超超临界机组蒸汽氧化及固体颗粒侵蚀的综合防治

第４０卷第１期２００７年１月中国电力ＥＩ．ＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲＶ０１．４０．Ｎｏ．１Ｊａｎ．２００７’越越瞄雾棍继薰簿售誊舷震圃体籁糍侵麟酾鳔畲瞬潘冯伟忠（上海外高桥第Ｅ－发电有限责任公司，上海２００１３７）摘要：论述了超超临界机组所面临的突出问题——管道的蒸汽侧氧化及汽轮机叶片的固体颗粒侵蚀（ＳＰＥ）的产生及对机组的危害，阐述了对ＳＰＥ进行全方位全过程综合防治的思路：通过锅炉的合理选材，选择塔式炉，配置大容量旁路．采用无调节级汽轮机及合理的进汽结构，对汽轮机叶片作抗冲蚀处理，大幅降低热控保护的误动概率及锅炉强停次数．选择合理的启动和运行方式，慎用减温喷水等，能显著降低锅炉蒸汽侧氧化及氧化皮脱落造成的危害．极大地缓解汽轮机的固体颗粒侵蚀问题。

关键词：超超临界机组；蒸汽氧化：固体颗粒侵蚀；塔式锅炉中图分类号：ＴＫ２６３．３：ＴＭ６２１．８文献标识码：Ａ文章编号：１００４．９６４９（２００７）０１．００６９．０５０引言２０世纪９０年代，随着材料技术的突破．以蒸汽温度６００ｏＣ为标志的超超临界火电技术已被广泛接受．目前．更高温度等级（大于７００ｏＣ）的材料已在研发和试验中。

伴随着超超临界发电技术的发展，特别是温度参数的提高，新的技术问题又摆到了面前。

其中一个会Ｘ＇－ｔ机组安全和经济运行产生严重威胁的突出问题——管道的蒸汽侧氧化及由此引起的汽轮机叶片固体颗粒侵蚀（ＳＰＥ）…需引起特别注意。

ＳＰＥ是超（超）临界机组面临的主要问题，压力和温度越高，这一问题越严重。

ＳＰＥ较多发生在锅炉启动阶段．因锅炉受热面受热冲击引起管子汽侧氧化铁剥离．剥离的氧化物根据其质量、形状的不同及该处蒸汽动量的大小，或图１被固体颗粒侵蚀的叶片Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｅｒｏｄｅｄｂｙｓｏｌｉｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ在管内沉积．或随蒸汽运动并形成固体颗粒．使汽轮机调节级和高、中压缸第１级叶片产生侵蚀。

另外，机组长期低负荷运行也会出现ＳＰＥ问题。

沉积的氧化物会危及炉管的安全运行．严重的将导致过热器、再热器管爆破。

高速运动的氧化物产生的金属颗粒侵蚀会使汽轮机级效率迅速下降．甚至危及叶片的安全运行。

美、日等国在这方面都有很多经验教训，许多超（超）临界大机组在投产若干年后．由于严重的ＳＰＥ而不得不更换调节级和中压缸第１级动、静叶片。

图１为被固体颗粒侵蚀的叶片。

１蒸汽氧化和固体颗粒的产生及后果１．１蒸汽氧化及固体颗粒的产生在高温环境下．水蒸气管道内会出现水分子中的氧与金属元素发生氧化反应，称为蒸汽氧化。

当金属的工作温度大于５７０ｃｃ时，铁的氧化速率会大大增加。

对于抗氧化性能良好的合金钢，因铬、硅、铝等合金元素的离子更容易氧化．会在管道表面形成结构致密的合金氧化膜并阻碍原子或离子的扩散．大大减缓氧化速率。

随着时间的推移，氧化层还会逐渐增厚．当然．其氧化过程将按对数规律而逐步趋于收敛。

对于同一种合金钢材，工质温度越高。

蒸汽氧化作用就越强。

另外．管道的传热强度（热通量）越高，管道的平均温度越高．其蒸汽氧化作用也越强。

蒸汽侧氧化层出现后．相当于管内结垢，这又提高了管壁的平均温度．从而又加速了蒸汽氧化。

氧化层的热膨胀系数与母材不同．且导热系数远比母材低。

在锅炉启动阶段，特别是锅炉带负荷跳收稿日期：２００６—０９—０４；修回日期：２００６—１０－２８作者简介：冯伟忠（１９５４一），男，上海人，高级工程师，副总经理，从事电厂基建工程及生产技术管ＮＴ作。

Ｅ－ｍａｉｌ：００２＠ｗｇｑ３．ｃｏｍ６９；万方数据中国电力第４０卷闸后的重新启动．其受热面会受到较大的冷热冲击．在此阶段．管子内侧的氧化层较易松动或脱落。

一定厚度的氧化皮脱落时一般呈片状，若能被蒸汽吹离．则会沿蒸汽流向运动并逐步加速．由于其单位质量远大于蒸汽．在管子弯头处蒸汽转向时．氧化皮在离心力作用下会撞向管壁．出现变形或破碎．其比表面积增加并更易被加速．而后在蒸汽的推动下沿内壁转向．到直管段后再次被加速．直至撞向下一个转弯处。

从过热器、再热器到汽轮机，脱落的氧化皮跟随蒸汽要经过很多次转向．在此过程中不断重复上述运动，反复被加速、撞击、变形和破碎，最终成为许多呈颗粒状的氧化金属。

不过，脱落的氧化皮若较厚，在Ｕ型布置的过热器、再热器的向上管段内．蒸汽的动能有可能不足以克服其重力并将其冲出垂直段．则氧化皮会沉积于Ｕ型管的底部。

从而增加该管段的阻力．造成此处的蒸汽流量下降．并使该段金属温度升高，氧化加速。

在下一次启动或其他原因的冷热冲击时再次发生氧化皮脱落．将更减少此处的蒸汽流量及其对管子的冷却能力．进一步加剧氧化皮脱落．在此处形成恶性循环，严重的甚至会堵塞该段管子并导致爆管。

事实上．国内外已出现了较多的此类案例．图２是国外某１０００ＭＷ超超临界锅炉从阻塞的炉管中取出的氧化皮。

图２从阻塞的管子中取出的氧化皮Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｔｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｔａｋｅｏｕｔｆｒｏｍｔｈｅｂｌｏｃｋｅｄｔｕｂｅ１．２固体颗粒对汽轮机叶片的侵蚀一般情况下．管内的蒸汽设计流速小于６０ｒｒｄｓ．蒸汽中携带的金属颗粒的动能及对管道内壁的侵蚀较为有限。

但当金属颗粒进入汽轮机静叶后，流道内的蒸汽热能（焓）转换为速度能，出口流速可达甚至超过音速．导致金属颗粒被大大加速．其具有的动能可能对静叶出汽边和动叶产生严重的侵蚀．速度越高．侵蚀率越大．且侵蚀率与颗粒运动速度的３次方成正比。

此外．侵蚀率亦与金属颗粒对叶片表面的入射角有关．研究表明．当入射角达２０～２．５０时侵蚀率７０ｊ达最高值。

流动蒸汽对物体（颗粒）的加速力与蒸汽的密度正相关．而蒸汽的密度与压力近似呈正比。

当颗粒进入汽轮机叶片流道后．被不断加速的蒸汽流加速直至撞向叶片壁面。

显然．即使蒸汽流速、运动路程等其他物理条件相同．超临界机组金属颗粒最终的撞击速度也将明显高于亚临界机组。

另外．对于带调节级的机组．超临界机组的调节级焓降．尤其是部分进汽方式下的焓降远高于亚临界机组．故超Ｉ临界机组的喷嘴出口蒸汽流速亦远高于亚临界机组．这使得超临界机组调节级出口的颗粒运动速度远高于亚临界机组．故超临界机组的侵蚀问题必然更为严重。

２蒸汽氧化及固体颗粒侵蚀的综合防治根据对蒸汽氧化、氧化皮的脱落及固体颗粒的产生、输运及最终造成对汽轮机叶片的侵蚀过程的分析认为．相应的防治工作应沿着产生这一问题的全部环节展开。

总体思路为：应设法防止和减缓高温蒸汽金属氧化物的生成：对已生成的金属氧化物应避免其脱落：对已脱落的金属氧化物应尽快予以清除：对未能清除的金属氧化物应尽量减轻其对汽轮机叶片的破坏等。

２．１主设备选型２．１．１锅炉首先是降低蒸汽氧化的速率．对于同～等级的蒸汽温度参数．应尽可能选用抗氧化性能好的材料。

另外．对过热器和再热器的高温段管材内壁喷丸或镀铬，也可减少汽侧蒸汽氧化。

从以往的经验教训看．这些措施可明显减缓蒸汽侧氧化。

对于这些措施．目前已不是技术问题而仅是成本和效益的权衡。

另外，炉型的选择也至关重要，应注重以下几个方面。

（１）有利于减小传热偏差。

传热偏差的存在．导致部分区域的烟气温度显著高于平均烟温．提高了该区域的传热强度、壁温及管内蒸汽温度，这会明显加剧管子的表面氧化，特别是管内的蒸汽氧化。

从以往国内外的运行经验看．此类案例不胜枚举。

目前大型超超临界锅炉有２种炉型，一种是塔式锅炉［２］：另一种是ｎ型炉。

塔式炉的炉膛为正方形，采用四角切园燃烧：兀型炉的炉膛多呈１：２的矩形，有前后墙对冲及双四角切圆２种燃烧方式。

塔式炉的传热偏差远小于其他炉型．这是因为其所有对流受热面均水平布置在炉膛上部。

燃烧烟气在对流受热面中径直向上．其速度场及温度场分布均匀。

对于切圆燃烧的兀型炉．在炉膛出口处的烟气残余旋流会造成水平烟道烟速的左右不均匀．即使万方数据第１期冯伟忠：超超临界机组蒸汽氧化及固体颗粒侵蚀的综合防治采用消旋措施及旋向相反的双炉膛．也只是降低不均匀程度而已。

另外．其炉膛出口的烟气转折会造成水平烟道内烟速的上下不均匀．而进入尾部的烟气转折又会导致垂直烟道内烟速的前后不均匀。

因此。

其流场及温度场的不均匀必然造成较大的传热偏差及局部管壁温度偏高甚至超温。

相对而言，对冲燃烧不存在炉膛出口处的烟气残余旋流而只有烟气转折．故其传热偏差小于切园燃烧的兀型炉。

（２）有利于氧化皮及固体颗粒的输运。

对于超（超）临界锅炉，蒸汽氧化现象是客观存在。

只能延缓而不可避免。

当氧化皮脱落及固体颗粒产生后．如何防止其滞留及尽可能的减少对汽轮机叶片的伤害是解决问题的核心。

对于布置有垂直过热器及再热器的ｎ型锅炉．在启动及低负荷阶段．低流量的蒸汽动量不足以将氧化铁剥离物及大的金属颗粒带出垂直管段．直到高负荷阶段．这些物体才可能被冲出。

此时的蒸汽所携带的硬质颗粒具有最大的动能．对汽轮机叶片所产生的侵蚀性最大。

对于塔式炉，对流受热面水平布置，启动阶段产生的氧化铁剥离物及金属颗粒极易被蒸汽冲走．并被旁路系统直接送入凝汽器．故ＳＰＥ问题可大大缓解。

针对有利于减小传热偏差、降低氧化速率及有利于氧化皮及固体颗粒的输运，在设备选型上．塔式锅炉明显优于其他炉型。

而且，水平布置的对流受热面及均匀的烟气流场还有其他诸多好处…．故塔式布置应为超超临界锅炉的首选。

２．１．２汽轮机鉴于固体颗粒侵蚀主要发生在高、中压缸的第１级．故以抗侵蚀为出发点．第１级的喷嘴和动叶应选用耐侵蚀能力强的高温叶片材料及采用防固体颗粒侵蚀的保护镀层或涂层．或采用表面硬化处理等措施［３］。

在这方面，美、日等国已进行了较深入的研究并积累了较多经验。

（１）有利于降低蒸汽动能。

高、中压缸第１级是防固体颗粒侵蚀的重点．分为有调节级和无调节级２种。

因调节级喷嘴采用分组方式．组间有间隔．其周向有效通流面积小于全周进汽的压力级．当调节级在部分进汽方式下运行时．两者进汽面积差别更大，且由于调节级后的压力正比于负荷。

在部分（进汽）负荷下的调节级压降及焓降远大于无调节级汽轮机的第１级，相应的，此时的调节级出口流速远高于后者。

显然．无调节级的进汽方式极有利于降低汽轮机第１级的蒸汽流速及固体颗粒对叶片的侵蚀．另外．无调节级的机组采用滑压方式运行．当机组负荷从满负荷下降时主汽压力与负荷同比下降．蒸汽密度及对固体颗粒的携带力也相应下降．这将更降低固体颗粒的侵蚀力。

考虑到滑压运行的无调节级超临界机组在全负荷范围内的经济性优于有调节级机组…．加上取消调节级后的其他诸多好处．无调节级汽轮机应为超超临界机组的首选。

冲动式与反动式相比．反动式的静叶焓降及出口流速远低于冲动式．故反动式汽轮机的固体颗粒问题小于冲动式．加之高容积流量下的反动式级效率高于冲动式［５］．故大容量的超超临界机组．反动式应为汽轮机的首选。

（２）有利于固体颗粒动能的耗散。

固体颗粒进人汽轮机后．在经过主汽门及调节汽门等环节时．在转向过程中到处碰壁．损失了其动能。