超超临界汽轮机叶片固体颗粒侵蚀（SPE）问题研究及防治策略.docx

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1、超超临界汽轮机叶片固体颗粒侵蚀（SPE）问题研究及防治策略论述了超超临界机组所面临的突出威胁：管道的蒸汽侧氧化及汽轮机叶片的固体颗粒侵蚀（SPE）问题。并对其产生机理作了深入分析，指出这一问题牵涉到主设备选型，系统设计，安装调试，运行方式及控制理念等诸多环节，需进行全方位全过程的综合防治。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，能显著的降低锅炉蒸汽侧氧化及氧化皮脱落造成的危害，极大地缓解汽轮机固体颗粒侵蚀问题。1、超超临界机组面临的主要威胁在各国科

2、学家的不懈努力下，1990年代，随着材料技术的突破，火力发电机组蒸汽温度20多年在540C566C的徘徊局面被终结，以蒸汽温度600。C为标志的超超临界火力发电技术已被广泛接受，目前，更高温度等级（700）的材料已在研发和试验中。以26MPa600C600C蒸汽参数及20。C冷却水温为参照，其系统循环效率可达4445%,与亚临界及超临界机组相比的优势明显。但是，伴随着超超临界发电技术的发展，特别是温度参数的提高，新的技术问题和矛盾也摆到了人们的面前。而这其中的一个会对机组的安全和经济运行产生严重威胁的突出问题一一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）需要引起业界的特别注意

3、。由于这一问题牵涉到主设备选型、系统设计、安装调试、运行方式及控制理念等诸多环节，需要进行全方位和全过程的综合防治。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）也称硬质颗粒侵蚀（HPE）是超（超）临界机组面临的主要问题，并且压力和温度参数越高，这一问题越严重。该问题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及形状的不同以及该处蒸汽动量的大小，或在管内沉积，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，机组的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运行的安全，严重的将导致主再热器管的

4、爆破，而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，甚至危及叶片的运行安全。美、日等国在这方面都有很多经验教训I,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。如图1：图1被固体颗粒侵蚀的叶片目前,我国已有10台IOOOMW超超临界火电机组在建，其后还有一批超超临界机组项目待批。必须看到，我国在超临界技术方面的经验积累不多，而对于超超临界技术的认识还很有限，为少走弯路，需及早对发展超超临界技术可能伴生的问题进行超前研究，采取针对性的措施，避免重蹈美、日等国在这一领域的教iJIIo2、蒸汽氧化和固体颗粒的产生及后果2.1 蒸气氧化

5、及固体颗粒的产生在高温环境下，水蒸汽管道内会出现水分子中的氧与金属元素发生氧化反应，俗称蒸汽氧化。当金属的工作温度570。（：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，因络、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。不过，随着时间的推移，氧化层仍会逐渐增厚。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，相对应的管道温度越高，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。当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

6、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，且因导热系数远比母材低。在锅炉的启动阶段，特别是锅炉带负荷跳闸后的重新启动，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容易松动或脱落。有一定厚度的氧化皮脱落时一般呈片状（见图2）,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，氧化皮在离心力的作用下会径直撞向管壁，产生变形或破碎，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，脱落的氧化皮跟随着蒸汽，要经过很多次的转向。在此过程中不断的重复上述

7、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。图2脱落的氧化皮不过，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，并将更减少此处的蒸汽流量及其对管子的冷却能力，进一步加剧此处的恶性循环。严重的甚至会堵塞该段管子并导致爆管（见图3）。事实上，国内外已出现了较多的此类案例。图3遭氧化皮阻塞的管子2.2 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

8、流速60ms0蒸汽中所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的静叶后，流道内的蒸汽热能（焰）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。25。时侵蚀率达最高值。从前述的分析可以看出，对于温度相等，管材相当的亚临界和超临界机组。在过热器或再热器内，蒸汽氧化的产生和氧化皮的脱落以及演变为金属颗粒的条件类似。但从以往发生的金属颗粒侵蚀案例来看，相同温度参数的超临界机组

9、的侵蚀问题远比亚临界机组严重得多。要回答这一问题，需从流体中颗粒的运动方程入手。根据流体力学，作用在物体（颗粒）上的总绕流阻力等于摩擦阻力与压差阻力之和，FD=Ff+Fpo工程中通常将两者合并计算，并用一个式子表示：式中：CD与物体（颗粒）有关的绕流阻力系数，由实验确定；流体密度；UK与流体来流速度同向的颗粒运动速度；A垂直于流动方向上的物体投影面积而这FD恰为推动颗粒运动的加速力，故有：（2）式中：m颗粒质量；ak颗粒运动加速度由式（2）可见，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，将被不断加速的蒸汽流加速直至撞向叶片壁面。

10、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，另外，对于带调节级的机组，超临界机组的调节级焰降，尤其是部分进汽方式下的焰降远高于亚临界机组，故超临界机组的喷嘴出口蒸汽流速亦远高于后者，由式（2）可知，蒸汽对颗粒的加速力亦与蒸汽与颗粒速度差的平方成正比，这必然导致超临界调节级出口的颗粒运动速度远高于亚临界，由于侵蚀率与颗粒运动速度呈三次方关系，超临界机组的侵蚀问题必然更为严重。3、蒸汽氧化及固体颗粒侵蚀的综合防治从前述对蒸汽氧化，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可以看出，这一问题所牵涉的环节很多，因此，

11、其防治工作应沿着产生这一问题的全部环节进行综合治理。总体思路为：在确保新机组的酸洗和冲管质量，彻底清除新材料的管内残留物及氧化层的前提下。1、应设法防止和减缓高温蒸汽金属氧化物的生成；2、对于已生成的金属氧化物，应避免其脱落；3、对于已脱落的金属氧化物，应尽快予以清除；4、对于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3.1 主设备选型3.1.1 锅炉首先是降低蒸汽氧化的速率，对于同一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珞，也可减少汽侧蒸汽氧化。从以往的经验教训来看，这些措施对明显的减缓蒸汽侧氧化非常有效。对于这些措施，目

12、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。根据上述分析，针对氧化皮和固体颗粒的产生及输运的机理，应注重以下几个方面：3.1.1.1 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，这会明显加速管子的表面氧化，特别是管内的蒸汽氧化。因此，尽可能的减少锅炉高温受热面的传热偏差，是降低蒸汽氧化速率及固体颗粒的产生几率的重要举措。目前大型超超临界锅炉有两种炉型，一种是塔式锅炉，另一种为F1型炉。塔式炉的炉膛为正方形，采用四角切园燃烧。而型炉的炉膛多呈1:2的矩形。有前后墙对冲及双四角切园两种燃烧方式。就传热

13、偏差而言，塔式炉最小。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，不存在流场的不均匀造成的传热偏差。其切向燃烧方式在炉膛出口处（屏底）的烟气残余旋流在水平对流受热面的整流作用下迅速耗散。且残余旋流矢量与烟气的宏观速度矢量垂直，并不会造成屏间的不均匀传热。当然，尚未耗散的旋流会在单根管子的对称点产生局部较高的热通量，但布置在炉膛出口处的受热面为一级过热器，管内蒸汽温度相对较低，局部较高的热通量处的管壁温度相对而言并不高。对于切圆燃烧的型炉，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，即使采用消旋措施及旋向相反的双炉膛，也只

14、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n型炉。3.1.1.2 有利于氧化皮及固体颗粒的输运对于超（超）临界锅炉，蒸汽氧化现象是难以回避的客观存在，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所在。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

15、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。而如果剥落的氧化皮在最高负荷时也不能被吹出，如前所指出，其后果是灾难性的。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。若按德国规范，只有当凝结水合格，包括含铁量达标后才能冲转汽轮机，故SPE问题可被大大缓解。但是还存在一种可能，氧化层在受到冷热冲击后出现松动，但并未剥离，而直到高负荷时才在高速的蒸汽流冲击下剥落并被蒸汽带离。若出现这种情况所产生的固体颗粒侵蚀问题

16、，两种锅炉都不能避免。3.1.1.3 应注意的薄弱环节塔式炉及D型炉，都存在一个共同的氧化物及固体颗粒等的藏污纳垢之处，这就是各级过热器或再热汽的联箱。以出口联箱为例，分布于整个联箱的蛇形管接入口将蒸汽汇入联箱，汇聚的蒸汽又由接于联箱中间或两侧的蒸汽管送出，联箱内的流速处处不等，最低流速处的流速为零（见图4）。图示为两侧出汽的联箱，A、B为出汽端，显然，在联箱的中点。处的流速为零。同理，若中间为出汽口，两端则为零流速处。从蛇形管带出的氧化皮及固体颗粒等异物，在进入联箱后容易在低流速区滞留。在低流量时进入联箱的异物，只有靠近A,B端高流速区的才能被吹走，随着负荷的升高，异物能被吹离的区域增大，因此，在高负荷阶段，塔式炉亦可能有异物吹出。图4联箱内流速示意图不过，即使到最高流量，中间零流速点周围较低流速区内的滞留物