1、超(超)临界参数汽机的SPE问题 钱振鑫目录1、问题的引出2、超超临界机组中的固体颗粒物冲蚀（SPE）现象3、超超临界机组固体颗粒物冲蚀的综合影响因素4、典型工况下的固体颗粒物冲蚀有效防范措施问题的引出供=100%b p t ri m g(1-k)b锅炉效率94%-95%p管道效率98%m机械效率99.5%g发电机效率99%ri汽机相对内效率90%左右 t朗肯循环热效率（广义卡诺循环热效率）K厂用电率（3-8%）t=1-T2/T1(55-62%)降低T2，深海水冷却；给水回热，中间再热(一次2%-3%，二次1%)提升初参数：提高初压力可能会使汽轮机相对内效率下降，效率提高受限，提高初温度受材料
2、限制，但“立竿见影”故现超超临界机组初参数的选择上，追求提升新蒸汽初温度，压力提升并不明显；固体颗粒冲蚀 Solid paricle Erosion（SPE）1现象：对于超(超)临界参数的汽轮机，在某些特定的工况下，主(再)热蒸汽会带有一定浓度的固体颗粒物，从而对汽轮机部件造成冲击磨损的现象。2 对汽机部件的损害：（1）主(再)蒸汽阀门：MSV RSV SPE影响相对小CV IV SPE影响相对大损伤原因：阀门开度较小时，蒸汽节流，固体颗粒冲刷严重；阀门伴随蒸汽转向，口径变化，蒸汽加速，固体颗粒物冲击；后果：阀门的严密性变差：机组跳闸，甩负荷易超速；甚至会改变型线（阀芯，阀座）对控制升程流量曲
3、线变化措施：对阀门的严密性试验。对阀门进行检修（2）高，低压两级串联旁路的节流阀损伤原因如上后果：蒸汽内漏，机组经济性下降能使旁路处于“热备用状态”ri（3）主蒸汽传统的汽机调节级（现代：HP的第一级 1-3级）原因：汽机喷嘴膨胀加速流动，完成级内做功固体颗粒冲击磨损叶片壁面（4）再热蒸汽IP第一级（1-3级）后果：叶片表面粗糙度 逐步改变汽机叶片的型线：蒸汽加速能力下降，出口汽流方向变化 速度三角形畸变 叶片相对减薄，诱发“叶片振动”机组安全性逐步下降叶片结构强度不足叶片断裂事故ri金属材料在高温条件下会直接和水蒸汽本身的氧结合发生高温氧化反应，当蒸汽温度超过600时，锅炉受热面高温腐蚀和汽
4、侧氧化将十分显著，奥氏体钢管材在640-700时腐蚀最大，金属高温氧化的结果是在金属表面产生一定厚度的氧化皮，在锅炉启停阶段或调峰运行阶段，由于不同的热膨胀系数和较大的温差，形成的氧化皮就会剥落，形成坚硬的氧化铁粒子（或称“颗粒”）脱落下来的固体颗粒随后被流动的蒸汽携带向下游流动，对汽轮机造成侵蚀，所以，这里的固体颗粒是指从锅炉过热器，再热器系统内表面剥落的坚硬的氧化铁粒子，对目前的大型发电机组来说，蒸汽温度比较高，易在锅炉过热器，再热器系统的内壁面形成氧化皮，此外，大型发电机组锅炉过热器，再热器系统十分庞大，只要其中一部分受热面积发生的氧化皮剥落，其每年形成的固体粒子的重量就可达数百千克至上
5、千千克，现代大型机组汽轮机在检修时，除了通流部分的静止和转动部件中存在固体颗粒冲蚀损伤外，还发现通流部分某些流动死亡角区域有金属氧化物颗粒堆积；（1）超（超）临界参数的应用（）溶解氧与金属的腐蚀特性发生变化。（）反应条件，特别是T580以上加氧技术（OT）致密的金属钝化膜，保护受热面金属材料0PcrP0TcrT（2）在特定的工况脱落形成氧化皮堆积于锅炉“爆管”被蒸汽携带逐渐撞击，破碎形成金属氧化物固体颗粒（3）固体颗粒特的特性：以 ，（局部为 ）为基础的多成分金属氧化物；自我生长，通常达到0.2mm时易脱落，片状颗粒；43OFe32OFeFeO（4）脱落的主要因素：化学水工况使钝化膜中的Cr成
6、份，以铬酸的形式进入汽水工质，使钝化膜呈层状分布，易脱落；锅炉侧受热面参数剧烈波动温度剧变热胀冷缩，热应力（机炉启/停，剧烈变负荷）；材质本身（5）固体颗粒物冲蚀损伤部位对汽轮机设备造成了严重危害，是超临界，特别是超超临界机组面临的一个严重问题，必须面对认识现象掌握规律提出合理的防范措施在运行中努力防范加强检查和维护影响SPE的主要因素“系统工程”1 汽机 喷嘴压力面接近出口边缘的区域以及动叶压力面中后部区域是最容易受到固体颗粒冲蚀的部位，主要是由于粒子被气流加速后以小角度冲击压力面出汽边，加上喷嘴的转折角较大，出汽边内弧正好处于冲击射线上，当调节级喷嘴部分进汽时产生的冲蚀更为严重，而且冲蚀最
7、严重的是对应先开启的喷嘴弧段，因为此时喷嘴焓降较大，导致出口流速远高于全周进汽，对于调节级动叶而言，由于动叶压力面中后部区域的颗粒撞击速度很大，撞击角度也处于容易受冲蚀的范围，因为该区域所受的冲蚀在整个调节级中也最为严重；再热第一级叶片的侵蚀主要发生在喷嘴出汽边背弧面，在级内轴向间隙较小的情况下，粒子在级内轴向间隙中的“来回反弹”是再热第1级固体颗粒侵蚀的重要特点，粒子的“来回反弹”主要是因为喷嘴出口的固体颗粒速度远低于主汽流速度，随动叶转动撞击叶片进汽边后，粒子又反弹回喷嘴出汽边背弧，如此反复，直至它们在离心力的作用下从动静叶间隙中逸出，颗粒在喷嘴和动叶片间多次反弹撞击，造成径向冲蚀程度严重
8、；（1）SPE损伤的机理喷嘴的加速过程“气固两相流”固体颗粒存在“颗粒轨迹”撞击破坏喷嘴出汽边腹部；动叶进口速度三角形颗粒速度蒸汽流速动叶进汽边背弧一般颗粒与固体壁面碰撞：前三级严重，颗粒反弹，撞击喷嘴出汽边的背弧喷嘴“腹背受敌”。（2）汽机侧的改进方法：尽量少用调节级存在大焓降高流速SPE 最危险工况：一个调门全开工况SPE例如：机组启动过程：（反证法）炉侧：点火，升温升压温度压力剧变氧化皮脱落“存于炉侧”常规冲转：升速，暧机，定速，5%初始负荷蒸汽流量较小；机组升负荷25%左右蒸汽流量升高，氧化皮SPE汽机若喷嘴调节危险工况相结合，SPE应加以避免应以节流调节。一般冲动式级较反动式级SPE
9、严重；东汽/哈汽 SPE 80-90%上汽 SPE 91%加强对 的监视，一般 上升1，下降0.2%HpriHpT排HpT排Hpri汽机厂对叶片型线设计抗SPE 研究表明，对汽轮机通流部分所用材料冲蚀损伤的速率依赖于固体颗粒的撞击角度，重新设计汽轮机通流部分的型线，改变固粒的冲击角度，使易冲蚀部位偏离冲击射线，避免固体颗粒在最大冲蚀角附近冲击汽轮机部件是解决SPE问题的另一种有效措施；根据理论分析和运行实践经验，采用新的斜面喷嘴型线技术能够有效地减小调节级的SPE问题，提高调节级的持久效率，亚临界机组只需采用合理的喷嘴型线就可有效防止固体颗粒冲蚀；超临界机组采用合理的喷嘴型线，外加保护涂层技术
10、，可有效防止固体颗粒冲蚀，SIEMENS公司采用高，中压缸第一级静叶斜置90度转向流道内的独特进汽结构，固体颗粒在进入进汽流道后，因惯性直接撞向流道壁面而非撞击静叶，并在离心力的作用下贴着流道壁面前行，静叶因此受到了较好的保护，此外，由于贴壁面前行的固体颗粒动能较小，走出转向流道后的运行迹线是指向动叶根部的，故其对动叶的侵蚀力也很小；适当扩大级内轴向间隙：颗粒速度与蒸汽速度差值减少，趋于一致，将反弹颗粒“吹回”主汽流。在中压缸第一级，由于颗粒在喷嘴和动叶之间的多次反弹撞击是造成叶片严重冲蚀的原因，因此防治SPE问题的有效措施是合理加大动静叶轴向间隙，使从动叶反射的粒子被主流吹回动叶流道而不再打
11、在静叶出口背弧上，减少了粒子在间隙间的多重反弹；材料应用，含铌；叶片表面硬化的处理：渗铌，锆，等离子真空涂层；2 锅炉（1）型在减少固体颗粒形成方面，由于固体颗粒是由金属高温氧化剥落形成的，因此消除固体颗粒的关键就是恰当的选用高温部件如锅炉的高温过热器，再热器及主蒸汽，再热蒸汽管道的钢材，使其具有较好的搞氧化和而腐蚀性能；热偏差较大“节流圈”氧化皮爆管，浓度过高，垂直受热面易被聚堆积氧化皮必须较大的蒸汽流量才能完全“吹走”（2）塔式调整后热偏差小无节流圈，水平受热面，（氧化皮易携带，管侧洁净）锅炉炉型从割管中表现的氧化皮、固体颗粒3 旁路系统（1）旁路的配置方案美日无旁路设计邹县10%启动大旁
12、路SPE相对严重中国（30-40%）+高，低压串联旁路SPE？西欧100%旁路100%+高，低压串联旁路 SPE（“0”）100%+65%保护汽机通流部分，机组启动时（特别是冷态启动时）由于温度的变化，附着在管壁表面的金属氧化颗粒会脱落并进入蒸汽，如果这些小颗粒进入汽机，会对汽机通流部分造成侵蚀，所以机组启动时投运旁路的目的之一是使蒸汽中的固体小颗粒通过旁路系统进入凝汽器，从而防止汽轮机调速汽门，喷嘴及叶片侵蚀；（2）旁路对SPE防范的作用：旁路是“丢弃”炉侧多余的蒸汽，使机炉工质相匹配；使炉侧启停相对平稳，参数可控；一旦机侧出故障通过旁路使炉侧负荷相对稳定例如：外三厂：启动过程中的高动量蒸汽
13、冲洗系统SPE 炉侧启动：利用旁路实现蒸汽参数的提升（主要是D）实现“类冲管”效应；目标：将脱落氧化皮旁路凝汽器，保证炉侧洁净；使进入汽机的蒸汽是洁净无颗粒；例：通过一个实例来分析旁路系统在机组长期运行过程中对机组的影响，这是某机组在废弃30%BMCR旁路系统运行两年后大修发现的问题：（1）调节级喷嘴损坏；（2）中压第一级隔板静叶出汽边损坏：中压第一级隔板静听上半出汽边顺气流方向有40片损坏，且顺气流方向逐渐发展严重；经过分析研究，造成这些损坏的原因有两个：一是固体颗粒的冲击，受热面管道内的金属氧化物脱落，被蒸汽机械携带冲击叶片，固体颗粒侵袭多发生在机组启停阶段及变工况运行时，损害部位多在叶片
14、的出汽边内弧侧，而且造成叶根处金属沉积，二是温蒸汽冲蚀，机组在低负荷运行时，会对叶片造成冲蚀；由此看出，旁路系统对机组的影响是一个长期而缓慢的过程，不论是从机组长期经济效益还是对汽轮机寿命的影响来看到，旁路系统在提高机组使用率，减少机组在启动过程中汽轮机特别是调节级的腐蚀，延长汽轮机寿命都有着不可替代的影响；4 给水泵组5 化学水工况 SPE的综合防范现有的设备条件下1 汽机本身的制造，安装业主，监理（监造）保证设备2 新机组启动阶段充分地去除原始氧化皮（酸洗冲管，旁路洁净蒸汽）3 机组投运后：汽机节流调节，炉侧稳定；防范含高浓度颗粒蒸汽电厂实际运行经验表明，切实的运行方式对SPE问题也能起到
15、有效的防治作用，在减少氧化皮剥落和生长方面，采取的措施主要包括：大修期间对炉管表面采用铬酸盐溶液，在305条件下循环48H，以有效延长金属表面氧化层生长和剥落的时间；对过热器和再热器进行酸洗，可以消除金属氧化学物；避免锅炉的频繁启动以及长期低负荷运行，减少喷水降温的使用概率和喷水量，尽量如此，锅炉内氧化颗粒的排出仍是否可避免的，通过旁路将氧化颗粒直接排入凝汽器是运行中比较有效的途径，欧洲国家普遍采用的旁路系统已被证明对减轻固体颗粒侵蚀 有显著作用，近年来美国新建的带较大容量旁路系统的超超临界机组，SPE也得到减轻，而对于未能从旁路排出的固体颗粒，汽机全周进汽的进汽方式可以降低蒸汽及其携带的固体
16、颗粒在级内的流动速度，减小固体颗粒对汽轮机部件的撞击程度，另外，在检修方面，维修期间详细记录喷嘴，动叶片，级间和径向间隙，以及有关设备和部件的检修资料，及时作出对机组经济性的评估和对安全可行性影响的诊断，积累有关SPE的现场，可以为时一步研究提供素材，找到防治SPE的新途径；汽机“防老化”“保鲜”（1）系统工程主体受损部位在汽轮机本体及系统内汽轮机内已采取了一定的防范措施，但并不是汽轮机本身能全部解决完成的整体涉及到单元机组的各个主体设备是系统总体设计、材质、施工工艺、实际运行的综合系统工程（2）设备配置锅炉 塔式炉：相对占优 型炉：相对较差汽轮机 有调节级设计：宜采用节流方式运行，转化为压力
17、级运行旁路 建议采用、级串联旁路 容量不但要满足锅炉的基本稳燃需求，还应满足防范氧化皮脱落的要求给水泵组 建议具备一定的备用容量 对于纯汽泵模式，应充分保证其可靠性化学工况 适时转入加氧方式运行（3）实际运行新机组严格的酸洗、冲管，保障汽水品质保证主、再蒸汽清洁启动进程中，利用旁路系统洁净蒸汽防范高颗粒物浓度蒸汽进入汽轮机做功汽轮机新机组612个月宜节流方式运行启动进程及2472小时内宜节流方式运行锅炉平稳运行，防范氧化皮脱落单元机组平稳运行，防范氧化皮脱落 机组大幅度变负荷AGC负荷需求RB工况甩负荷工况 主机极端事故工况停线不停电（FCB工况，出线端断开，带厂用电运行）停电不停机（发电机解列，全甩负荷工况，维持空转）停机不停炉（汽轮机跳闸，MFT不动作）要有全局意识 系统综合设备：机、炉、电、旁路、给水泵、化学等 眼前局部利益与长远利益的冲突SPE损伤是一种不可逆的损失，若汽轮机设备效率下降，所形成的长远损失，是不可估量的。（4）设备检查维护检修工程 小修、中修、大修维护作业 凝汽器热井清扫 精除盐前置过滤的清洗 工业内窥镜检查 重点部位SPE状况检查阀芯、阀座相关部位的动、静叶片检查 磨损状况 涂层、渗透层损伤部位的评价与修复谢谢大家
