一起典型鍋爐爆燃事件的分析

蔡國保，屈章龍，韓 磊，郭嚴(yán)昊，嚴(yán)澤乾

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

隨著燃煤機(jī)組的運行參數(shù)越來越高,以及各發(fā)電集團(tuán)對降非停工作要求日益嚴(yán)格,提高機(jī)組安全穩(wěn)定運行,降低設(shè)備故障率,已成為各發(fā)電企業(yè)面臨的一個長期面臨的問題。機(jī)組的安全穩(wěn)定,重點在鍋爐設(shè)備的安全穩(wěn)定,目前我國發(fā)電廠主要以火力發(fā)電為主,制粉系統(tǒng)實現(xiàn)安全管理可以保證機(jī)組穩(wěn)定運行。以一起典型的鍋爐異常事件為例,深入分析設(shè)備異常的根本原因,為后續(xù)設(shè)備檢修維護(hù)提供參考借鑒。

1 事件概況

某廠1號鍋爐由羅馬尼亞ICPET鍋爐廠生產(chǎn),容量330 MW,鍋爐型式：1100 t/h燃煤、塔式、中間再熱負(fù)壓燃燒、蒸發(fā)點可變的本生型直流鍋爐,額定壓力19.2 MPa。鍋爐燃燒器為WSF型旋流燃燒器,20個燃燒器分5層布置,每層4個,前后墻各2個,布置在同一標(biāo)高,在同一標(biāo)高線上的前后墻燃燒器錯列對沖布置,層與層之間錯列布置；在每面墻上,1,3,5層的同角噴燃器在同一垂直線上,2,4層的同角噴燃器在同一垂直線上。每個燃燒器裝有油火焰和煤火焰監(jiān)視器。

制粉系統(tǒng)為正壓直吹式,配有5臺MPS-190型磨煤機(jī),20個分級送風(fēng)WSF旋流式噴燃器分5層布置在前后墻上,16個Y型油槍均布置在2～5層的16個煤粉燃燒器中心風(fēng)筒內(nèi),一層8個微油油槍布置在4個煤粉燃燒器中心風(fēng)筒內(nèi),每個中心風(fēng)筒內(nèi)布置主輔油槍2支,均配備高能點火裝置。

1號給煤機(jī)因減速機(jī)故障停電待修,3號給煤機(jī)頻繁斷煤。鍋爐大面積滅火且持續(xù)惡化時,磨煤機(jī)“層火焰喪失”及主燃料跳閘(main fuel trip,MFT)保護(hù)拒動,期間運行人員多次投運油槍但點火不成功,且未能及時切斷燃料供應(yīng),導(dǎo)致未燃煤粉、燃油持續(xù)增加,4 min內(nèi)向爐內(nèi)進(jìn)煤粉約7 t,34號油槍點燃后造成鍋爐爆燃。單元長下令緊急停爐,執(zhí)行手動MFT、手動停機(jī)操作。

2 檢查情況

2.1 現(xiàn)場檢查

鍋爐爐底冷灰斗水冷壁西北角及東南角沿鰭片斜向上方向撕裂,水冷壁43根開裂,疏水管7根開裂,撈渣機(jī)四周箱體與冷灰斗水冷壁密封面開裂,與撈渣機(jī)四周箱體接觸的水冷壁向外推移。檢查冷灰斗水冷壁內(nèi)側(cè)有少量積灰,未見積粉或積油現(xiàn)象。

2.2 事件前后風(fēng)機(jī)操作記錄

調(diào)取6臺風(fēng)機(jī)操作記錄,根據(jù)歷史趨勢確認(rèn)事件前6臺風(fēng)機(jī)均處于手動狀態(tài)且維持不變,甲乙側(cè)引風(fēng)機(jī)開度分別為44 %,57 %；甲乙側(cè)一次風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié),電流及變頻調(diào)節(jié)開度無歷史趨勢,甲乙側(cè)一次風(fēng)機(jī)入口擋板開度均為98 %,甲乙側(cè)送風(fēng)機(jī)動葉分別為53 %,36 %。

2.3 運行日志記錄

主要操作記錄顯示,1號和3號給煤機(jī)頻繁斷煤時,機(jī)組負(fù)荷為193 MW,爐膛壓力從0.067 kPa波動降至-2.03 kPa,隨即運行人員程啟12,13和14號微油槍,后續(xù)又程啟21,22和31號大油槍,主蒸汽溫度和壓力下降,機(jī)組快速減負(fù)荷；值長令緊急停爐,機(jī)側(cè)打閘。

2.4 入爐煤摻配方式及煤質(zhì)情況

入爐煤摻配方式：1～5號煤倉采用汽車高硫煤單一煤種,采取爐前配煤方式,因汽車來煤種類較多,煤質(zhì)差異性較大,存在摻配不均的可能性。事后通過2～5號給煤機(jī)取煤樣分析,其中4號給煤機(jī)上煤質(zhì)揮發(fā)分為12.65 %,發(fā)熱量為15.91 MJ/kg,煤質(zhì)熱值較低。

2.5 邏輯檢查

(1) 磨煤機(jī)“層火焰喪失”保護(hù)。磨煤機(jī)“層火焰喪失”的保護(hù)條件為：結(jié)合本層火焰狀態(tài)和相鄰層火焰的狀態(tài)綜合判斷后發(fā)出跳磨指令。該邏輯為羅馬尼亞原始設(shè)計,機(jī)組投產(chǎn)后未進(jìn)行任何修改。因鍋爐長期出現(xiàn)塌灰造成部分火檢及爐膛壓力波動,查詢保護(hù)投退記錄,近5年該保護(hù)一直未投入,暫時維持保護(hù)退出狀態(tài)。

(2) “全爐膛火焰喪失”MFT保護(hù)。“全爐膛火焰喪失”MFT保護(hù)條件為：“有燃燒記憶的情況下,全部油閥關(guān)且5臺磨煤機(jī)全?！?保護(hù)條件實質(zhì)為“全爐膛燃料喪失”保護(hù)。

(3) “爐膛壓力”MFT保護(hù)?！盃t膛壓力”MFT保護(hù)條件為：“當(dāng)爐膛壓力低于-1.5 kPa或者大于+3.0 kPa時,延時15 s動作”,該項保護(hù)為羅馬尼亞原始設(shè)計。

(4) 火檢邏輯。核查煤火檢邏輯,DCS系統(tǒng)顯示的“有火”信號判定條件為：“磨煤機(jī)已運行且燃燒器有火信號存在”。油火檢邏輯與煤火檢邏輯相同,確定火檢邏輯正確。

(5) 油槍程控邏輯。核查油槍程啟/程停步驟,確認(rèn)油槍程啟步序：進(jìn)油槍→開三通閥→開霧化閥→開吹掃閥(吹掃5 s)→進(jìn)點火槍→打火→開油閥。在程啟過程中,前一步反饋作為后一步執(zhí)行條件。步序反饋異常將在DCS畫面上顯示故障信息。

2.6 油槍檢查

根據(jù)運行規(guī)程要求,油槍每周二上午帶油試投一次。查詢油槍缺陷記錄,發(fā)現(xiàn)22號油槍堵,32號油槍機(jī)械卡澀,23號點火槍卡。

進(jìn)入爐內(nèi)檢查燃燒器,2～5層燃燒器一次風(fēng)濃縮器尾部全部被磨穿,造成一次風(fēng)濃縮器內(nèi)部安裝的油槍及套筒因一次風(fēng)粉混合物長期對其沖刷出現(xiàn)磨穿、彎曲變形問題,同時煤粉通過磨穿的一次風(fēng)濃縮器進(jìn)入內(nèi)部中心風(fēng)筒,造成部分中心風(fēng)筒堵塞,影響油槍正常進(jìn)退。2～3層中心風(fēng)筒積灰造成堵塞的油槍有：21～24號,以及33～34號。

2.7 吹灰器情況

機(jī)組投產(chǎn)初期,鍋爐啟停階段采取強制冷卻方式,造成部分鍋爐水冷壁變形,為防止短吹灰器投入對水冷壁造成損壞,廠內(nèi)規(guī)定停運或拆除部分短吹灰器,短吹灰器投入率為28.8 %。

2.8 火檢探頭安裝及參數(shù)設(shè)置

就地檢查火檢探頭安裝及參數(shù)設(shè)置情況,確認(rèn)就地安裝的火檢裝置存在3種類型：

(1) 微油火檢為天臣恒制造的TWD-B型產(chǎn)品(共4支),采用光敏電阻測量火焰信號,經(jīng)過就地火檢信號處理器輸出“有火”信號；

(2) 除微油之外的油火檢和大多數(shù)煤火檢探頭采用DURAG公司的D-LX 701IG-30型產(chǎn)品(共22支),探頭檢測火焰后直接輸出“有火”信號；

(3) 部分煤火檢采用上海準(zhǔn)德電氣有限公司的ZDHDL-G-80型產(chǎn)品(共8支),探頭檢測火焰后輸出“有火”信號。

在現(xiàn)場核對了7支火檢探頭(DURAG產(chǎn)品)的參數(shù)設(shè)置情況,包括11號微油、12號煤火檢、24號煤火檢、24號油火檢、34號煤火檢、34號油火檢、41號煤火檢和53號煤火檢。各支火檢探頭參數(shù)設(shè)置情況見表1。

表1 火檢探頭參數(shù)設(shè)置(DURAG產(chǎn)品)

根據(jù)DURAG產(chǎn)品使用說明書可以確定：火檢門檻值合理的設(shè)置范圍為5～9,數(shù)字越大,門檻值越低；靈敏度宜設(shè)置為V6 (調(diào)節(jié)范圍為V1～V8),數(shù)字越大表示火檢增益倍數(shù)越大,即火檢靈敏度越高。通過數(shù)據(jù)對比,確定就地火檢探頭門檻值設(shè)置在合理范圍內(nèi),但是多數(shù)火檢增益倍數(shù)設(shè)置值偏高,一定程度上提高了火檢“偷看”的概率。

2.9 SOE記錄

調(diào)取SOE記錄信息顯示,由于1號機(jī)組SOE功能已喪失,無法讀取事故期間相關(guān)的SOE信息。

3 原因分析

3.1 鍋爐爆燃直接原因

給煤機(jī)頻繁斷煤造成鍋爐大面積滅火且持續(xù)惡化時,磨煤機(jī)“層火焰喪失”保護(hù)及MFT保護(hù)拒動,期間運行人員反復(fù)多次投運油槍且點火不成功,又未能及時切斷燃料供應(yīng),導(dǎo)致未燃煤粉、燃油持續(xù)增加,4 min內(nèi)向爐內(nèi)進(jìn)煤粉約7 t,34號油槍點燃后造成鍋爐發(fā)生爆燃。

3.2 鍋爐大面積滅火且持續(xù)惡化原因

3號磨煤機(jī)出口溫度從74 ℃上升至最高99 ℃,原因為3號給煤機(jī)斷煤,運行人員增大冷風(fēng)調(diào)門開度控制磨煤機(jī)出口溫度,未及時減少熱風(fēng)調(diào)門控制磨入口風(fēng)量,3號磨煤機(jī)內(nèi)煤粉逐步抽空后,大量冷風(fēng)進(jìn)入使3層燃燒器滅火。由于3層燃燒器夾在2層和4～5層燃燒器之間,3層燃燒器滅火后對剩余2,4,5層燃燒器燃燒造成擾動,導(dǎo)致鍋爐燃燒不穩(wěn)、大面積滅火且持續(xù)惡化。

3.3 爐膛壓力低的原因

檢查發(fā)現(xiàn)爐底水封正常,排除因鍋爐塌灰或掉焦造成爐膛壓力波動。判斷鍋爐發(fā)生大面積滅火,爐內(nèi)溫度快速降低,氣體混合物急劇收縮,導(dǎo)致爐膛壓力下降至低于-2.03 kPa。

3.4 鍋爐滅火后投油槍原因

因煤火檢信號為開關(guān)量,不能直觀反映爐內(nèi)燃燒強度,同時運行人員未對氧量、煙氣溫度等判斷鍋爐燃燒情況的特征參數(shù)進(jìn)行綜合分析,僅從開關(guān)量信號誤判爐內(nèi)仍有燃燒,而持續(xù)投入油槍。

風(fēng)粉混合物磨穿一次風(fēng)濃縮器,沖刷其內(nèi)部安裝的油槍、點火槍,同時煤粉進(jìn)入一次風(fēng)濃縮器內(nèi)部堵塞部分中心風(fēng)筒,造成油槍和點火槍卡澀、變形,油槍磨穿漏油、霧化不良等問題,導(dǎo)致鍋爐燃燒惡化時點火不成功。

3.5 層火焰喪失保護(hù)及MFT保護(hù)拒動原因

(1) 磨煤機(jī)“層火焰喪失”保護(hù)拒動的原因：鍋爐長期出現(xiàn)塌灰造成部分火檢及爐膛壓力波動,該保護(hù)長期未投入。

(2) 爐膛壓力MFT保護(hù)拒動的原因：遵循羅馬尼亞機(jī)組原設(shè)計,爐膛壓力保護(hù)條件定為“爐膛壓力高于+3000 Pa或者低于-1500 Pa時,延時15 s”,因事件發(fā)生時爐膛壓力低于-1500 Pa的持續(xù)時間僅為4 s,且爆燃時爐膛壓力高于3000 Pa持續(xù)時間僅為3 s,不滿足保護(hù)動作條件,因此該項保護(hù)未動作。

(3) “全爐膛火焰喪失”MFT保護(hù)拒動的原因：現(xiàn)有的“全爐膛火焰喪失”保護(hù)條件為“有燃燒記憶的情況下,所有燃油閥均關(guān)閉,且所有磨煤機(jī)均跳閘”,其實質(zhì)內(nèi)容為“全燃料喪失”MFT保護(hù),因事件發(fā)生期間有4臺磨煤機(jī)及部分油槍在運行,不滿足保護(hù)動作條件,因此該項保護(hù)未動作。

4 處理及防范措施

(1) 修復(fù)變形的水冷壁、剛性梁、吊帶、吊拉桿、爐外下聯(lián)箱分配器部分管壁；更換破損的水冷壁、疏水管；修復(fù)爐底密封；全面檢查鍋爐及環(huán)保設(shè)施,發(fā)現(xiàn)缺陷或尾部存在積粉時及時處理。

(2) 嚴(yán)格執(zhí)行反事故措施要求。當(dāng)爐膛已經(jīng)滅火或已局部滅火并瀕臨全部滅火時,嚴(yán)禁投助燃油槍、等離子點火槍等穩(wěn)燃槍；當(dāng)鍋爐滅火后,要立即停止燃料(含煤、油、燃?xì)狻⒅品鄯怙L(fēng))供給,嚴(yán)禁用爆燃法恢復(fù)燃燒；重新點火前必須對鍋爐進(jìn)行充分通風(fēng)吹掃,以排除爐膛和煙道內(nèi)的可燃物質(zhì)。重要保護(hù)裝置在機(jī)組運行中嚴(yán)禁退出,當(dāng)其故障被迫退出運行時,應(yīng)制定可靠的安全措施,并在8 h內(nèi)恢復(fù)；其他保護(hù)裝置被迫退出運行時,應(yīng)在24 h內(nèi)恢復(fù)。運行期間嚴(yán)格履行聯(lián)鎖保護(hù)投退制度,投退過程應(yīng)有完整的審批和操作記錄。

(3) 加強運行人員反事故措施學(xué)習(xí)演練。本次事故暴露出運行人員事故判斷分析和應(yīng)急處理能力不強、安全意識淡薄等問題。要求嚴(yán)禁違反反事故措施進(jìn)行操作；建議加強運行人員對事故特征判斷學(xué)習(xí)；高度重視和運用煤質(zhì)差時正確的燃燒調(diào)整原則及方法,避免鍋爐滅火。

(4) 優(yōu)化機(jī)組重要保護(hù)邏輯設(shè)計,完善鍋爐保護(hù)及測點信號。優(yōu)化爐膛壓力MFT保護(hù)延時時間,結(jié)合本次事件中爐膛壓力達(dá)到保護(hù)定值時維持的時間,建議按照技術(shù)規(guī)程要求將鍋爐的爐膛保護(hù)延時時間修改為3 s。為確?；饳z檢測裝置測量的正確性,鍋爐停爐后加強對燃燒器的檢查,檢查方法主要有：

① 燃燒器火焰檢測。采用切/投燃燒器的方法,直接觀察、記錄火檢探頭輸出的“有火”信號(源信號)。

② 火焰檢測探頭自檢。正常運行時,就地對任一火焰檢測探頭接線短路、開路各做一次試驗,觀察、記錄自檢報警顯示情況。

③ 爐內(nèi)檢查。利用停爐檢修機(jī)會,進(jìn)入爐膛內(nèi)部逐一核查火檢裝置的安裝情況,檢查范圍包括火檢裝置外套管與燃燒器之間的夾角、火檢鏡頭清潔狀況、套管的嚴(yán)密性及火檢模擬信號測試等。測量探頭安裝深度應(yīng)保證鏡頭與煤燃燒器有一定的距離和最佳安裝視角。同時,建議增加火焰強度模擬量測量功能,便于運行人員提前判定火焰的穩(wěn)定性進(jìn)而采取預(yù)防措施。

(5) 加強缺陷管理。針對此次鍋爐運行期間部分油槍投運失敗和存在缺陷的問題,應(yīng)加強燃油系統(tǒng)設(shè)備缺陷管理,發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理,鍋爐點火系統(tǒng)應(yīng)能可靠備用,定期對油槍進(jìn)行清理和投入試驗,確保油槍動作可靠、霧化良好,能在鍋爐低負(fù)荷或燃燒不穩(wěn)時及時投油助燃。