600MW超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮生成機(jī)理研究

王　宇

（神華國(guó)華孟津發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471100）

600MW超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮生成機(jī)理研究

王宇

（神華國(guó)華孟津發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471100）

摘要：本文主要簡(jiǎn)述了600MW超臨界機(jī)組鍋爐的特點(diǎn)和鍋爐氧化皮生成的機(jī)理，以及防護(hù)措施。

600MW超臨界機(jī)組鍋爐；氧化皮生成；危害；防護(hù)措施

火電機(jī)組的發(fā)展朝著高參數(shù)、大容量的方向邁進(jìn)，近年來(lái)，600MW超臨界機(jī)組在全國(guó)各地展開(kāi)應(yīng)用。超臨界機(jī)組主蒸汽壓力超過(guò)（大于）臨界點(diǎn)壓力（22.115MPa）的鍋爐，具有很多優(yōu)勢(shì)，具有節(jié)約成本，環(huán)境污染小等特點(diǎn)。近年來(lái)，越來(lái)越多的火電機(jī)組爆炸事故發(fā)生，使得大容量機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行成為令人擔(dān)憂的問(wèn)題。超臨界機(jī)組鍋爐爆炸的主要原因是長(zhǎng)時(shí)間使用后鍋爐內(nèi)形成很厚的氧化皮，大面積氧化皮脫落堵塞通道口，突然的升降溫也會(huì)引發(fā)鍋爐爆管事故。要想降低鍋爐爆炸事故的發(fā)生概率，必須找準(zhǔn)原因，杜絕安全隱患。

1. 600MW超臨界機(jī)組鍋爐簡(jiǎn)介及優(yōu)勢(shì)

1.1 600MW超臨界機(jī)組鍋爐

600MW超臨界機(jī)組是一種大型燃煤火力發(fā)電機(jī)組。超臨界是指液體的壓力和溫度超過(guò)一定的值（水的臨界點(diǎn)是22.115MPa，374.15℃）時(shí)，流體會(huì)處于一種介乎于液態(tài)和氣態(tài)的中間態(tài)，稱為超臨界態(tài)。隨著溫度的升高，水分子的動(dòng)能增大，分子間距離逐漸變大；當(dāng)達(dá)到臨界溫度時(shí)，分子之間的距離大于液體水分子之間距離的上限，在這瞬間水由液體變成了蒸汽，之后的加熱繼續(xù)，水蒸氣溫度升高，分子間距離繼續(xù)加大，水蒸氣體積膨大，比容也變大。600MW超臨界機(jī)組鍋爐即是主蒸汽壓力超過(guò)（大于）臨界點(diǎn)壓力，輸出功率為600MW的鍋爐。

1.2 600MW超臨界機(jī)組鍋爐的優(yōu)勢(shì)

1.2.1 熱效率高，節(jié)約燃料。超臨界機(jī)組鍋爐的熱效率隨主蒸汽壓力、溫度的升高而升高，超臨界機(jī)組鍋爐比亞臨界機(jī)組熱效率提高2%～3%。

1.2.2 污染排放量低。超臨界機(jī)組鍋爐的排放物中NOx和CO2的排放量相對(duì)其他機(jī)組較低，對(duì)環(huán)境污染較小。

2. 600MW超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮生成

高溫高壓運(yùn)行狀態(tài)下的鍋爐爐管內(nèi)壁不斷發(fā)生氧化，逐漸形成氧化皮。運(yùn)行過(guò)程中，氧化皮厚度不斷增加，達(dá)到一定程度時(shí)由于外力作用下發(fā)生脫落，脫落的氧化皮在管中形成堆積堵塞。

2.1 超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮形成機(jī)理。高溫下，水蒸氣分解成H+和O2-，鍋爐爐管內(nèi)壁含有Fe2+、Fe3+、Cr3+。Cr3+離子具有較高的活性，與流通的高溫高壓蒸汽相遇，擴(kuò)散到爐管內(nèi)部，被氧化成Cr2O3，這層氧化膜保護(hù)了內(nèi)層的進(jìn)一步氧化。但是，隨著時(shí)間越來(lái)越久，這層氧化膜失去功效，表層Cr2O3氧化膜出現(xiàn)裂紋，基體中的鐵離子（Fe2+和Fe3+）向外擴(kuò)散，也被氧化成氧化皮，形成內(nèi)層Fe3O4，外層Fe2O3，的結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度超過(guò)570℃，基體中的鐵離子（Fe2+和Fe3+）繼續(xù)向外擴(kuò)散，蒸汽中的O2-向里擴(kuò)散，進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終形成由里到外FeO、Fe3O4、Fe2O3的3層氧化層，其中最主要的成分是FeO。由于FeO的物化性質(zhì)特點(diǎn)，金屬離子容易透過(guò)氧化層向外擴(kuò)散，使得其抗氧化性能大大降低。當(dāng)溫度增高時(shí)，F(xiàn)eO會(huì)越來(lái)越厚，當(dāng)氧化層達(dá)到一定厚度時(shí)，會(huì)發(fā)生破裂，氧化層與基體分離，造成基體進(jìn)一步被氧化。

2.2 超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮形成的影響因素

2.2.1 爐管材料。不同鍋爐爐管內(nèi)壁材料的抗氧化性能不同，抗氧化性能高的材料氧化速度慢；同一種材料在不同溫度下的抗氧化性能不同。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，氧化速度越快。

2.2.2 氧化皮厚度標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)氧化皮達(dá)到一定厚度時(shí)，氧化層與基體會(huì)分離，分離后會(huì)導(dǎo)致基體進(jìn)一步被氧化。不同材料的氧化層與基體分離時(shí)的厚度不同，不銹鋼為0.1mm，鉻鉬鋼為0.2mm～0.5mm。

3.鍋爐氧化皮生成的危害

3.1 影響鍋爐正常運(yùn)行。鍋爐爐管內(nèi)部的氧化皮會(huì)使主汽門(mén)卡澀，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致主汽門(mén)無(wú)法關(guān)閉，影響機(jī)組的安全停運(yùn)。疏松的氧化皮容易脫落碎屑，容易堵塞小管道、閥門(mén)等，給機(jī)組系統(tǒng)埋下安全隱患。

3.2 受熱不均勻。形成氧化皮的鍋爐內(nèi)壁，當(dāng)氧化皮達(dá)到一定厚度會(huì)與基體發(fā)生分離。發(fā)生分離的氧化皮部位局部受熱超溫。剝落的氧化皮部位一般在高溫段受熱面U型管底部彎頭或出口管中部，有些會(huì)在節(jié)流孔部位。局部的高溫受熱，會(huì)造成爆管。

3.3 其他。疏松的氧化皮在流動(dòng)的蒸汽流通時(shí)，一些氧化層碎屑隨著氣流流出爐管，固體顆粒碎屑會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的葉片等造成損壞，并且污染水質(zhì)。

4.防止鍋爐氧化皮生成的措施

4.1 管材選擇。鍋爐爐管的抗氧化性能與爐管材料有關(guān)，當(dāng)爐管內(nèi)層形成致密的Cr2O3氧化膜時(shí)可以保護(hù)內(nèi)層不被氧化。選擇好的合金材料，Cr含量高達(dá)20%的合金材料會(huì)生成致密穩(wěn)定的保護(hù)膜，增強(qiáng)爐管內(nèi)壁的抗氧化性能。一般來(lái)說(shuō)，TP347HFG、Super304H等合金鋼中Cr的含量較高。

4.2 管材熱處理。管材的熱處理方式影響Cr的擴(kuò)散速率，進(jìn)而影響爐管氧化強(qiáng)度。晶粒加工細(xì)化的管材會(huì)加快Cr的擴(kuò)散速率，加速Cr2O3保護(hù)膜的形成。對(duì)爐管內(nèi)壁鍍上一層Cr或用烙酸鹽溶液在305℃條件下處理48小時(shí)，也會(huì)減緩氧化層的形成。

4.3 合理使用加氧工況。鍋爐爐管內(nèi)壁氧化與爐管內(nèi)的水質(zhì)有關(guān)。根據(jù)使用的水質(zhì)的不同情況投入加氧工況。使用合理的方式在爐管內(nèi)壁合金上形成致密穩(wěn)定的雙層氧化膜，控制內(nèi)層合金的被氧化。

4.4 保證鍋爐正常運(yùn)行。嚴(yán)格控制受熱面蒸汽和金屬溫度可以幫助機(jī)組的正常運(yùn)行，延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命。嚴(yán)禁火爐超溫運(yùn)行，超過(guò)規(guī)定溫度時(shí)，鍋爐承受不住長(zhǎng)時(shí)間的高溫高壓，會(huì)加快鍋爐內(nèi)壁氧化，進(jìn)而導(dǎo)致氧化層剝落，引起爆炸。對(duì)地區(qū)負(fù)荷峰谷差、負(fù)荷落差較大的調(diào)峰機(jī)組，要控制好磨煤機(jī)的啟、停。

4.5 定期維護(hù)。每一種機(jī)器都有使用年限，在正常使用的年限里，定期維護(hù)，不能長(zhǎng)時(shí)間不管不顧。鍋爐啟用或者停用時(shí)不能快速的降溫或者升溫，容易造成危險(xiǎn)。

結(jié)語(yǔ)

600MW超臨界機(jī)組鍋爐在實(shí)際應(yīng)用中有很多優(yōu)點(diǎn)，但在強(qiáng)高溫高壓條件下運(yùn)行會(huì)造成鍋爐內(nèi)壁發(fā)生氧化。過(guò)厚的氧化層會(huì)給機(jī)組帶來(lái)危險(xiǎn)，因此要采取適當(dāng)措施，防止鍋爐內(nèi)壁過(guò)快氧化。加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理，保證機(jī)組在正常狀況下健康運(yùn)行。

[1]黃偉，李友慶，熊蔚立，等. 600MW超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器氧化皮脫落爆管原因分析及對(duì)策[J].電站系統(tǒng)工程，2008，29（4）：32-34.

TM621

A