

（3）锅炉运行过程中，控制过热器出口蒸汽温度偏差左右两侧≯5℃，高再出口偏差≯10℃，屏过出口温差≯10℃，且按运行中温度高点控制蒸汽温度，发现汽温、壁温异常时及时采取措施处理。

（4）机组加减负荷时控制负荷变化率≯9MW/min，温度波动≯2℃/min。

（5）制粉系统启停及切换过程中不要扰动过大，要平稳，燃料量、风量调整，尽可能的缓慢操作，不能大幅波动。

（6）运行中发现金属温度超过允许值，要通过燃烧调整，降低蒸汽温度，当出现金属温度普遍超温经调整无效，要降低负荷处理仍无法恢复到壁温允许值以下要做好停机准备；任何时候都不允许受热面金属温度和蒸汽参数长时间超过允许值运行。

（7）利用对锅炉的蒸汽超温和金属温度的情况进行定期分析，作为机组检修的参考数据。

（8）建立超压超温台账，定期进行分析根据超温情况进行调整。

4.4　停机阶段

（1）控制汽温汽压按规程规定，严禁压力、温度波动过大，降温速率为1.5℃/min，最大≯1.85℃/min。

（2）机组正常停机过程中要尽可能通过配风调整降低减温水用量禁止投入减温水，尤其减负荷200MW以下杜绝使用各级减温水。

（3）分离器压力1.0MPa以下，锅炉进行带压放水，使过热器、再热器管管道处于蒸干状态。

（4）锅炉停运后需进行抢修时，当过热器金属温度和烟温探针温度均降至180℃以下，方可开启风机动叶和各风门挡板自然通风冷却。若需启动引风机强制通风，必须满足锅炉闷炉18小时后经总工程师或生产副总经理同意批准，启动一台引风机通风冷却，同时锅炉本体各人孔门和看火孔应保持关闭状态。

（5）停炉后对受热面管进行抽样检查和管屏割管检查，时间充足要进行全面检查。有氧化皮沉积及时进行清理和处理。

5　其他注意事项

5.1　点火前

（1）为防止启动期间的烟温偏差导致受热面超温，可启动双侧风烟系统。

（2）锅炉点火前尽量将给水温度提高至110℃，点火后随着燃烧率和给水流量的增加，及时调整冲洗水流量，整个启动过程中，应保证除氧器的给水加热用汽量。

（3）点火前总风量的控制不大于总风量的30%（750t/h）。布袋除尘器通风干燥对防止氧化皮脱落有一定困难。

5.2　初期暖炉

（1）点火初期给水流量维持在450t/h，之后随着燃料量的增加，缓慢平稳的增加给水流量，汽机冲动前给水流量加至500t/h。期间禁止给水流量的大幅扰动，并严密监视锅炉水冷壁温度的变化，任意管壁间温差大于50℃时，应立即采取增加给水或减少燃料来控制温差继续增加。

（2）点火磨煤机的启动煤量尽量放低，并及时对等离子系统进行调整保证燃烧充分。

（3）锅炉点火后，严格控制温升速率，分离器出口温度小于100℃前，温升速率为1.0℃/min，分离器出口温度大于100℃后温升速率≯1.5℃/min，任何时候温升速率≯2.0℃/min。

（4）过热汽见压后，逐渐开启旁路，整个启动过程中维持高旁开度在较高的水平，防止过热器蒸汽通流量过小引起超温。

（5）暖炉期间严密监视分离器出口温度变化率，控制分离器出口温度变化率≯1.5℃/min。

（6）过热器出口温度升高较快时，可适当少量投入一级减温水，严禁投用二级减温水。

（7）适当开启上层燃烧器辅助风门，以降低过热器温度。

（8）当温度变化率较大时，可以适当调整总风量通过降低炉膛出口温度进行汽温调整。

6　机组停用保养

（1）在维护过程中主要是检测内壁氧化皮厚度和氧化皮脱落后堆积状况，清理堵塞在受热面管内的氧化皮，同时维护好壁温测点与减温水调节阀门。机组在停（备）用过程中，按照行业规定DL/T 956的相关规定采取防锈蚀措施。

（2）对屏式过热器、高温过热器、再热器进行氧化皮的监督检查，做到“逢停必检”。对于无损检查发现氧化皮较厚或氧化皮堆积较多的管段，应进行割管清理。检查的内容应包括外观、内壁氧化皮厚度、胀粗、变形量、壁厚、、下弯头氧化皮堆积情况等，如需割管检查，应利用检修机会及时发现和处理。

（3）当受热面更换新管时，必须检查更换前必须对新管材料材质和焊材材质，焊口清洁。割管后管口要及时封堵避免杂质落入。

（4）锅炉停炉检修时，检查吹灰器区域管子是否存在吹灰器蒸汽冲刷或吹灰时蒸汽带水现象，如果有吹损水印痕迹就要及时提醒运行人员加强吹灰时疏水，保证蒸汽疏水温度，避免蒸汽带水导致管材急速冷却发生氧化皮脱落。

（5）加强对各减温器的调门和闭锁阀的检查和修理，确保严密不泄漏。

（6）当锅炉进行水压试验时，必须在积水烘干应控制高温受热面同屏各管热偏差不超过40℃。

（7）在机组抢修事故处理时应注意氧化皮脱落问题。应注意控制锅炉蒸汽温度下降速率；维持正常的闷炉时间，不能过早进行锅炉通风冷却。

（8）每次检修更换的新管，如采用氩弧焊焊接工艺，要求：填塞的水溶纸要合格，溶解性好，填塞水溶纸时，水溶纸位置距离焊口约200-300mm。

（9）对于投产后较短时间内就发生严重的氧化皮问题的机组，机组大修时需对锅炉重新进行严格地酸洗和吹管，以保证彻底清除氧化皮（必要时安装临吹管道）。

（10）合理制定各受热面壁温报警定值，增加管排上的壁温监测点，加强对受热面壁温的监视，进行全炉膛壁温监视。

（11）加强汽水监督，防止水质恶化现象的发生。保证锅炉水冷壁和受热面内表面清洁稳定，良好的汽温特性和壁温水平。

7　结语

河曲电厂防治蒸汽管束内氧化皮堆积取得了初步的成果，避免此类原因引起的锅炉爆管，有力地保证了机组的可靠性和可用率，实现锅炉的安全经济运行。同时，它也给同类型锅炉处理类似事件提供了范本，有明显的借鉴意义。

参考文献

[1]银龙，毕法森，何洪利．超临界机组氧化皮的产生与预防[C]．全国火电大机组（600MW级）竞赛第9届年会论文集．

[2]程玉贵，等．锅炉过热器氧化膜脱落原因分析及对策[C]．全国火电大机组（600MW级）竞赛第12届年会论文集．