过热器氧化皮在线监测设备的研究与应用

杜学聪 刘 忠

（1. 浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722；2. 北京蕊奥博科技开发有限任公司，北京 100095）

0 引言

在高温环境下，水蒸汽管道表面水分子与金属元素发生反应，生成铁氧化物的过程，称为蒸汽氧化。反应式如下：3Fe+4H2O（g）→Fe3O4+4H2。

从上述反应式可看出，金属表面形成了Fe3O4后，阻挡了Fe和水汽的接触，反应速度就取决于氢和铁离子的扩散速度，随着Fe3O4膜的增厚，扩散速度便随着降低，氢的析出量就随着降低。因此可根据氢的析出量变化，间接地检测Fe3O4膜的形成情况。本项目研制的过热器氧化皮在线监测系统可应用于发电厂过热器氧化皮生长速率的在线监测，其通过监测过热器入口蒸汽和过热器出口蒸汽中的微量溶解氢含量及过热蒸汽流量和其它相关参数，实时监控过热器氧化皮生长速率状况。

氢腐蚀：炉管暴露在高温高压的氢气环境中或者析氢条件下，氢原子在设备表面或渗入钢内部与不稳定的碳化物发生反应，在晶界上生成甲烷，使炉管脱碳，机械强度受到永久性的破坏。在炉管内部氧化膜下面生成的甲烷无法外溢而集聚在炉管内部氧化膜下面形成巨大的局部压力，造成应力集中而发展为晶间微裂纹（应力腐蚀）。其反应方程为 Fe3C+2H2→3Fe+CH4。

1 研究的现状

常规过热器氧化皮的监测技术在国内外已有应用，尤其在大容量机组上的应用比较广泛，对于保障大容量机组的安全稳定运行起到了关键作用。目前，国内火力发电厂过热器氧化皮的监测技术有如下方法：

监测方法分类：主要测量方法有割管法，电感法，溶解氢法；

割管法：是在设备运行一定时间后检测有无裂纹，剩余壁厚是多少，需要在机组停机时检测；

超声波法和漏磁法法：在机组停机检修时，检测因介质作用使设备发生的腐蚀速率是多少；

电感法：出现于九十年代，测试敏感度高，适应于各种介质。其原理是将一金属薄片置于探头外表面，通过测量探头内线圈信号的变化推算腐蚀速度，需要在高温高压管道上安装探头；

溶解氢法：检测因介质作用使设备发生的腐蚀速率是多少，获得的是设备腐蚀过程的有关信息，以及生产操作参数（包括加工工艺、腐蚀防护措施）与设备运行状态相互联系的数据，并依此数据调整生产操作参数，其主要目的是控制腐蚀的发生与发展，使设备处于良性运行。

2 研究的主要内容

本项目依据发电厂锅炉腐蚀机理，设计研制了发电厂过热器氧化皮在线监测系统，并在国内某电厂进行了过热器氧化皮在线监测的应用。溶解氢在线检测系统原理如下：

在发电厂过热器管道上安装在线溶解氢监测仪和氧化皮监测系统，同时监测过热蒸汽的入口、出口溶解氢含量；氧化皮监测系统实时采集分析过热蒸汽流量、相关化学参数、温度等信息。获得的是设备腐蚀过程的有关信息，以及生产操作参数（包括加工工艺、腐蚀防护措施）与设备运行状态相互联系的数据，并依此数据调整生产操作参数，其主要目的是控制腐蚀的发生与发展，使设备处于良性运行。

2.1 过热器氧化皮在线监测系统设计

过热器氧化皮在线监测系统由在线溶解氢监测仪、过热器氧化皮在线监测系统采集单元、过热器氧化皮在线监测系统分析软件组成。

2.1.1 在线溶解氢监测仪

在线溶解氢监测仪的作用是实时监测过热器蒸汽入口溶解氢和过热器蒸汽出口溶解氢含量及变化趋势，并将实时数据传输到SIS中，溶解氢含量是设备腐蚀过程的关键参数。

2.1.2 过热器氧化皮在线监测系统采集单元

过热器氧化皮在线监测系统采集单元负责将过热器蒸汽入口溶解氢含量、过热器蒸。

汽出口溶解氢含量、过热蒸汽流量、过热蒸汽温度、过热器壁温、机组负荷、给水pH、给水溶解氧、过热蒸汽溶解氧等参数从SIS中采集到过热器氧化皮在线监测系统分析软件中。

2.1.3 过热器氧化皮在线监测系统分析软件

过热器氧化皮在线监测系统分析软件负责分析过热器蒸汽入口溶解氢含量、过热器蒸汽出口溶解氢含量、过热蒸汽流量、过热蒸汽温度、过热器壁温、机组负荷、给水pH、给水溶解氧、过热蒸汽溶解氧等参数，生产操作参数（包括加工工艺、腐蚀防护措施）与设备运行状态相互联系的数据，并依此数据调整生产操作参数，其主要目的是控制腐蚀的发生与发展，使设备处于良性运行。

过热器氧化皮在线监测系统分析软件根据过热器蒸汽入口溶解氢含量、过热器蒸汽出口溶解氢含量、过热蒸汽流量的计算，推算出过热器管道的氧化皮增长速率；通过检修割管数据验证和修正分析软件的计算。

2.2 过热器氧化皮在线监测系统的运行调试

对过热器氧化皮在线监测系统各部分进行分步研发后，开始进行过热器氧化皮在线监测系统的整体安装调试，监测系统安装调试包括以下试验内容：

2.2.1 在线溶解氢监测仪的运行调试

在机组汽水集中取样仪表间安装二台在线溶解氢监测仪，同时监测过热器蒸汽入口溶解氢含量和过热器蒸汽出口溶解氢含量，经过一周的安装调试，二台在线溶解氢监测仪运行正常，测量数据准确、可靠。

2.2.2 过热器氧化皮在线监测系统采集单元的运行调试

在电厂提供虚拟服务器上安装过热器氧化皮在线监测系统采集软件，负责从电厂SIS上采集相关的数据；在电厂各部门的密切配合下，所需相关数据链接正常，数据真实可靠。

2.2.3 过热器氧化皮在线监测系统分析软件的运行调试

在电厂提供虚拟服务器上安装过热器氧化皮在线监测系统分析软件，负责分析获得的是设备腐蚀过程的有关信息，以及生产操作参数（包括加工工艺、腐蚀防护措施）与设备运行状态相互联系的数据，并依此数据调整生产操作参数，其主要目的是控制腐蚀的发生与发展，使设备处于良性运行。

2.3 过热器氧化皮在线监测系统应用研究

本项目研制的过热器氧化皮在线监测系统已成功应用于国内某电厂600WM机组过热器氧化皮的在线监测上，测量数据真实地反映了机组运行期间的腐蚀状态。图1为国内某电厂3号机组氧化皮监测系统投运初期的历史曲线；表1为国内某电厂3号机组氧化皮监测系统投运初期的历史数据。

表1 #3机氧化皮监测系统投运初期运行记录

图1 #3号机氧化皮监测系统投运初期的历史曲线：2021年5月17～5月27日

图2为国内某电厂3号机氧化皮监测系统投运后的2021年10月份历史曲线；表2为国内某电厂3号机氧化皮监测系统投运后的2021年10月份的历史数据。

表2 #3号机系统投运后期的运行数据2021年10月1～10月16日

图2 #3号机系统投运后期的历史曲线：2021年10月1～10月16日

表2（续）

表1为国内某电厂600MW机组水汽系统过热蒸汽与汽水分离器安装溶解氢监测仪表后运行记录数据，自2021年5月仪表调试成功投运后测量过热蒸汽溶解氢（准确值）最小值1.255µg/L，过热蒸汽溶解氢（准确值）最大值2.623µg/L，汽水分离器溶解氢（准确值）最小值1.504µg/L，汽水分离器溶解氢（准确值）最大值2.549µg/L，表2为投运6个月的运行记录数据，经过一段时间的设备运行，运行人员依据水中溶解氢的数据进行加氨和加氧操作，过热蒸汽溶解氢（准确值）最小值已下降至0.481µg/L，分离器汽溶解氢（准确值）最小值0.010µg/L，同时给水加氧量也降低，给水氧与过热氧的差值也降低到10µg/L左右。以上数据表明，过热器腐蚀得到有效抑制，氧化皮的生成速率大大降低，过热器得到有效保护。

#3机组从2021年5月17日至2021年10月16日的数据分析计算，整个过热器6个月氧化皮累计增长了2.8869g/m2，该结果为铁离子转换结果。

3 结语

（1）本项目开发过热器氧化皮在线监测系统中的微量溶解氢监测仪，可以准确测量火力发电厂水汽系统中微量氢的含量；通过监测水汽系统中的微量溶解氢含量及变化趋势，可以实时监控热力系统的腐蚀状况；

（2）通过过热器氧化皮在线监测系统中的微量溶解氢含量及变化趋势，可以实时指导运行调控参数，降低热力系统腐蚀，减少Fe3O4膜的增长速率，防止Fe3O4膜的脱落；

（3）过热器氧化皮在线监测系统在国内某600MW机组电厂的应用研究表明，随着pH和溶解氧的优化运行，汽水分离器和过热蒸汽中的溶解氢含量降低与稳定，形成的保护膜逐步完整、致密，过热器氧化皮增长速率也逐步降低；

（4）超温和甲烷会都会造成氧化皮脱落，降低蒸汽中的溶解氢含量，减少甲烷气体的产生，保障机组安全运行；

（5）过热器氧化皮在线监测系统的成功应用，为氧化皮增长速率的在线监测提供了一种新的、有效的手段，通过机组割管检查时进一步验证数据的准确性。