超临界直流锅炉氧化皮脱落原因及预防研究

超临界直流锅炉氧化皮脱落原因及预防研究

发表时间：2019-07-09T11:45:52.833Z 来源：《电力设备》2019年第6期作者：陈强

[导读] 摘要：超临界直流锅炉是一个强耦合、非线性、多参数的复杂系统，迅速准确地测量出其水煤比是锅炉安全、经济、稳定运行的保障。

（国家能源集团国神集团店塔电厂陕西省神木市 719300）

摘要：超临界直流锅炉是一个强耦合、非线性、多参数的复杂系统，迅速准确地测量出其水煤比是锅炉安全、经济、稳定运行的保障。超临界直流锅炉一般是以汽轮机主蒸汽调节阀开度、锅炉给水量、燃料量作为输入，机组负荷、主蒸汽压力、主蒸汽温度作为输出的强耦合、非线性、多参数的复杂被控对象。

关键词：超临界；直流锅炉；氧化皮脱落；原因；预防

1、超临界锅炉

超临界火电技术由于参数本身的特点决定了超临界锅炉只能采用直流锅炉，在超临界锅炉内随着压力的提高，水的饱和温度也随之提高，汽化潜热减少，水和汽的密度差也随之减少。当压力提高到临界压力(22.12Mpa)时，汽化潜热为0，汽和水的密度差也等于零，水在该压力下加热到临界温度(374.15℃)时即全部汽化成蒸汽。超临界压力临界压力时情况相同，当水被加热到相应压力下的相变点(临界温度)时即全部汽化。因此超临界压力下水变成蒸汽不再存在汽水两相区，由此可知，超临界压力直流锅炉由水变成过热蒸汽经历了两个阶段即加热和过热，而工质状态由水逐渐变成过热蒸汽。因此超临界直流锅炉没有汽包，启停速度快，与一般亚临界汽包炉相比，超临界直流锅炉启动到满负荷运行，变负荷速度可提高1倍左右，变压运行的超临界直流锅炉在亚临界压力范围内超临界压力范围内工作时，都存在工质的热膨胀现象，并且在亚临界压力范围内可能出现膜态沸腾;在超临界压力范围内可能出现类膜态沸腾。超临界直流锅炉要求的汽水品质高，要求凝结水进行100%除盐处理。由于超临界直流锅炉水冷壁的流动阻力全部依靠给水泵克服，所需的压头高，即提高了制造成本又增加了运行耗电量且直流锅炉普遍存在着流动不稳定性、热偏差和脉动水动力问题。另外，为了达到较高的质量流速，必须采用小管径水冷壁，较相同容量的自然循环锅炉超临界直流锅炉本体金属耗量最少，锅炉重量轻，但由于蒸汽参数高，要求的金属等级高，其成本高于自然循环锅炉。

2、超临界直流锅炉运行条件 

锅炉运行方式：带基本负荷并参与调峰。制粉系统：采用中速磨煤机直吹式制粉系统，每炉配6台磨煤机（5台运行，1台备用），煤粉细度按200目筛通过量为75%。煤粉均匀性系数为1.1。给水调节：机组配置2×50%B-MCR调速汽动给水泵和一台30%B-MCR容量的电动调速给水泵。空气预热器进风加热方式：一二次风采用暖风器加热。空预器结构保证在各种负荷和环境温度下不出现冷端腐蚀。

3、超临界直流锅炉的特点

3.1技术特点

3.1.1良好的变压、备用和再启动性能 

锅炉下部炉膛水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，在各种负荷下均有足够的冷却能力，并能有效地补偿沿炉膛周界上的热偏差，水动力特性稳定；采用四只启动分离器，壁厚较薄，温度变化时热应力小，适合于滑压运行，提高了机组的效率，延长了汽机的寿命。 

3.1.2燃烧稳定、温度场均匀的墙式燃烧系统 

墙式燃烧系统的旋流燃烧器具有自稳燃能力和较大的调节比，在炉膛中布置的节距较大，相邻的燃烧器之间不需要相互支持；墙式燃烧系统的燃烧器布置为对称方式，沿炉膛宽度方向的热量输入均匀分布，因而在上炉膛及水平烟道的过热器、再热器区域的烟气温度也更加均匀，避免高温区受压元件的蠕变和腐蚀，有效抑制结渣。

3.1.3经济、高效的低NOX轴向旋流燃烧器（LNASB） 

LNASB燃烧器不仅能够高效、稳定地燃烧世界各地的多种燃煤，而且已经作为一种经济实用的手段来满足日益严格的降低NOX排放的需要。

3.1.4可靠性的运行性能 

直流锅炉在燃烧等方面的研究和应用上进行了大量工作，并对已投运的机组积累了大量的调试和研究数据。

3.2 结构特点 

本锅炉中、下部水冷壁采用螺旋管圈，上部水冷壁采用一次上升垂直管屏，二者之间用过渡集箱连接。螺旋管圈的同一管带中的各管子以相同方式从下到上绕过炉膛的角隅部分和中间部分，水冷壁吸热均匀，管间热偏差小，使得水冷壁出口的介质温度和金属温度非常均匀。因此，螺旋管圈水冷壁更能适应炉内燃烧工况的变化。在螺旋管圈水冷壁部分采用可膨胀的带焊接式张力板垂直刚性梁系统，下部炉膛和冷灰斗的荷载传递给上部垂直水冷壁，保证锅炉炉膛自由向下膨胀。布置于上炉膛的屏式过热器采用膜式管屏末端技术，使管屏平整防止结焦、挂渣。省煤器为H型鳍片管省煤器，传热效率高，受热面管组布置紧凑，烟气侧和工质侧流动阻力小，耐磨损，防堵灰，部件的使用寿命长。

4、超临界直流锅炉氧化皮脱落原因及预防措施

4.1超临界直流锅炉氧化皮脱落原因分析

4.1.1炉管材质

超临界直流锅炉炉管大多以合金为主，其中Cr的含量不同决定了不同炉管的耐热性和抗氧化性也存在较大的差异，如果在使用炉管时，需要根据不同的Cr含量要求安排不同的使用环境。如果没有根据炉管的使用环境进行合理的设计，就会使炉管在运行过程中发生温度过高、氧化过快等问题，加速氧化皮的生成，进而造成氧化皮脱落。

4.1.2管壁温度

很多已经生成氧化皮或者氧化皮脱落的炉管仍然被应用，可能会导致炉管局部温度过高，加速氧化反应的发生，当炉内温度过高时，炉管的温度也会在短时间内持续升高，氧化皮的厚度也会随之增加，当达到一定厚度时便会脱落。

4.1.3锅炉机组启停时形成的热应力

在锅炉启动和停止的过程中都需要较大的热负荷，才能使水循环达到锅炉启停所需要的流量标准，在热负荷的作用下炉管会有一短时

间处在高温、干烧的状态，这种情况下就容易导致炉管温度在瞬间升高，所以一般在锅炉启停时会配合相应的降温方法，使炉管的温度保持在稳定的状态，与此同时也会产生较大的热应力，加速氧化皮的生成和脱落。从目前超临界直流锅炉氧化皮的生成和脱落情况来看，大部分的氧化皮脱落都是由于热应力作用引起的。锅炉机组停止运行时，炉壁内部的温度降低，各项参数随即降低，使得热负荷瞬间降低，与机组运行的热负荷之间形成较大的落差，由此而产生的热应力就会加速氧化皮的生成和脱落。

4.2超临界直流锅炉氧化皮脱落预防措施

4.2.1加强材质的把关

超临界直流锅炉发生氧化反应和氧化层脱落与超临界直流锅炉的自身材料有着极其重要的联系，因此在对超临界直流锅炉的材料选择和设计时，必须做到科学合理，目前高晶粒度等级的钢材是较好的锅炉材料选择。现阶段，国内的锅炉制造材料多采用国内生产的钢材，然而目前国内生产的钢材在其晶粒度上和国外先进钢材的晶粒度还存在着一定的差距，所以在锅炉钢材选择要尽量选择晶粒度等级高的钢材。另外，除了晶粒度等级之外，锅炉制作材料的抗高温性和抗氧性也是非常重要的影响因素。因此超临界直流锅炉制造企业在对锅炉钢材的选择时，要积极引进国外的先进技术，提升我国钢料的晶粒度等级和抗高温性、抗氧化性。在超临界直流锅炉制造中必须严格把握质量关，提高制造工艺，避免焊接缝、厚度不均匀的问题。

4.2.2安装工艺的改善与焊接条件的控制

要保障超临界直流锅炉氧化层形成以及氧化层脱落问题的有效控制，在超临界直流锅炉的安装过程中就需要实现严格规范。首先，对于安装工人的专业技能、安装技术要有明确的要求，尤其是过热器、再热器等容易出现偏差的地方更要安装得特别精准；其次，在安装之前要再次确定锅炉炉体质量的过关，确定炉管内没有异物，确定安装环境的适合，在安装完成之后为了保障稳定性还需要对疏水管、炉管等重点设备进行检查；最后，在超临界直流锅炉焊接时要保障焊接质量，避免不同类型的钢材进行焊接，受到目前焊接技术和工艺的影响对异种钢进行焊接很难实现焊接质量保障，易出现受热不均等问题，导致锅炉氧化层的形成和脱落。

5、结束语

超临界直流锅炉高温受热面氧化皮的生成和脱落是普遍存在的现象，如果没有对其给予足够的认识和重视，采取有效的预防措施，就会使锅炉炉管的母材在长期高温运行条件下发生裂缝，导致管材内部金属暴露下氧化环境下，容易使炉管发生爆裂，不仅影响锅炉设备的正常运行，而且也会造成一定的经济损失，甚至是人员伤亡，所以对超临界直流锅炉氧化皮脱落的问题进行研究是十分必要的。

参考文献

[1]超(超)临界锅炉氧化皮脱落原因分析及防治措施[J].陈媛,王旭.华电技术.2013(01).

[2]锅炉高温受热面蒸汽侧氧化皮的形成及剥落机理研究进展[J].杨景标,郑炯,李树学,李越胜,邱燕飞.锅炉技术.2010(06).