煤粉鍋爐局部爆燃原因分析及解決措施

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

近年來，鍋爐滅火事故明顯增加，燃煤質(zhì)量下降、運(yùn)行人員事故判斷分析和應(yīng)急處理能力不強(qiáng)、設(shè)備缺陷、鍋爐掉渣、塌灰等因素都能引起鍋爐滅火事故，特別是煤質(zhì)因素和上述因素混雜在一起時(shí)相互交織，有時(shí)很難準(zhǔn)確分析各因素的主次及影響程度。

當(dāng)鍋爐由于某種原因已經(jīng)瀕臨滅火時(shí)會(huì)出現(xiàn)爐膛壓力急劇下降，絕大多數(shù)火檢大幅度擺動(dòng)甚至滅火的現(xiàn)象，在直吹式制粉系統(tǒng)還會(huì)出現(xiàn)部分磨煤機(jī)由于火檢保護(hù)而跳閘的現(xiàn)象。在這種情況下，部分運(yùn)行人員會(huì)急于挽救而大量投油助燃，此時(shí)爐膛內(nèi)已經(jīng)集聚了相當(dāng)數(shù)量的煤粉，這些煤粉在油槍的支持下可能會(huì)突然被點(diǎn)燃發(fā)生局部爆燃。鍋爐滅火前爐膛負(fù)壓曲線必然出現(xiàn)先負(fù)后正的不規(guī)則變化，且幅度在瞬間由小變大，尤其在低負(fù)荷時(shí)特別明顯。[1-5]

以某電廠鍋爐發(fā)生局部爆燃事故為例，分析原因，制定防范措施。

1 問題描述

1.1 鍋爐概況

某電廠鍋爐是B&WB-1025/18.44 M型亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)，前后墻對沖燃燒方式鍋爐，并配置有B&W標(biāo)準(zhǔn)的雙調(diào)風(fēng)PAX型旋流煤粉燃燒器，制粉系統(tǒng)為直吹式冷一次風(fēng)機(jī)正壓送粉。A層配置4支微油槍，單只出力200 kg/h。B、D、E層每層配置4只大油槍，每只出力1000 kg/h。

鍋爐配有20臺PAX型燃燒器，燃燒器布置方式前墻從下向上分別為B層、D層和C層C1、C2；后墻從下向上分別為A層、E層和C層C3、C4。除A層燃燒器外，B、C、D、E層設(shè)計(jì)燃燒器分離出來的約50%空氣及約15%的煤粉，經(jīng)Φ377 mm×10 mm乏氣管由相鄰兩燃燒器之間的噴口送到爐膛燃燒，乏氣噴口的尺寸為200 mm×500 mm。燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)表見表1。

爐膛壓力MFT保護(hù)動(dòng)作值取開關(guān)量，低低保護(hù)定值-2.5 kPa，三取二，延時(shí)3 s；高高保護(hù)定值1.96 kPa，三取二，延時(shí)3 s；模擬量測點(diǎn)量程±3.0 kPa。

表1 100%鍋爐負(fù)荷下燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)

磨煤機(jī)火焰喪失保護(hù)邏輯條件為磨煤機(jī)運(yùn)行60 s后，煤火檢四取四無火且該層油火檢小于2個(gè)，或煤火檢四取三無火且該層未投油。

1.2 事件過程

事件前機(jī)組負(fù)荷168 MW，A、B、D、E制粉系統(tǒng)運(yùn)行，總煤量91.5 t/h，主蒸汽壓力13 MPa，再熱蒸汽溫度530 ℃，再熱蒸汽壓力2.0 MPa，爐膛負(fù)壓-83 kPa，協(xié)調(diào)投入。

4:57:56時(shí)，A給煤機(jī)故障跳閘報(bào)警，給煤量降至0，就地檢查A給煤機(jī)顯示屏故障報(bào)警，給煤機(jī)停運(yùn)。

4:59:45時(shí)，A1、A2、A3、A4煤火檢失去，A磨煤機(jī)滅火保護(hù)條件滿足，但因A磨煤機(jī)的失去火焰保護(hù)未投，A磨煤機(jī)仍然保持運(yùn)行。

4:59:54時(shí)，爐膛負(fù)壓快速降至-2.048 kPa，持續(xù)時(shí)間未超過3 s，又快速回升。

5:00:37至5:01:12時(shí)，運(yùn)行人員為穩(wěn)定燃燒依次投入A層微油槍，油槍燃燒正常。

5:01:46時(shí)，爐膛負(fù)壓快速升至2.814 kPa，持續(xù)時(shí)間未超過3 s，又快速下降。

5:01:50時(shí)，E1、E2、E3、E4煤火檢失去，E磨煤機(jī)滅火保護(hù)條件滿足，但因E磨煤機(jī)失去火焰保護(hù)未投，E磨煤機(jī)仍然繼續(xù)運(yùn)行。

5:06:24時(shí)，運(yùn)行人員投入E1、E3油槍，E1油槍故障退出，E3投入正常。

5:07:09時(shí)，爐膛壓力快速升至3.031 kPa，持續(xù)時(shí)間未超過3 s，此后爐膛壓力保持在+0.3 kPa左右，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)出力，爐膛負(fù)壓變化不大，此后NOX排放超標(biāo)。

5:13:17時(shí)，停A磨煤機(jī)。

7:00:00時(shí)，巡檢人員發(fā)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)甲、乙側(cè)噴氨處至反應(yīng)器入口煙道共計(jì)4臺膨脹節(jié)開裂，尤其乙側(cè)膨脹節(jié)開裂嚴(yán)重。

7:45:00時(shí)，更換A給煤機(jī)控制面板，啟動(dòng)A制粉系統(tǒng)，運(yùn)行正常，停D制粉系統(tǒng)，降負(fù)荷至100 MW。

9:22:00時(shí)，機(jī)組負(fù)荷77 MW，開裂的膨脹節(jié)漏風(fēng)嚴(yán)重，脫硝系統(tǒng)NOX排放嚴(yán)重超標(biāo)，機(jī)組無法維持運(yùn)行，申請停機(jī)處理。

入爐煤配煤方式：采取爐前配煤，A煤倉和C煤倉為陜北煤和汽車煤，比例5:5；B煤倉為小紀(jì)汗煤和汽車煤，比例5:5；D煤倉和E煤倉為貧瘦煤。陜北煤熱值23.78 MJ/kg，小紀(jì)汗煤熱值21.00 MJ/kg，貧瘦煤熱值15.53 MJ/kg，入爐煤加權(quán)熱值17.32 MJ/kg。

2 事故分析

2.1 鍋爐局部爆燃原因

事發(fā)開始時(shí)，A給煤機(jī)故障跳閘后，爐內(nèi)燃燒逐步惡化，約2 min后A磨煤機(jī)煤火檢全部失去，滅火保護(hù)條件滿足;但因該磨煤機(jī)火焰喪失保護(hù)未投入，鍋爐燃燒惡化的情況下，A磨仍然保持運(yùn)行，運(yùn)行人員為穩(wěn)定燃燒，錯(cuò)誤投入A層油槍，引起爐膛區(qū)域第一次局部爆燃。此后A磨煤機(jī)一直通風(fēng)運(yùn)行，該磨煤機(jī)一、二次風(fēng)對燃燒造成擾動(dòng)，使燃燒進(jìn)一步惡化。當(dāng)A磨煤機(jī)斷煤后入爐煤煤質(zhì)變差，加劇了爐內(nèi)燃燒逐步惡化。

第一次發(fā)生局部爆燃后，E磨煤機(jī)煤火檢相繼失去，滅火保護(hù)條件滿足；但因該保護(hù)未投入，導(dǎo)致E磨煤機(jī)在燃燒惡化的情況下保護(hù)無法動(dòng)作，鍋爐燃燒持續(xù)惡化的情況下E磨繼續(xù)進(jìn)煤粉，運(yùn)行人員再次投入E1、E3油槍，引起鍋爐第二次爆燃。第二次爆燃之后爐膛壓力在+0.3 kPa左右，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)出力，爐膛負(fù)壓變化不大。由此可以推斷脫硝反應(yīng)器入口煙道膨脹節(jié)開裂為第二次爆燃引起。膨脹節(jié)開裂泄漏后，大量空氣吸入，引起脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器入口煙溫下降，反應(yīng)效率降低，造成NOX排放超標(biāo)。

2.2 熱工保護(hù)邏輯排查情況

通過調(diào)查，本次機(jī)組從啟動(dòng)到滅火停機(jī)時(shí)間段，鍋爐爐膛負(fù)壓、全爐膛滅火保護(hù)、汽包水位MFT保護(hù)和磨煤機(jī)火焰喪失保護(hù)均未投入，并且運(yùn)行操作平臺具備保護(hù)投退操作權(quán)限，無保護(hù)投退相關(guān)記錄，也未制定相應(yīng)的防范措施[3]。檢查爐膛壓力開關(guān)信號，其中一點(diǎn)爐膛壓力信號取樣管堵塞。查閱磨煤機(jī)滅火保護(hù)邏輯“煤火檢信號四取四全部消失”不合理，煤火檢四取四無火時(shí)，燃燒惡化時(shí)磨煤機(jī)保護(hù)難以動(dòng)作，增加了局部爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 A磨煤機(jī)斷煤后燃燒惡化的原因

煤粉的著火，實(shí)質(zhì)是風(fēng)粉氣固兩相的著火，當(dāng)一次風(fēng)粉氣流進(jìn)入爐膛后，受到火焰輻射和高溫對流作用，風(fēng)粉被加熱至著火溫度，才能穩(wěn)定著火。將一次風(fēng)粉混合物加熱至著火溫度所需的熱量叫做著火熱，煤粉氣流著火熱可用式(1)粗略計(jì)算。

Qzh=(Cmf+V1kC1k)(Tzh-T1k)

(1)

式中：Qzh為煤粉著火吸熱量，kJ/kg；Cmf為煤粉的比熱容，kJ/kg；V1k為一次風(fēng)量，m3/kg；C1k為空氣的比熱容，kJ/m3：Tzh為煤風(fēng)氣流的著火溫度，K；T1k為一次風(fēng)的初溫，K。較高的一次風(fēng)速和一次風(fēng)率，會(huì)使著火加大、著火推遲，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，極易造成滅火[4]。

為了了解A磨煤機(jī)斷煤后鍋爐燃燒惡化的原因，此后機(jī)組停機(jī)期間對各臺磨煤機(jī)出口粉管一次風(fēng)速進(jìn)行調(diào)平試驗(yàn)。通過調(diào)整后，A、B、E磨煤機(jī)出口一次風(fēng)粉管風(fēng)速偏差在±5%以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是B磨煤機(jī)與其他磨煤機(jī)入口風(fēng)量的基本相同的前提下，粉管風(fēng)速較A、E磨煤機(jī)偏低；C、D磨煤機(jī)粉管一次風(fēng)速無法調(diào)平，表現(xiàn)為C4和D1粉管內(nèi)靜壓較其他粉管偏大并且風(fēng)速偏低。磨煤機(jī)一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見表2。

對燃燒器進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，D1乏氣風(fēng)管堵灰嚴(yán)重，B層燃燒器和C4燃燒器乏氣風(fēng)管因機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)磨穿問題已被封堵。乏氣風(fēng)風(fēng)管封堵或堵灰后造成的主要問題有：

1)B層和C4燃燒器噴口一次風(fēng)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)風(fēng)速；

2)造成粉管內(nèi)一次風(fēng)速偏低，可能出現(xiàn)B磨煤機(jī)出口粉管、C4和D1粉管因風(fēng)速較小出現(xiàn)堵煤的情況。

為了進(jìn)一步了解燃燒器及乏氣風(fēng)噴口一次風(fēng)速實(shí)際數(shù)據(jù)，相同風(fēng)量下對各層燃燒器噴口一次風(fēng)速及乏氣風(fēng)噴口風(fēng)速進(jìn)行了測量，測量結(jié)果見表3。

表2 一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)

表3 燃燒器噴口風(fēng)速測量數(shù)據(jù) 單位：m/s

由表3得知，B層燃燒器噴口一次風(fēng)風(fēng)速在44.6～45.2 m/s之間,C4燃燒器噴口一次風(fēng)風(fēng)速為32.3 m/s，D1燃燒器噴口一次風(fēng)風(fēng)速為39.4 m/s，B層、C4和D1燃燒器噴口一次風(fēng)風(fēng)速遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)一次風(fēng)速15.7 m/s，如此高的一次風(fēng)速度對燃燒穩(wěn)定性極為不利。

根據(jù)爐內(nèi)燃燒器噴口一次風(fēng)速及乏氣風(fēng)管一次風(fēng)速測量結(jié)果，結(jié)合磨煤機(jī)粉管風(fēng)速調(diào)平數(shù)據(jù)，C、D磨煤機(jī)粉管一次風(fēng)速無法調(diào)平的原因?yàn)镃4燃燒器乏氣風(fēng)管封堵和D1乏氣風(fēng)管堵灰造成，并且在磨煤機(jī)入口風(fēng)量與其他磨煤機(jī)基本一致的情況下，B層粉管內(nèi)風(fēng)速偏低的原因同樣為乏氣風(fēng)管封堵造成。

通過一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)、爐內(nèi)噴口風(fēng)速測量試驗(yàn)和同類型機(jī)組運(yùn)行期間燃燒情況可以判斷，運(yùn)行期間當(dāng)A磨煤機(jī)斷煤時(shí)，B層燃燒器噴口一次風(fēng)嚴(yán)重風(fēng)速偏高，如此高的一次風(fēng)速度對燃燒穩(wěn)定性極為不利，因此B磨煤機(jī)、D1、C4燃燒器噴口一次風(fēng)速偏高是A磨煤機(jī)斷煤后鍋爐燃燒惡化的主要原因。

3 解決措施

通過以上分析，部分燃燒器乏氣風(fēng)管封堵導(dǎo)致其燃燒器噴口一次風(fēng)速偏高是A磨煤機(jī)斷煤后鍋爐燃燒惡化的主要原因，同時(shí)是鍋爐局部爆燃的誘因；入爐煤質(zhì)較差加劇了爐內(nèi)燃燒逐步惡化；當(dāng)爐膛已經(jīng)滅火或已局部滅火并瀕臨全部滅火時(shí)，運(yùn)行人員投助燃油槍、部分鍋爐 MFT保護(hù)和磨煤機(jī)滅火保護(hù)未投入是此次鍋爐爐膛局部爆燃引起脫硝入口膨脹節(jié)開裂、NOX排放指標(biāo)超標(biāo)的主要原因。

基于以上分析，給出了以下措施：

1)對保護(hù)邏輯進(jìn)行全面排查，對不合理的保護(hù)邏輯進(jìn)行修訂，強(qiáng)化保護(hù)投入的重要性，加強(qiáng)保護(hù)管理。當(dāng)鍋爐爐已經(jīng)滅火或已局部滅火并瀕臨全部滅火時(shí)，嚴(yán)禁投油穩(wěn)燃，立即停止燃料供給，嚴(yán)禁用爆燃法恢復(fù)燃燒。

2)鍋爐爐膛壓力、全爐膛滅火等重要保護(hù)裝置在機(jī)組運(yùn)行中嚴(yán)禁退出，當(dāng)其故障被迫退出運(yùn)行時(shí)，應(yīng)制定可靠的安全措施。

3)全爐膛滅火保護(hù)邏輯中“煤火檢信號四取四全部消失” 修改為“煤火檢信號四取三消失”。

4)恢復(fù)封堵的乏氣風(fēng)管，并進(jìn)行一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)，測量燃燒器噴口內(nèi)、外二次風(fēng)量并調(diào)整。

5)熱態(tài)時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整。

綜合采取以上措施后，燃燒器噴口一次風(fēng)速恢復(fù)要求的正常值，鍋爐燃燒得到強(qiáng)化，燃燒的穩(wěn)定性明顯提高，解決了A磨煤機(jī)斷煤后鍋爐燃燒惡化和局部爆燃事故的發(fā)生，飛灰、爐渣可燃物含量較以前降低明顯。

4 結(jié) 語

通過此次事故分析，入爐煤質(zhì)量較差、運(yùn)行人員事故判斷分析和應(yīng)急處理能力不強(qiáng)、設(shè)備缺陷、熱工保護(hù)管理缺失，以上因素混雜在一起時(shí)導(dǎo)致此時(shí)鍋爐局部爆燃事故。

為此針對性地提出恢復(fù)封堵的燃燒器乏氣風(fēng)管、全面排查鍋爐主保護(hù)并修改不合理的保護(hù)邏輯、加強(qiáng)運(yùn)行人員應(yīng)急處理能力的培訓(xùn)和鍋爐主保護(hù)管理措施后，避免了鍋爐局部爆燃事故的再次發(fā)生，對同類機(jī)組有重要的指導(dǎo)意義。