大型火力發(fā)電廠煤粉鍋爐危險(xiǎn)有害因素分析

張相建

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266071）

0 引言

鍋爐是供汽發(fā)電之源，其運(yùn)行是否安全，直接影響大型火力發(fā)電廠的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。

鍋爐是具有爆炸危險(xiǎn)的特種設(shè)備，受國家特種設(shè)備監(jiān)察機(jī)構(gòu)監(jiān)管。通過對(duì)大型發(fā)電廠煤粉鍋爐危險(xiǎn)有害因素分析可以辨識(shí)出該系統(tǒng)中的危險(xiǎn)有害因素，并可以針對(duì)相應(yīng)的危險(xiǎn)有害因素提出相應(yīng)的對(duì)策措施，以降低鍋爐發(fā)生事故和人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)率，提高系統(tǒng)的本質(zhì)安全化程度。

1 大型火力發(fā)電廠煤粉鍋爐主要危險(xiǎn)有害物質(zhì)

大型火力發(fā)電廠煤粉鍋爐所使用的主要原輔材料有煤、輕柴油、石灰石粉，產(chǎn)成品主要有高溫高壓蒸汽和水以及高溫?zé)煔?。物料在使用、貯存、運(yùn)輸過程中一旦發(fā)生意外泄漏或事故性溢出，極易導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒、窒息、腐蝕事故的發(fā)生和造成粉塵的毒害。

2 主要危險(xiǎn)有害物質(zhì)特性

2.1 煤

煤是一種可自燃物質(zhì)，在卸煤、輸煤過程中及制粉過程很多部位會(huì)產(chǎn)生煤塵，如轉(zhuǎn)運(yùn)站、碎煤機(jī)室、煤倉間等。如果煤塵在空氣中達(dá)到一定濃度，在外界高溫、碰撞、摩擦、振動(dòng)、明火、電火花的作用下會(huì)引起爆炸，爆炸后產(chǎn)生的氣浪會(huì)使沉積的粉塵飛揚(yáng)，造成二次爆炸事故。

2.2 輕柴油

輕柴油易燃，一般屬于乙類危險(xiǎn)類別高閃點(diǎn)液體，爆炸危險(xiǎn)類別ⅡA類，T3組別，與氧化劑接觸，有引起燃燒的危險(xiǎn)。

2.3 高溫高壓蒸汽和水

鍋爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生和使用的各種水、汽，大多壓力高、溫度高，由于設(shè)備及管系故障泄漏，不但造成設(shè)備事故，造成停產(chǎn)、停電和經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)造成人員燙傷和擊傷。

2.4 工程在生產(chǎn)中高溫?zé)煔猓?00℃以上）

煙氣中含有二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物及不完全燃燒產(chǎn)生的一氧化碳。煙氣泄漏會(huì)造成人員灼傷、中毒、窒息，還會(huì)造成腐蝕、污染環(huán)境和大氣。

3 主要危險(xiǎn)有害物質(zhì)的分布

4 主要危險(xiǎn)有害因素分析

鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)主要包括鍋爐本體、燃燒系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)等3個(gè)部分。

電站鍋爐本體屬于特種設(shè)備，特別是鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器及附屬的蒸汽管道內(nèi)的工作介質(zhì)溫度、壓力非常高，運(yùn)行過程中因?yàn)樵O(shè)計(jì)、制造、安裝階段遺留的缺陷沒有消除，或者在投運(yùn)后水質(zhì)不合格、燃用煤種不當(dāng)造成結(jié)垢、結(jié)焦、結(jié)渣導(dǎo)致受熱面過熱運(yùn)行，會(huì)發(fā)生容器爆炸、燙傷等危險(xiǎn)因素和事故停爐。制粉系統(tǒng)的磨煤機(jī)出口溫度高、長(zhǎng)期間停運(yùn)（如備用磨煤機(jī)）會(huì)導(dǎo)致積煤自燃，并引發(fā)制粉系統(tǒng)的火災(zāi)、爆炸事故。點(diǎn)火助燃油系統(tǒng)因?yàn)榉漓o電措施不完善、雷擊、油品泄露等原因會(huì)發(fā)生輕柴油或其蒸汽的火災(zāi)、爆炸事故。

4.1 電站鍋爐材料選擇和焊接風(fēng)險(xiǎn)

電站鍋爐水冷壁、汽水分離器、高溫過熱器/再熱器及其出口聯(lián)箱、主蒸汽和再熱蒸汽管道等是承受著高溫、高壓的工作環(huán)境，同時(shí)還被水蒸氣氧化、高溫?zé)煔飧g。對(duì)選用材料的抗蠕變、疲勞、高溫氧化與腐蝕、冷加工與熱加工等性能都提出了更苛刻的要求。

4.1.1 水冷壁

水冷壁用鋼要有一定的高溫強(qiáng)度，良好的抗疲勞、抗煙氣腐蝕、耐磨損性能，并有良好的工藝性能，尤其是焊接性能。另外，水冷壁的介質(zhì)是汽液兩相，管外壁又在爐膛燃燒時(shí)煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)速度最快的區(qū)域，積垢導(dǎo)致的管壁溫度升高和燃燒顆粒沖刷都是選用鋼材要考慮的問題。

4.1.2 過熱器、再熱器

過熱器、再熱器所選用的鋼材應(yīng)能在滿足持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度要求的同時(shí)，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕及抗飛灰沖蝕性能、管子內(nèi)部抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷熱加工工藝性能和焊接性能。燃煤的含硫量、煙氣腐蝕性、壁溫等因素對(duì)過熱器、再熱器材料選擇有較大影響。

4.1.3 聯(lián)箱與管道

由于聯(lián)箱（末級(jí)過熱器、末級(jí)再熱器出口聯(lián)箱）與管道（主蒸汽管道、導(dǎo)汽和再熱蒸汽管道）布置在爐外，沒有煙氣加熱及腐蝕問題，管壁溫度與蒸汽溫度接近，因此鋼材應(yīng)具有足夠高的持久強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度、抗疲勞和抗蒸汽氧化性能，還要具有良好的加工工藝和焊接性能。

4.1.4 汽水分離器

汽水分離器是電站鍋爐的厚壁元件，主要承受低周疲勞應(yīng)力，機(jī)組啟動(dòng)過程中機(jī)組負(fù)荷變化率越大，汽水分離器承受的應(yīng)力也就越大。因此，汽水分離器的選材應(yīng)有足夠的強(qiáng)度承受低周疲勞應(yīng)力，也要有良好的焊接性能。

4.2 鍋爐熱膨脹

電站煤粉鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器、汽水分離器等受熱部件因?yàn)椴捎媒饘俨牧喜煌?、膨脹系?shù)不一致，將會(huì)引起局部熱應(yīng)力增加，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

4.3 鍋爐爐膛爆炸

因火檢系統(tǒng)故障、熱控系統(tǒng)故障等原因，鍋爐滅火后未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)向爐內(nèi)供給煤粉；運(yùn)行中鍋爐工況調(diào)整不當(dāng)，燃燒異常，爐膛火焰中心溫度下移、溫度下降但未完全熄滅，煤粉未能完全燃燒；鍋爐熄火后未能將爐內(nèi)未燃燼的煤粉吹掃干凈；點(diǎn)火失敗后未嚴(yán)格執(zhí)行氣體吹掃置換措施并再次點(diǎn)火，引燃輕柴油霧滴或煤粉與爐膛內(nèi)空氣混合形成的爆炸性混合氣體，以上異常情況下均可能造成爐膛爆炸事故。

4.4 鍋爐尾部煙道再燃燒

當(dāng)鍋爐燃燒不良時(shí)，爐膛內(nèi)未燃盡的煤粉、碳黑或油粒隨煙氣被帶到鍋爐尾部，沉積在尾部受熱面上，在高溫作用下燃料氧化，產(chǎn)生熱量，當(dāng)達(dá)到自燃溫度就會(huì)發(fā)生鍋爐尾部煙道再燃燒，使尾部受熱面過熱、超溫，使其爆管損壞。

4.5 四管（過熱器、再熱器、水冷器、省煤器）爆漏事故

過熱器、再熱器、水冷器、省煤器（簡(jiǎn)稱鍋爐“四管”）爆漏的主要原因是超溫、磨損、疲勞斷裂、腐蝕、焊接質(zhì)量、工作人員失誤、設(shè)計(jì)不妥等因素造成。

“四管”爆漏有其周期性：機(jī)組投產(chǎn)初期多是管材、焊口、設(shè)計(jì)、制造、安裝方面的問題引起的；過若干年后超溫過熱爆破連續(xù)出現(xiàn)；再往后磨損、腐蝕問題就會(huì)突出起來；水質(zhì)惡化或運(yùn)行管理出現(xiàn)大的失誤往往會(huì)引起大面積爆漏。通過大修或批量換管會(huì)穩(wěn)定一段時(shí)間，過些年問題又會(huì)暴露出來。

4.6 煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)鍋爐系統(tǒng)安全性影響分析

大型發(fā)電廠煤粉鍋爐燃煤一般使用貧煤、煙煤等煤質(zhì)，燃燒穩(wěn)定性較好，但是在磨煤機(jī)、煤粉管道內(nèi)積留的煤粉容易發(fā)生自燃事故；設(shè)計(jì)煤種、校核煤種的灰中二氧化硅、三氧化二鋁含量較高，灰的硬度較高，灰對(duì)鍋爐受熱面磨損較重，對(duì)磨煤機(jī)的磨損也重。因此在磨煤機(jī)選擇、鍋爐選型、燃燒工況設(shè)計(jì)方面需要充分考慮煤種特性及煤種變化對(duì)鍋爐安全運(yùn)行的影響。

4.6.1 煤質(zhì)變化對(duì)金屬磨損的影響。

含有硬顆粒的流體（煙氣灰粒）相對(duì)于固體運(yùn)行（受熱面金屬），使固體表面（金屬表面）產(chǎn)生的磨損的沖蝕（或沖擊磨損）。

爐內(nèi)受熱面特別是低溫受熱面的磨損會(huì)受到煤灰特性的影響，灰的磨損性能系數(shù)不但與灰中的SiO2和AlO3含量有關(guān)，同時(shí)還與Fe2O3及未燃盡的余碳含量有關(guān)：煤灰中高硬度的SiO2、未燃盡碳和Fe2O3的含量越高，煤灰的磨損越強(qiáng)，而煤的本身也有一定的磨損性，煤的磨損指數(shù)Ke決定了煤對(duì)金屬件的磨損程度，直接關(guān)系到磨煤部件和輸煤系統(tǒng)的工作壽命及安全性，煤對(duì)金屬的磨損與煤中硬質(zhì)顆粒含量有關(guān)，而硬質(zhì)顆粒主要來源于煤中的礦物雜質(zhì)。

4.6.2 煤質(zhì)變化對(duì)運(yùn)行安全及經(jīng)濟(jì)性的影響。

出力受限：煤質(zhì)變化可能造成機(jī)組的某些設(shè)備不能滿負(fù)荷運(yùn)行而限制。

煤質(zhì)趨劣使電廠煤耗和廠用電率上升：煤質(zhì)趨劣使鍋爐燃燒不穩(wěn)，導(dǎo)致鍋爐不完全燃燒率增大和排煙過?？諝庠黾樱瑫?huì)導(dǎo)致鍋爐效率下降。

煤質(zhì)趨劣導(dǎo)致可用率降低。

4.7 控制循環(huán)水泵安全性分析

控制循環(huán)水泵故障會(huì)造成鍋爐減負(fù)荷，甚至停爐。除了控制循環(huán)水泵，機(jī)械上和電源方面的設(shè)備故障影響泵的安全可靠運(yùn)行外，循環(huán)水泵可能發(fā)生超溫、汽蝕和泄漏等危險(xiǎn)。其中泵內(nèi)汽化是運(yùn)行中主要危險(xiǎn)，其原因是給水中斷；系統(tǒng)壓力急劇下降；汽包水位低于規(guī)定值。

預(yù)防和處理的方法：保證給水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止出現(xiàn)給水流量的大幅度下降或中斷；控制好汽包水位，不使水位太低；停爐時(shí)要設(shè)法保證蒸發(fā)系統(tǒng)壓力不得降得太快；控制好煤水比例，保證強(qiáng)制循環(huán)泵入口水溫始終低于對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度（5～10℃）；一旦發(fā)生汽化時(shí)應(yīng)及時(shí)停泵處理，防止損壞設(shè)備。

為了防止由于水冷壁管間存在較大的熱偏差而使受熱弱的管子中出現(xiàn)水循環(huán)停滯和倒流，制造廠家在鍋爐設(shè)計(jì)制造時(shí)，根據(jù)水冷壁的熱負(fù)荷，將其劃分成若干個(gè)循環(huán)回路，在管屏或管子進(jìn)口都裝有節(jié)流圈，并在不同的循環(huán)回路中采用不同孔徑的節(jié)流圈，使各循環(huán)回路保證有合理的循環(huán)水速蒸發(fā)管屏中不發(fā)生脈動(dòng)，以消除因水冷壁熱負(fù)荷的差異可能形成水循環(huán)停滯或倒流，破壞正常水循環(huán)，造成水冷壁汽塞爆管事故。

為提高鍋爐水循環(huán)泵的可靠性，應(yīng)選取合理的吸水管水速和管徑，增大吸水管的高度，減少吸水阻力和提高循環(huán)水的欠焓。

對(duì)于控制循環(huán)汽包鍋爐，應(yīng)設(shè)可靠的爐水循環(huán)泵差壓保護(hù)。差壓保護(hù)采用二取二方式，當(dāng)有一點(diǎn)故障退出運(yùn)行時(shí)，應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為一取一的邏輯判斷方式。當(dāng)二點(diǎn)故障超過4h時(shí)，應(yīng)當(dāng)即停止該爐水循環(huán)泵的運(yùn)行。

鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)至少有兩臺(tái)鍋爐水循環(huán)泵運(yùn)行，為防止某臺(tái)鍋爐水循環(huán)泵故障停運(yùn)發(fā)生RB，三臺(tái)鍋爐水循環(huán)泵均應(yīng)投入運(yùn)行。

5 結(jié)論

通過大型發(fā)電廠煤粉鍋爐危險(xiǎn)有害因素分析，可以對(duì)未達(dá)到安全目標(biāo)的系統(tǒng)或單元提出針對(duì)性的補(bǔ)償及補(bǔ)救措施，以利于提高大型發(fā)電廠煤粉鍋爐的本質(zhì)安全程度，滿足安全生產(chǎn)的要求。