超临界大型火电机组安全控制技术

　　摘要：针对超临界机组蒸汽参数高这一特点，在锅炉设计和主要设备的金属材料选择使用上提出了一些意见。在运行管理上，应对锅炉过热器、水冷壁、再热器等部位加大状态监测，严格控制汽水品质，对高压阀门实施及时合理的状态检修，认真进行运行维护和停机保养，确保超临界火电机组安全可靠地运行。

　　关键词：超临界；火电机组；合金钢；安全控制；汽水品质；电网安全

　　目前，国内装机容量已突破4亿千瓦，引进和建设低煤耗、大容量的超临界大型火电机组可以提高我国发电厂的经济性，同时也能满足节能、环保的要求，国内已投产600 MW、800 MW、900 MW级超临界燃煤机组多台，邹县电厂2×1000 MW超超临界燃煤机组立项在建。随着超临界燃煤机组占国内装机容量的比重越来越大，其运行情况将对电网安全产生很大影响。所以根据超临界大型火电机组的特点，实施科学合理的安全控制监测，将对确保电力安全生产发挥积极的作用。?

　　1　超临界机组安全生产的特点?

　　超临界大型火电机组蒸汽参数高（压力≥22.12 MPa、温度≥540 ℃），和亚临界机组相比在运行过程中存 在的问题有所不同。其主要问题有：①过热器进出口的部分管子过度磨损和水冷壁管、再热器管的泄漏，这些问题大多与燃料的含灰量和烟气流速有关；②汽机高压缸第一级叶片根部腐蚀，此种现象在机组投运6～8年后渐渐严重，蒸汽品质是主要的原因；③高压阀门的泄漏问题。?

　　超临界大型火电机组的不可用率（包括强迫停炉、维修与计划停运）的影响因素是多方面的，超临界压力锅炉的不可用率约为汽轮机、发电机和电站辅机的3倍。水冷壁管泄漏是锅炉方面的主要问题，大部分是由于过热所致。管壁结垢和水冷壁中质量流量过低、管内紊流程度不够，使锅炉在高热负荷区发生核态沸腾所引起。造成上述问题的原因大多是锅炉水冷壁无法得到足够的冷却和缺少凝结水除盐设备或除盐设备不完善。水的品质对于超临界机组的可靠运行极为重要。?

　　与锅炉相比汽轮机受超临界压力的影响较小。超临界汽轮机的主要问题是汽轮机叶片和阀门受固体粒子的侵蚀，严格控制汽水品质并采用内置式分离器可解决上述问题。再者，腐蚀可能促成叶片（低压缸叶片）裂缝，造成强迫停运。现已得知，含氧量高、pH值低及Na+、Cl-含量高，均会降低12%Cr不锈钢叶片的疲劳强度。如果凝汽器中的循环水漏入凝结水，可能会增加氯化物和其他的污染，再加上如果凝结水深度除盐装置运行不当，则杂质就会经锅炉而进入汽轮机。因此，汽水品质控制和防止凝汽器泄漏是重要的防范措施。

　　机组启停期间，旁路系统设计是否得当，对阀门的运行十分重要。在机组启停过程中阀门全开时，大量的高温高压蒸汽对阀门密封面进行冲刷；特别是机组事故停机时，大量的额定参数的蒸汽对阀门密封面的冲刷更为严重，就可能引起问题。一般认为，经过约20次启动后，阀门需要检查、维护和修理。

　　2　超临界机组安全控制重点?

　　(1) 主要设备材料选择。对于管道和联箱的壁厚部分，除了提高蠕变强度外，消除或减小热疲劳影响是一个主要问题。出于这个考虑，合金的应用发展集中在包含9%～12%Cr的铁素体钢。优化钢中的强化元素Cr、Nb、 Mo和V含量以及用合金元素W来部分的替换Nb，在9%～12%Cr铁素体钢中便产生了3种新型合金HCM12A、NF616和E911（P92、P122和E911），可将蒸汽参数提高到620℃/34 MPa。若超过620℃，抗氧化能力则成为一个附加的限制因素，尤其对9%Cr钢。含有Co和更多W的12%Cr的新型合金NF12 和 SAVE12，所承受的工作温度范围在650 ℃以内。当温度超过650 ℃可能需要奥氏体钢和镍基合金；对于过热器/再热器管子,除了提高蠕变强度外，蒸汽侧氧化和烟气侧抗腐蚀能力是主要的问题。此外，管壁金属实际温度通常超过蒸汽温度约28 ℃。所以铁素体钢之中的任何一种在蒸汽温度为565 ℃的过热器/再热器管子末段中使用是不太可能的，在这些比较高的温度下需要用奥氏体钢。根据煤的腐蚀性，较高含量的Cr钢或包覆层是必须的。在蒸汽温度为620 ℃和非腐蚀的运行条件下，超级304H、Tempalloy AA1、Esheat 1250、17CW?Mo材料是可接受的。在腐蚀比较严重的情况下，则推荐20%～25%Cr的合金。例如HR3C、NF709和IN72覆层。一些备选合金如Incone 1617、NF709和Cr30A合金等，在具有Incone 1617（50%Cr）覆层的情况下可使用在650 ℃的蒸汽环境下；如果将分别包含25%Cr、12%HCM2（T23）和HCM12的两种新钢种应用在上水冷壁部分，单纯从蠕变强度的观点来看，其在595～650℃的蒸汽温度范围中是适当的，但在锅炉中烟气侧腐蚀问题存在时，这些合金将必须包覆或覆焊含超过18%～20%Cr的合金层；只有遵循以上原则合理科学地选择锅炉各部件的金属材料，才能有效地避免金属疲劳损坏，确保机组安全运行。?

　　(2) 加强受热面冷却。为了对处于较低工质流量下的每根管子提供充分的冷却，采用优化多通道内螺纹管，该螺纹管是西门子KWU公司和B&W公司在一起研究的，该管能够用一般的挤压方法加工制造，它的内螺纹高度高 、螺距小、从而可使管内工质的混合与紊流加强、冷却效果明显优于单通道和传统的多通道内螺纹管的冷却效果，可确保锅炉安全可靠的运行。并且加工方法更加简单，成本更加低廉。?

　　(3) 寿命管理技术。为提高超临界大型火电机组的可用率，采用高温关键设备和寿命评估为基础的设备寿命管理（LM）技术，应针对性地对过热器、水冷壁、再热器等主要部件的运行参数进行在线监测，利用这些参数对部件不同位置的实时状态（温度、应力及残余寿命）进行评估，及时正确地将状态和寿命评估结果应用到设备管理的决策中，可明显提高设备运行的安全性、可靠性，实现设备的优化运行和依据状态安排检验与维修管理，全面实施设备状态检修。

　　(4) 汽水品质控制。汽轮机叶片和高压阀门受固体粒子的侵蚀以及旁路系统的阀门泄漏是影响机组不可用率的主要因素，关键原因是汽水品质不良。因此应加大对汽水品质的控制，设置全面严格的汽水系统在线监测，确保汽水品质的优良。另外，用氯化处理和活性炭床处理，防止供水中的有机物质进入锅炉。因为在锅炉运行温度下，有机物会分解为酸性化合物，对除盐装置中的树脂有害。严格控制水处理工况，依据BELEWS CREEK电厂所确立的水化学标准：钠离子小于3 ppb，溶解氧小于5 ppb，硅小于15 ppb，含铁量小于20 ppb，导电度小于02微姆，pH值为92～95，联氨为20～50 ppb；制定较亚临界压力机组更严格的控制标准。

　　3　结论?

　　科学合理地选择锅炉水冷壁管的形式，根据设计参数合理选择锅炉主要部件的应用材料；实施科学合理的设备在线监测，严格对超临界大型火电机组事故的多发部件进行在线监测，由其对锅炉过热器、水冷壁、再热器等部位。严格控制汽水品质；对高压阀门实施及时合理的状态检修，认真进行运行维护和停机保养，确保超临界火电机组安全可靠地运行，杜绝事故停机，夯实电网安全基础。?