超超臨界汽輪機(jī)葉片固體顆粒侵蝕（SPE）問題研究及防治策略

超超臨界汽輪機(jī)葉片固體顆粒侵蝕（SPE）問題研究及防治策略論述了超超臨界機(jī)組所面臨的突出威脅：管道的蒸汽側(cè)氧化及汽輪機(jī)葉片的固體顆粒侵蝕（SPE）問題。并對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理作了深入分析，指出這一問題牽涉到主設(shè)備選型，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，安裝調(diào)試，運(yùn)行方式及控制理念等諸多環(huán)節(jié)，需進(jìn)行全方位全過程的綜合防治。通過鍋爐的合理選材，選擇塔式爐，配置大容量旁路，采用無調(diào)節(jié)級(jí)汽輪機(jī)及合理的進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，對(duì)葉片作抗沖蝕處理，大幅降低熱控保護(hù)的誤動(dòng)概率及鍋爐強(qiáng)停次數(shù)，選擇合理的啟動(dòng)和運(yùn)行方式，慎用減溫噴水等，能顯著的降低鍋爐蒸汽側(cè)氧化及氧化皮脫落造成的危害，極大地緩解汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕問題。1、超超臨界機(jī)組面臨的主要威脅

在各國(guó)科學(xué)家的不懈努力下，1990年代，隨著材料技術(shù)的突破，火力發(fā)電機(jī)組蒸汽溫度20多年在540℃/566℃的徘徊局面被終結(jié)，以蒸汽溫度600℃為標(biāo)志的超超臨界火力發(fā)電技術(shù)已被廣泛接受，目前，更高溫度等級(jí)（>700℃）的材料已在研發(fā)和試驗(yàn)中。以26MPa/600℃/600℃蒸汽參數(shù)及20℃冷卻水溫為參照，其系統(tǒng)循環(huán)效率可達(dá)44~45%，與亞臨界及超臨界機(jī)組相比的優(yōu)勢(shì)明顯。但是，伴隨著超超臨界發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，特別是溫度參數(shù)的提高，新的技術(shù)問題和矛盾也擺到了人們的面前。而這其中的一個(gè)會(huì)對(duì)機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅的突出問題——管道的蒸汽側(cè)氧化及由此引起的汽輪機(jī)葉片固體顆粒侵蝕（SPE）需要引起業(yè)界的特別注意。由于這一問題牽涉到主設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、運(yùn)行方式及控制理念等諸多環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行全方位和全過程的綜合防治。管道的蒸汽側(cè)氧化及由此引起的汽輪機(jī)葉片固體顆粒侵蝕（SPE）也稱硬質(zhì)顆粒侵蝕（HPE）是超（超）臨界機(jī)組面臨的主要問題，并且壓力和溫度參數(shù)越高，這一問題越嚴(yán)重。該問題較多發(fā)生在鍋爐啟動(dòng)階段，因鍋爐受熱面受熱沖擊引起管子汽側(cè)氧化鐵剝離，剝離的氧化物根據(jù)其質(zhì)量及形狀的不同以及該處蒸汽動(dòng)量的大小，或在管內(nèi)沉積，或隨蒸汽運(yùn)動(dòng)并形成固體顆粒，使汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)和高、中壓缸第1級(jí)葉片產(chǎn)生侵蝕。另外，機(jī)組的長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行也會(huì)出現(xiàn)SPE問題。沉積的氧化物會(huì)危及爐管運(yùn)行的安全，嚴(yán)重的將導(dǎo)致主再熱器管的爆破，而高速運(yùn)動(dòng)的氧化物產(chǎn)生的金屬顆粒侵蝕會(huì)使汽輪機(jī)級(jí)效率迅速下降，甚至危及葉片的運(yùn)行安全。美、日等國(guó)在這方面都有很多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，許多超（超）臨界大機(jī)組在投產(chǎn)若干年后，由于嚴(yán)重的SPE而不得不更換調(diào)節(jié)級(jí)和中壓缸第1級(jí)動(dòng)、靜葉。如圖1：目前，我國(guó)已有10臺(tái)1000MW超超臨界火電機(jī)組在建，其后還有一批超超臨界機(jī)組項(xiàng)目待批。必須看到，我國(guó)在超臨界技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)積累不多，而對(duì)于超超臨界技術(shù)的認(rèn)識(shí)還很有限，為少走彎路，需及早對(duì)發(fā)展超超臨界技術(shù)可能伴生的問題進(jìn)行超前研究，采取針對(duì)性的措施，避免重蹈美、日等國(guó)在這一領(lǐng)域的教訓(xùn)。2、蒸汽氧化和固體顆粒的產(chǎn)生及后果2.1蒸氣氧化及固體顆粒的產(chǎn)生在高溫環(huán)境下，水蒸汽管道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)水分子中的氧與金屬元素發(fā)生氧化反應(yīng)，俗稱蒸汽氧化。當(dāng)金屬的工作溫度>570℃時(shí)，鐵的氧化速率會(huì)大大增加。對(duì)于抗氧化性能良好的合金鋼，因鉻、硅、鋁等合金元素的離子更容易氧化，會(huì)在管道表面形成結(jié)構(gòu)致密的合金氧化膜并阻礙原子或離子的擴(kuò)散，大大減緩氧化速率。不過，隨著時(shí)間的推移，氧化層仍會(huì)逐漸增厚。當(dāng)然，其氧化過程將按對(duì)數(shù)規(guī)律而逐步趨于收斂。對(duì)于同一種合金鋼材，工質(zhì)溫度越高，相對(duì)應(yīng)的管道溫度越高，蒸汽氧化作用就越強(qiáng)。另外，管道的傳熱強(qiáng)度（熱通量）越高，管道的平均溫度越高，其蒸汽氧化作用也越強(qiáng)。當(dāng)蒸汽側(cè)氧化層出現(xiàn)后，相當(dāng)于管內(nèi)結(jié)垢，這又提高了管壁的平均溫度，從而又加速了蒸汽氧化。氧化層的熱膨脹系數(shù)與母材不同，且因?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)比母材低。在鍋爐的啟動(dòng)階段，特別是鍋爐帶負(fù)荷跳閘后的重新啟動(dòng)，其受熱面會(huì)受到較大的冷熱沖擊。在此階段，管子內(nèi)側(cè)的氧化層較容易松動(dòng)或脫落。有一定厚度的氧化皮脫落時(shí)一般呈片狀（見圖2），若能被蒸汽吹離，則會(huì)沿蒸汽流向運(yùn)動(dòng)并逐步加速。由于其單位質(zhì)量遠(yuǎn)大于蒸汽，在管子彎頭處蒸汽轉(zhuǎn)向時(shí)，氧化皮在離心力的作用下會(huì)徑直撞向管壁，產(chǎn)生變形或破碎，其比表面積增加并更易被加速，而后，在蒸汽的推動(dòng)下沿內(nèi)壁轉(zhuǎn)向，到直管段后再次被加速，直至撞向下一個(gè)轉(zhuǎn)彎處。從過熱器、再熱器到汽輪機(jī)，脫落的氧化皮跟隨著蒸汽，要經(jīng)過很多次的轉(zhuǎn)向。在此過程中不斷的重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)，反復(fù)被加速，撞擊、變形和破碎。最終成為許多呈顆粒狀的氧化金屬。不過，脫落的氧化皮若較厚，在U型布置的過熱器、再熱器的向上管段內(nèi)，蒸汽的動(dòng)能有可能不足以克服其重力并將其沖出垂直段，則氧化皮會(huì)沉積于U型管的底部，從而增加該管段的阻力，造成此處的蒸汽流量下降，并使該段金屬溫度升高，氧化加速。在下一次啟動(dòng)或其他原因的冷熱沖擊時(shí)再次發(fā)生氧化皮脫落，并將更減少此處的蒸汽流量及其對(duì)管子的冷卻能力，進(jìn)一步加劇此處的惡性循環(huán)。嚴(yán)重的甚至?xí)氯摱喂茏硬?dǎo)致爆管（見圖3）。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)了較多的此類案例。2.2固體顆粒對(duì)汽輪機(jī)葉片的侵蝕一般情況下，管內(nèi)的蒸汽設(shè)計(jì)流速<60m/s。蒸汽中所攜帶的金屬顆粒的動(dòng)能及對(duì)管道內(nèi)壁的侵蝕較為有限。但當(dāng)金屬顆粒進(jìn)入汽輪機(jī)的靜葉后，流道內(nèi)的蒸汽熱能（焓）轉(zhuǎn)換為速度能，出口流速可達(dá)甚至超過音速，導(dǎo)致金屬顆粒被大大加速，其具有的動(dòng)能可能對(duì)靜葉出汽邊和動(dòng)葉產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕。速度越高，侵蝕率越大，且侵蝕率與顆粒運(yùn)動(dòng)速度的3次方成正比。此外，侵蝕率亦與金屬顆粒對(duì)葉片表面的入射角有關(guān)，研究表明，當(dāng)入射角達(dá)20°~25°時(shí)侵蝕率達(dá)最高值。從前述的分析可以看出，對(duì)于溫度相等，管材相當(dāng)?shù)膩喤R界和超臨界機(jī)組。在過熱器或再熱器內(nèi)，蒸汽氧化的產(chǎn)生和氧化皮的脫落以及演變?yōu)榻饘兕w粒的條件類似。但從以往發(fā)生的金屬顆粒侵蝕案例來看，相同溫度參數(shù)的超臨界機(jī)組的侵蝕問題遠(yuǎn)比亞臨界機(jī)組嚴(yán)重得多。要回答這一問題，需從流體中顆粒的運(yùn)動(dòng)方程入手。根據(jù)流體力學(xué)，作用在物體（顆粒）上的總繞流阻力等于摩擦阻力與壓差阻力之和，F(xiàn)D=Ff+Fp。工程中通常將兩者合并計(jì)算，并用一個(gè)式子表示：式中：CD——與物體（顆粒）有關(guān)的繞流阻力系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定；ρ——流體密度；UL——流體來流速度；UK——與流體來流速度同向的顆粒運(yùn)動(dòng)速度；A——垂直于流動(dòng)方向上的物體投影面積而這FD恰為推動(dòng)顆粒運(yùn)動(dòng)的加速力,故有：（2）式中：m——顆粒質(zhì)量；ak——顆粒運(yùn)動(dòng)加速度由式（2）可見，流動(dòng)蒸汽對(duì)物體（顆粒）的加速力與蒸汽的密度正相關(guān)，而蒸汽的密度與壓力近似呈正比。當(dāng)顆粒進(jìn)入汽輪機(jī)葉片流道后，將被不斷加速的蒸汽流加速直至撞向葉片壁面。顯然，即使蒸汽流速、運(yùn)動(dòng)路程等其他物理?xiàng)l件相同，超臨界機(jī)組金屬顆粒最終的撞擊速度也將明顯高于亞臨界，另外，對(duì)于帶調(diào)節(jié)級(jí)的機(jī)組，超臨界機(jī)組的調(diào)節(jié)級(jí)焓降，尤其是部分進(jìn)汽方式下的焓降遠(yuǎn)高于亞臨界機(jī)組，故超臨界機(jī)組的噴嘴出口蒸汽流速亦遠(yuǎn)高于后者，由式（2）可知，蒸汽對(duì)顆粒的加速力亦與蒸汽與顆粒速度差的平方成正比，這必然導(dǎo)致超臨界調(diào)節(jié)級(jí)出口的顆粒運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)高于亞臨界，由于侵蝕率與顆粒運(yùn)動(dòng)速度呈三次方關(guān)系，超臨界機(jī)組的侵蝕問題必然更為嚴(yán)重。3、蒸汽氧化及固體顆粒侵蝕的綜合防治從前述對(duì)蒸汽氧化，氧化皮的脫落及固體顆粒的產(chǎn)生、輸運(yùn)及最終造成對(duì)汽輪機(jī)葉片的侵蝕過程的分析可以看出，這一問題所牽涉的環(huán)節(jié)很多，因此，其防治工作應(yīng)沿著產(chǎn)生這一問題的全部環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合治理?？傮w思路為：在確保新機(jī)組的酸洗和沖管質(zhì)量，徹底清除新材料的管內(nèi)殘留物及氧化層的前提下。1、應(yīng)設(shè)法防止和減緩高溫蒸汽金屬氧化物的生成；2、對(duì)于已生成的金屬氧化物，應(yīng)避免其脫落；3、對(duì)于已脫落的金屬氧化物，應(yīng)盡快予以清除；4、對(duì)于未能清除的金屬氧化物，應(yīng)盡量減輕其對(duì)汽輪機(jī)葉片的破壞……3.1主設(shè)備選型3.1.1鍋爐首先是降低蒸汽氧化的速率，對(duì)于同一等級(jí)的蒸汽溫度參數(shù)，應(yīng)盡可能選用抗氧化性能好的材料，另外，對(duì)過熱器和再熱器的高溫段管材內(nèi)壁噴丸或鍍鉻，也可減少汽側(cè)蒸汽氧化。從以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來看，這些措施對(duì)明顯的減緩蒸汽側(cè)氧化非常有效。對(duì)于這些措施，目前已不是技術(shù)問題而僅是成本和效益的權(quán)衡。另外，爐型的選擇也至關(guān)重要。根據(jù)上述分析，針對(duì)氧化皮和固體顆粒的產(chǎn)生及輸運(yùn)的機(jī)理，應(yīng)注重以下幾個(gè)方面：3.1.1.1有利于減小傳熱偏差傳熱偏差的存在，導(dǎo)致部分區(qū)域的煙氣溫度顯著高于平均煙溫，提高了該區(qū)域的傳熱強(qiáng)度、壁溫及管內(nèi)蒸汽溫度，這會(huì)明顯加速管子的表面氧化，特別是管內(nèi)的蒸汽氧化。因此，盡可能的減少鍋爐高溫受熱面的傳熱偏差，是降低蒸汽氧化速率及固體顆粒的產(chǎn)生幾率的重要舉措。目前大型超超臨界鍋爐有兩種爐型，一種是塔式鍋爐，另一種為П型爐。塔式爐的爐膛為正方形，采用四角切園燃燒。而П型爐的爐膛多呈1：2的矩形。有前后墻對(duì)沖及雙四角切園兩種燃燒方式。就傳熱偏差而言，塔式爐最小。這是因?yàn)槠渌袑?duì)流受熱面均水平布置在爐膛上部。燃燒煙氣在對(duì)流受熱面中徑直向上，其速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布均勻，不存在流場(chǎng)的不均勻造成的傳熱偏差。其切向燃燒方式在爐膛出口處（屏底）的煙氣殘余旋流在水平對(duì)流受熱面的整流作用下迅速耗散。且殘余旋流矢量與煙氣的宏觀速度矢量垂直，并不會(huì)造成屏間的不均勻傳熱。當(dāng)然，尚未耗散的旋流會(huì)在單根管子的對(duì)稱點(diǎn)產(chǎn)生局部較高的熱通量，但布置在爐膛出口處的受熱面為一級(jí)過熱器，管內(nèi)蒸汽溫度相對(duì)較低，局部較高的熱通量處的管壁溫度相對(duì)而言并不高。對(duì)于切圓燃燒的П型爐，在爐膛出口處的煙氣殘余旋流會(huì)造成水平煙道煙速的左右不均勻，即使采用消旋措施及旋向相反的雙爐膛，也只是降低不均勻程度而已。另外，其爐膛出口的煙氣轉(zhuǎn)折會(huì)造成水平煙道內(nèi)煙速的上下不均勻，而進(jìn)入尾部的煙氣轉(zhuǎn)折又會(huì)導(dǎo)致垂直煙道內(nèi)煙速的前后不均勻。因此，其流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的不均勻必然造成較大的傳熱偏差及局部管壁溫度偏高甚至超溫。相對(duì)而言，對(duì)沖燃燒不存在爐膛出口處的煙氣殘余旋流而只有煙氣轉(zhuǎn)折，故其傳熱偏差小于切園燃燒的П型爐。3.1.1.2有利于氧化皮及固體顆粒的輸運(yùn)對(duì)于超（超）臨界鍋爐，蒸汽氧化現(xiàn)象是難以回避的客觀存在，只能延緩而不可避免。當(dāng)氧化皮脫落及固體顆粒產(chǎn)生后，如何防止其滯留及盡可能的減少對(duì)汽輪機(jī)葉片的傷害是解決問題的核心所在。對(duì)于布置有垂直過熱器及再熱器的П型鍋爐，在啟動(dòng)及低負(fù)荷階段，低流量的蒸汽動(dòng)量不足以將氧化鐵剝離物及大的金屬顆粒帶出垂直管段，直到高負(fù)荷階段，這些物體才可能被沖出，此時(shí)的蒸汽所攜帶的硬質(zhì)顆粒具有最大的動(dòng)能，對(duì)汽輪機(jī)葉片所產(chǎn)生的侵蝕性最大。而如果剝落的氧化皮在最高負(fù)荷時(shí)也不能被吹出，如前所指出，其后果是災(zāi)難性的。對(duì)于塔式爐，對(duì)流受熱面水平布置，啟動(dòng)階段產(chǎn)生的氧化鐵剝離物及金屬顆粒極易被蒸汽沖走，并被旁路系統(tǒng)直接送入凝汽器。若按德國(guó)規(guī)范，只有當(dāng)凝結(jié)水合格，包括含鐵量達(dá)標(biāo)后才能沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)，故SPE問題可被大大緩解。但是還存在一種可能，氧化層在受到冷熱沖擊后出現(xiàn)松動(dòng)，但并未剝離，而直到高負(fù)荷時(shí)才在高速的蒸汽流沖擊下剝落并被蒸汽帶離。若出現(xiàn)這種情況所產(chǎn)生的固體顆粒侵蝕問題，兩種鍋爐都不能避免。3.1.1.3應(yīng)注意的薄弱環(huán)節(jié)塔式爐及П型爐，都存在一個(gè)共同的氧化物及固體顆粒等的藏污納垢之處，這就是各級(jí)過熱器或再熱汽的聯(lián)箱。以出口聯(lián)箱為例，分布于整個(gè)聯(lián)箱的蛇形管接入口將蒸汽匯入聯(lián)箱，匯聚的蒸汽又由接于聯(lián)箱中間或兩側(cè)的蒸汽管送出，聯(lián)箱內(nèi)的流速處處不等，最低流速處的流速為零（見圖4）。圖示為兩側(cè)出汽的聯(lián)箱，A、B為出汽端，顯然，在聯(lián)箱的中點(diǎn)o處的流速為零。同理，若中間為出汽口，兩端則為零流速處。從蛇形管帶出的氧化皮及固體顆粒等異物，在進(jìn)入聯(lián)箱后容易在低流速區(qū)滯留。在低流量時(shí)進(jìn)入聯(lián)箱的異物，只有靠近A，B端高流速區(qū)的才能被吹走，隨著負(fù)荷的升高，異物能被吹離的區(qū)域增大，因此，在高負(fù)荷階段，塔式爐亦可能有異物吹出。不過，即使到最高流量，中間零流速點(diǎn)周圍較低流速區(qū)內(nèi)的滯留物仍不可能被全部帶走，只有在特殊的擾動(dòng)工況下，如主汽門的單側(cè)關(guān)閉等，這部分異物才可能被吹離。而如果在低流速區(qū)堆積了較多的氧化皮，也會(huì)危及與此區(qū)域連接的管子的安全。這里尤其需要指出的是，如果過熱器、再熱器的高溫段的材料的抗氧化性能較差，在經(jīng)過較長(zhǎng)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間后，會(huì)在管子的蒸汽側(cè)出現(xiàn)厚達(dá)100~200μm的氧化層，而一旦在啟、停或其他特殊的工況下遇到較大的熱沖擊，其氧化層集中脫落而導(dǎo)致局部堆積，則即使是塔式爐，也可能出現(xiàn)難以及時(shí)清除，甚至因此發(fā)生管子過熱失效的情況，這樣的案例在德國(guó)也曾出現(xiàn)，因此，材料的抗氧化性能更應(yīng)引起充分的重視。從上述分析中可以看出，針對(duì)有利于減小傳熱偏差，降低氧化速率及有利于已剝落的氧化皮及固體顆粒的輸運(yùn)為出發(fā)點(diǎn)，在設(shè)備的選型上，塔式鍋爐明顯優(yōu)于其他爐型。況且，水平布置的對(duì)流受熱面及均勻的煙氣流場(chǎng)還有著其他諸多的好處，故塔式布置應(yīng)為超超臨界鍋爐的首選。當(dāng)然，塔式爐雖能大大減緩固體顆粒問題，卻仍不能徹底杜絕蒸汽氧化的發(fā)生及在高負(fù)荷時(shí)固體顆粒的輸出。3.1.2汽輪機(jī)固體顆粒對(duì)汽輪機(jī)葉片的侵蝕，首要的是固體顆粒所具有的速度，二是顆粒對(duì)葉片表面的入射角。顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中，不斷地要隨蒸汽轉(zhuǎn)向，每一個(gè)轉(zhuǎn)向必然造成固體顆粒對(duì)器壁的撞擊并損失其動(dòng)能，而其在轉(zhuǎn)向后的直線運(yùn)動(dòng)中再次被蒸汽流逐漸加速直到下一次撞擊。鑒于固體顆粒侵蝕主要發(fā)生在高、中壓缸的第一級(jí)，故從抗侵蝕為出發(fā)點(diǎn)，第一級(jí)的噴嘴和動(dòng)葉應(yīng)選用耐侵蝕能力強(qiáng)的高溫葉片材料及采用防固體顆粒侵蝕的保護(hù)鍍層或涂層，或采用表面硬化處理等措施。在這方面，美、日等國(guó)已投入了較深入的研究并取得了較多的經(jīng)驗(yàn)。3.1.2.1有利于降低蒸汽動(dòng)能高、中壓缸的第一級(jí)是防固體顆粒侵蝕的重點(diǎn)。而高壓缸的第一級(jí)分為有調(diào)節(jié)級(jí)及無調(diào)節(jié)級(jí)兩種。因調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴采用分組方式，組間有間隔，其周向有效通流面積小于全周進(jìn)汽的壓力級(jí)，當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)在部分進(jìn)汽方式下運(yùn)行時(shí)，兩者進(jìn)汽面積差別更大，且由于調(diào)節(jié)級(jí)后的壓力正比于負(fù)荷，在部分（進(jìn)汽）負(fù)荷下的調(diào)節(jié)級(jí)壓降及焓降遠(yuǎn)大于無調(diào)節(jié)級(jí)汽輪機(jī)的第一級(jí)，相應(yīng)的，此時(shí)的調(diào)節(jié)級(jí)出口流速遠(yuǎn)高于后者。顯然，無調(diào)節(jié)級(jí)的進(jìn)汽方式極有利于降低汽輪機(jī)第一級(jí)的蒸汽流速及固體顆粒對(duì)葉片的侵蝕。另外，無調(diào)節(jié)級(jí)的機(jī)組采用滑壓方式運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從滿負(fù)荷下降時(shí)主汽壓力與負(fù)荷同比下降，蒸汽密度及對(duì)固體顆粒的攜帶力亦相應(yīng)下降，這將更降低固體顆粒的侵蝕力?？紤]到超臨界汽輪機(jī)，滑壓運(yùn)行的無調(diào)節(jié)級(jí)機(jī)組在全負(fù)荷范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于有調(diào)節(jié)級(jí)機(jī)組，加上取消調(diào)節(jié)級(jí)后的其他諸多好處，無調(diào)節(jié)級(jí)汽輪機(jī)應(yīng)為超超臨界機(jī)組的首選。沖動(dòng)式與反動(dòng)式相比，反動(dòng)式的靜葉焓降及出口流速遠(yuǎn)低于沖動(dòng)式，故反動(dòng)式的固體顆粒問題小于沖動(dòng)式，加之高容積流量下的反動(dòng)式級(jí)效率高于沖動(dòng)式，故大容量的超超臨界機(jī)組，反動(dòng)式應(yīng)為汽輪機(jī)的首選。3.1.2.2有利于固體顆粒動(dòng)能的耗散固體顆粒進(jìn)入汽輪機(jī)后，在經(jīng)過主汽門及調(diào)門等環(huán)節(jié)時(shí)，必然在轉(zhuǎn)向過程中到處碰壁，損失其動(dòng)能。而其形成破壞能力的前提是被充分加速，這一過程主要是在靜葉噴嘴及動(dòng)葉流道中，隨著流道中蒸汽焓的下降，熱能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，速度不斷增加，其攜帶的固體顆粒也相應(yīng)被加速。通常的靜葉和反動(dòng)式動(dòng)葉流道，蒸汽邊加速邊轉(zhuǎn)向，在出口處速度最高。但固體顆粒的質(zhì)量較大，在離心力的作用下傾向于走直線，極易撞擊至出汽邊而導(dǎo)致其被侵蝕（見圖1）。GE公司采用的解決方案是將噴嘴傾斜一角度（見圖5），使入口流速方向?qū)χ鴩娮熘胁?。這使得固體顆粒在尚未加速到較高速度時(shí)就撞到了噴嘴凹側(cè)壁面，而后在離心力的作用下貼壁前行。這可較大的緩解SPE問題，當(dāng)然，噴嘴的中部仍會(huì)受到一定的表面侵蝕。另外，SIEMENS公司采用的結(jié)構(gòu)更為獨(dú)特，（如圖6），高中壓缸的第一級(jí)靜葉斜置于90°轉(zhuǎn)向流道內(nèi)，固體顆粒在進(jìn)入進(jìn)汽流道后，因慣性的原因必然直接撞向流道壁面而非靜葉，并在離心力的作用下貼著流道的壁面前行。因此，靜葉受到了較好的保護(hù)。而由于貼壁前行的固體顆粒動(dòng)能很小，且走出轉(zhuǎn)向流道后的運(yùn)動(dòng)跡線是指向動(dòng)葉根部，故其對(duì)動(dòng)葉的侵蝕力亦很小。由此可見，這種進(jìn)汽結(jié)構(gòu)是抗SPE的較優(yōu)方式。3.3配置大容量旁路因鍋爐氧化顆粒的輸出不可避免，故應(yīng)采取切實(shí)措施，盡可能不讓其進(jìn)入汽輪機(jī)。而最有效的途徑就是通過旁路將氧化顆粒直接排入凝汽器。3.3.1旁路的容量配置對(duì)于百萬(wàn)級(jí)超（超）臨界技術(shù)。由于地域及技術(shù)體系的不同，旁路系統(tǒng)的配置及運(yùn)行方式有著很大差別。如在美國(guó)，一般都采用小于20%BMCR的小旁路，僅用于機(jī)組啟動(dòng)階段。而在歐洲，基本上都采用100%的高壓旁路+65~100%的低壓旁路，所起的作用也遠(yuǎn)不限于啟動(dòng)。事實(shí)上，雖然SPE問題一直是美、日等國(guó)揮之不去的夢(mèng)魘，但卻較少見到歐洲有這方面的報(bào)導(dǎo)。經(jīng)分析，大容量旁路對(duì)減緩SPE問題亦功不可沒。超臨界鍋爐通過帶旁路啟動(dòng)，減緩啟動(dòng)過程中過熱器等蒸汽管道的溫度變化，減少了氧化皮的剝離及固體顆粒的產(chǎn)生，同時(shí)把啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的固體顆粒直接排入凝汽器。近年美國(guó)新建的帶較大容量旁路系統(tǒng)的超臨界機(jī)組，SPE問題已大為減輕。目前，由于競(jìng)爭(zhēng)的充分和技術(shù)的成熟，進(jìn)口旁路系統(tǒng)的價(jià)格已大為下降，1000MW超超臨界機(jī)組100%高旁+65%低旁，價(jià)格不到工程總投資的0.25%。鑒于配置大容量旁路系統(tǒng)能獲得取代鍋爐安全門，縮短啟動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的滑壓跟蹤溢流，停機(jī)不停爐及FCB等一系列好處，這種配置應(yīng)為超（超）臨界機(jī)組的首選。3.3.2旁路啟動(dòng)運(yùn)行方式按照SIEMENS超臨界機(jī)組的啟動(dòng)規(guī)范，在基建調(diào)試的機(jī)組整組啟動(dòng)前，鍋爐必須先帶旁路啟動(dòng)，且熱負(fù)荷達(dá)45%甚至更高。經(jīng)過數(shù)天甚至數(shù)星期的時(shí)間，直至汽水品質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才允許沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)。即使在投產(chǎn)后，機(jī)組的每次冷態(tài)啟動(dòng)都必須先帶旁路運(yùn)行直至汽水品質(zhì)合格。因沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)時(shí)，凝結(jié)水的含鐵量已合格，證明啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的金屬固體顆粒已被基本清除。這種啟動(dòng)規(guī)范對(duì)確保汽輪機(jī)葉片的安全極為有利。機(jī)組在經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后再啟動(dòng)，管內(nèi)氧化物的剝離量可能較多，對(duì)于П型鍋爐，鑒于在低流量下不易將其清除，若配置了大容量旁路系統(tǒng)，可考慮在汽輪機(jī)啟動(dòng)前先進(jìn)行一次高熱負(fù)荷帶旁路運(yùn)行，且蒸汽動(dòng)量要與鍋爐滿負(fù)荷時(shí)相當(dāng)，盡可能將啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的剝落物徹底清除，從而確保汽輪機(jī)的安全。當(dāng)然，這會(huì)延長(zhǎng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間并增加燃料損失。3.4減少鍋爐的啟停從前述分析可知，SPE問題的起因，源于鍋爐管道內(nèi)的氧化皮在冷熱變化過程中的脫落。而上述的爐型、機(jī)型的選擇，大旁路的配置及各種抗SPE的措施等，都只能最大限度的緩解SPE問題，但不可能根除。而如果機(jī)組能長(zhǎng)期在較穩(wěn)定的負(fù)荷下運(yùn)行，氧化皮脫落的概率就大為降低，這樣，不管采用何種爐型或機(jī)型，配何旁路，一般不會(huì)出現(xiàn)明顯的SPE問題。美國(guó)一電廠帶基本負(fù)荷20年沒有發(fā)生SPE問題，后來作兩班制運(yùn)行，一年多就出了問題。由此可見，對(duì)于超超臨界機(jī)組，除了上述措施外，解決SPE最有效的方法，就是盡可能的減少鍋爐汽水系統(tǒng)的冷熱循環(huán)，減少鍋爐的啟停次數(shù)。3.4.1從設(shè)計(jì)原則著手即使是設(shè)備故障或保護(hù)動(dòng)作，只要不是鍋爐的原因，就應(yīng)該實(shí)行停線（路）不停電（FCB）；停電（發(fā)電機(jī)）不停機(jī)；停機(jī)不停爐。盡可能維持鍋爐運(yùn)行。當(dāng)然，這牽涉到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置原則，旁路容量和給水泵及凝結(jié)水泵等設(shè)備容量的的選取，高加及除氧器運(yùn)行方式的變化，相應(yīng)控制方式的制定等多個(gè)方面，需要在設(shè)計(jì)階段就予以考慮。外高橋二期900MW超臨界機(jī)組，在調(diào)試階段就已實(shí)現(xiàn)了這些功能，效果很好。3.4.2提高熱控系統(tǒng)的可靠性現(xiàn)代大型機(jī)組，主、輔機(jī)的聯(lián)鎖、保護(hù)功能非常復(fù)雜及齊全。這對(duì)于確保機(jī)組的安全性很有效，但同時(shí)也對(duì)熱控工作，包括熱控專業(yè)設(shè)計(jì)、軟件組態(tài)、系統(tǒng)安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)等提出了很高的要求。而我國(guó)在這些方面與歐、美、日等國(guó)存在著明顯差距，特別是在安裝接線差錯(cuò)率的控制及調(diào)試質(zhì)量上不盡人意，因此往往在調(diào)試、試運(yùn)和投產(chǎn)后的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)組MFT頻頻發(fā)生?？v觀1990年代以來投產(chǎn)的大機(jī)組，從整組啟動(dòng)到投產(chǎn)后的一年內(nèi)，機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)一般在數(shù)十次到百多次。這種情況對(duì)于一般亞臨界機(jī)組尚可，但對(duì)于超臨界機(jī)組，定將產(chǎn)生明顯的SPE問題。輕則會(huì)明顯降低汽輪機(jī)的內(nèi)效率，熱耗率增加，效率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。重則危及鍋爐及汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)或高中壓缸第一級(jí)的安全。我國(guó)已發(fā)生引進(jìn)超臨界鍋爐過熱器管被脫落的氧化皮堵塞而導(dǎo)致爆管的嚴(yán)重事例。對(duì)于超超臨界機(jī)組，蒸汽溫度高達(dá)600℃，鍋爐及主，再熱蒸汽管道的蒸汽氧化問題將更甚于以往540℃/566℃等級(jí)的機(jī)組。若頻繁的發(fā)生MFT，必將危及鍋爐的安全并導(dǎo)致嚴(yán)重的SPE問題。因此，從基建起，就應(yīng)充分重視熱控聯(lián)鎖、保護(hù)的動(dòng)作正確性問題，盡最大可能防止MFT誤動(dòng)。在外高橋電廠一期和二期工程中，在安裝、調(diào)試階段采取了一系列特殊的預(yù)控措施，已能有效地解決聯(lián)鎖保護(hù)的誤動(dòng)問題。外高橋一期(4×300MW亞臨界)的3號(hào)機(jī)組，投產(chǎn)后的半年試生產(chǎn)期的MFT為0，而4號(hào)機(jī)組，更創(chuàng)造了從機(jī)組整組啟動(dòng)直到投產(chǎn)后的半年試生產(chǎn)結(jié)束，MFT為0的空前紀(jì)錄。二期工程(2×900MW超臨界)全部投產(chǎn)后的第一個(gè)迎峰度夏（05年）期間，就創(chuàng)造了連續(xù)運(yùn)行無停機(jī)的業(yè)績(jī)，獲得了華東電網(wǎng)優(yōu)勝的榮譽(yù)。這說明只要措施得當(dāng)，工作到位，大型火電機(jī)組大幅減少調(diào)試及新投產(chǎn)期的MFT次數(shù)是可能的。外高橋二期900MW的汽輪機(jī)性能試驗(yàn)熱耗為7531.4kJ/kWh及7500.8kJ/kWh，遠(yuǎn)優(yōu)于7602kJ/kWh的設(shè)計(jì)保證值，這種情況在以往新機(jī)組中很少出現(xiàn)。這除了得益于塔式爐、大容量旁路及SIEMENS整體交貨的高、中壓缸汽輪機(jī)、特殊的進(jìn)汽結(jié)構(gòu)及合理的啟動(dòng)方式外，較少的停爐次數(shù)也是重要的因素。至少說明在調(diào)試及投產(chǎn)的初期沒有明顯的SPE造成的汽輪機(jī)效率下降問題。并且在兩臺(tái)機(jī)組的設(shè)備條件相同的前提下，第二臺(tái)比第一臺(tái)機(jī)組的停爐次數(shù)明顯減少，其汽輪機(jī)實(shí)際熱耗相對(duì)更低的情況，間接說明了停爐次數(shù)對(duì)汽輪機(jī)效率的關(guān)聯(lián)性。3.5合理的運(yùn)行方式3.5.1調(diào)節(jié)級(jí)運(yùn)行方式由前述分析可知，對(duì)于帶調(diào)節(jié)級(jí)的機(jī)組，當(dāng)處于低負(fù)荷狀態(tài)，并采用部分進(jìn)汽方式時(shí)，級(jí)焓降大大增加，其靜葉出口流速遠(yuǎn)高于全周進(jìn)汽方式，而根據(jù)式（2）進(jìn)行的數(shù)學(xué)仿真表明，蒸汽中夾帶的固體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度大大增加。由于SPE問題與顆粒運(yùn)動(dòng)速度的3次方成正比，若長(zhǎng)期以這種方式運(yùn)行，即使很低的固體顆粒出現(xiàn)概率，亦能對(duì)葉片造成顯著的侵蝕。因此，若不能避免較長(zhǎng)時(shí)間的低負(fù)荷運(yùn)行，則應(yīng)采用全周進(jìn)汽的運(yùn)行方式。另外，新建機(jī)組在調(diào)試階段，雖經(jīng)酸洗及沖管，要徹底的清除管子內(nèi)表面的氧化物還是困難的。有鑒于此，為緩解殘余氧化物在機(jī)組投產(chǎn)后對(duì)汽輪機(jī)葉片的侵蝕，并控制由此導(dǎo)致的效率下降，對(duì)于帶調(diào)節(jié)級(jí)的超超臨界機(jī)組，考慮到在調(diào)試階段的啟停次數(shù)較多，除非調(diào)試需要，應(yīng)盡量避免部分進(jìn)汽方式運(yùn)行，而在機(jī)組投產(chǎn)后的的一段時(shí)間內(nèi)宜采用單閥調(diào)節(jié)（全周進(jìn)汽）方式運(yùn)行，并且每次啟動(dòng)過程及稍后的一段時(shí)間，亦應(yīng)禁止采用順序閥調(diào)節(jié)（部分進(jìn)汽）方式運(yùn)行。3.5.2提高自動(dòng)投入率大型超臨界、超超臨界機(jī)組，系統(tǒng)極其復(fù)雜，而各系統(tǒng)、各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，慣性小。采用手動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)極不可靠。因此，必須徹底摒棄以往在亞臨界中、小機(jī)組中形成的隨意退出自動(dòng)進(jìn)行手操調(diào)節(jié)以及在擾動(dòng)工況下進(jìn)行人工干預(yù)的習(xí)慣。徹底樹立起只有程控和自動(dòng)才能確保安全啟停和安全運(yùn)行的觀念。從機(jī)組的調(diào)試開始，就應(yīng)對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)予以充分的重視，盡早的將各程控及自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入運(yùn)行并優(yōu)化其性能，最大限度地防止操作不當(dāng)造成的機(jī)組強(qiáng)停。3.5.3汽溫調(diào)節(jié)方式超超臨界機(jī)組的金屬溫度安全余度較小，對(duì)汽溫控制的要求很嚴(yán)，當(dāng)出現(xiàn)蒸汽超溫及溫度的上升速率較大時(shí)，通常會(huì)采用噴水的方式控制汽溫。但需引起注意的是每次噴水的過程，都是在相當(dāng)于蒸汽通道的減溫器內(nèi)造成一次冷熱循環(huán)的沖擊，必然導(dǎo)致腔室內(nèi)的氧化皮脫落。且噴水使用越頻繁，所累積造成的SPE問題，包括過熱器、再熱器堵管的風(fēng)險(xiǎn)越大。作為對(duì)策，應(yīng)注重采用調(diào)節(jié)煤水比及燃燒器擺角等手段來控制主蒸汽和再熱汽溫，盡可能減少噴水減溫的使用概率和噴水量。當(dāng)然，這對(duì)熱控自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量提出了更高的要求，由于直流鍋爐的燃燒、負(fù)荷、汽溫控制等各系統(tǒng)間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，調(diào)試難度大。在新機(jī)組的調(diào)試階