一起燃燒器故障引起的停爐事故分析

高 斌，趙廣家，談力瑋

(大唐景泰發電廠，甘肅 景泰 730408)

1 鍋爐蒸發受熱面汽水側分析

在直流工況下，直流鍋爐受熱面中的工質的流動完全依靠給水泵來實現。在給水泵的作用下，給水依次通過加熱、蒸發、過熱各個受熱面，一次完成升溫、蒸發、過熱過程，達到所要求的溫度。在直流工況下，工質在所有受熱面中均為強制流動。在流動過程中，隨著加熱的進行，工質狀態不斷發生變化，加熱區、蒸發區、過熱區之間沒有固定的分界線。

鍋爐的水動力特性是指在一定的熱負荷下，在蒸發受熱面管屏中，強迫流動的工質流量q與管屏進出口壓差Δp之間的關系。若在一個壓差下對應的只有一個工質流量，則這樣的水動力特性是穩定的；若一個壓差下對應有多個工質流量，則水動力特性是不穩定的。試驗和分析證明，當并列管中的工質是兩相流體(汽水混合物)時，就可能出現水動力不穩定。

在汽包鍋爐中，蒸發受熱面(水冷壁)內的工質流動的動力來自工質的重度差，如果在管屏間存在熱負荷不均，不同管子內的工質重度差會不同，所以管內工質的流動存在一定的“自補償”能力。但在直流鍋爐中，蒸發受熱面內的工質流動依靠給水泵的揚程，入口壓力不變，不存在管屏間在熱負荷不均時的“自補償”能力，所以在直流鍋爐蒸發受熱面內容易產生水動力不穩定。

還有一種水動力不穩定是脈動。脈動是指蒸發受熱面中工質流量隨時間發生周期性變化的現象。如果發生管間脈動，此時管屏兩端壓差相同，當給水流量和流出量總量基本不變的情況下，并聯各管的工質流量卻隨時間發生周期性變化。

研究和討論水動力不穩定性的目的是為了防止由此而造成的受熱面管壁超溫。為防止發生上述2種水動力不穩定現象，運行方面可以采取的共同措施是提高蒸發受熱面入口的質量流速ρ ω。在直流鍋爐設計中考慮了蒸發受熱面的水動力穩定性問題，通過計算和放大裕量，規定了最低直流負荷。對于SG—2210/25.4—M980型超臨界壓力直流鍋爐，最低直流負荷為30 % BMCR(663 t/h)，給水流量最低保護值為623 t/h。

以上分析僅是從汽水側考慮的，對燃燒側沒有多加關注。下面就一起直流鍋爐燃燒器故障引起的水冷壁管壁超溫而停爐的事故，分析燃燒側對蒸發受熱面水動力的影響。

2 事故經過

某日，SG—2210/25.4—M980型超臨界壓力直流鍋爐在40 % BMCR直流工況下運行，運行人員發現啟動分離器時見水，而且水位逐漸升高不可控制。通過提高過熱度和全開啟動系統暖管管路至過熱器減溫水控制閥門等措施都沒有明顯效果。迫使運行人員開啟HWL液控閥向擴容器排水，隨后這種異常的應急調整不斷重復發生。技術人員從汽水側沒有查找到發生異常現象的原因，鍋爐在異常中維持運行。在此期間，運行值班員在巡檢中發現鍋爐3號角的噴燃器組整體向下擺動到最低位(SG—2210/25.4—M980型超臨界壓力直流鍋爐采用的是擺動噴燃器)，支撐斷裂。但操作人員沒有充分重視這一缺陷與鍋爐異常運行之間的關系，只當作缺陷等待檢修人員處理，而檢修人員由于人力不足和檢修的難度問題也沒有及時消缺。

在3天左右的異常運行中，排水次數越來越頻繁，而且部分螺旋段水冷壁在異常調整時出現超溫現象，但仍然沒有找到原因。最終在一次啟動分離器排水調整中，由于螺旋水冷壁管壁溫度超限而MFT，造成一次事故停爐。隨后在啟動過程中，由于部分螺旋段水冷壁管壁溫度偏高，水冷壁之間壁溫嚴重不平衡，使得鍋爐無法轉入直流工況運行，無法接帶負荷。經反復分析查找，認為是噴燃器的故障。于是將另外3個角的噴燃器全部下擺至最低位，但和3號角噴燃器仍存在一定的錯層。調整后重新進行轉直流操作，此次操作時雖然部分螺旋段水冷壁溫度仍然較高，但終于轉入直流工況運行，鍋爐可以接帶負荷。隨后將鍋爐主蒸汽壓力提高至14 MPa以上，在40 % BMCR工況下啟動分離器沒有再次出現見水現象。隨著3號角噴燃器缺陷處理好后，鍋爐再沒有發生此類異常。

3 原因分析

(1) 由于3號角噴燃器整組故障，下擺至最低位，造成噴燃器不同層燃燒，使得爐膛蒸發受熱面熱負荷不均勻，受熱強度嚴重偏差。其中位于4號角的前墻和右墻部分的水冷壁熱負荷區加長，尤其是在4號角下部形成一個熱負荷區；而位于3號角的右墻和后墻部分水冷壁則處于低熱負荷區。

(2) 由于鍋爐工作壓力低，汽水比容差較大。當管間受熱強度出現嚴重的偏差時，部分管子內的工質沒有蒸發處于單相流，而部分管子內的工質卻蒸發后處于兩相流，致使管間流動阻力嚴重不平衡，造成蒸發受熱面水動力不穩定。這種水動力不穩定主要體現為管間的多值性。

(3) 運行異常調整中，進行啟動分離器排水時加劇了蒸發受熱面出口壓力的異常波動，使得管間工質流動阻力反復波動，人為造成工質流動的周期性變化，從而極有可能引起管間脈動的發生。記錄顯示，啟動分離器因水位高而排水時，螺旋段水冷壁壁溫隨排水操作而反復波動。

(4) 由于水冷壁之間的受熱強度出現嚴重偏差，部分水冷壁由于受熱強度不足而工質沒有蒸發，造成啟動分離器見水；而有些水冷壁管工質提前蒸發造成管間水動力不穩定，人為排水操作不當加劇了水動力的不穩定，從而引起部分水冷壁傳熱惡化，造成管壁超溫，直至保護動作。

綜上所述，當3號角整組噴燃器由于故障而整體下擺至最低位置時，造成蒸發受熱面管間受熱嚴重不均，部分處于4號角區域熱負荷區較長的水冷壁內的工質提前蒸發，而部分處于3號角區域的水冷壁內的工質由于受熱強度低而沒有蒸發。這種燃燒側的故障造成了蒸發受熱面管間的水動力不穩定，且啟動分離器見水。當運行人員進行啟動分離器排水操作時，又造成水冷壁出口壓力反復周期性波動，從而加劇水動力的不穩定。部分螺旋段水冷壁會因水動力不穩定引起的傳熱惡化而管壁超溫，壁溫監視點顯示部分前墻和右墻螺旋段水冷壁壁溫出現超溫，與上述分析結論符合。從鍋爐MFT動作前的歷史趨勢可見，最后一次排水操作前啟動分離器水位很高，螺旋段水冷壁溫度較低(實際這時螺旋段水冷壁之間的壁溫差已在20 ℃左右)。但當啟動分離器排水時，螺旋段水冷壁管壁溫度迅速升高，當排水結束水位升高時管壁溫度仍然繼續升高，直至鍋爐因螺旋段水冷壁管壁溫度超溫而MFT。

4 結束語

在直流工況下運行，蒸發受熱面內發生傳熱惡化是肯定的，運行調整中必須控制傳熱惡化點使其離開高熱負荷區，也就是通過給水流量的控制來調節工質蒸發相變點的移動。在此次事件的前期處理中，過熱度(此型鍋爐中間點溫度為啟動分離器出口蒸汽溫度)已經降低至5 ℃，但降低過熱度就意味著啟動分離器見水速度加快，而使排水操作更加頻繁，反過來加劇了水動力不穩定，所以水側的調整已經處于一種惡性循環。正是由于沒有考慮到燃燒側故障是造成此次異常的根本原因，而只是從汽水側進行調整，從而最終造成事故停爐。

以前在分析蒸發受熱面的水動力不穩定和傳熱惡化時，更多的是從汽水側來考慮，基本假定熱負荷穩定。從這一起事故可以看出，燃燒側的故障同樣會造成汽水側發生事故。

此外，鍋爐工作壓力對處理這類異常也會有一定的影響。在盡量保持同層燃燒后，發現部分水冷壁管壁溫度仍然偏高，蒸汽過熱度仍然不能維持到20 ℃以上時，這說明在3號角的噴燃器因故障而下擺至最低位后，雖然其他3個角的噴燃器也已下擺，但仍然形成一定的錯層燃燒，從而造成管間熱負荷不均勻。當提高鍋爐工作壓力至14 MPa以上時，這種現象明顯得到改善。分析認為，保持較高的鍋爐工作壓力可以減小汽水間的比容差，有利于控制水動力不穩定性；同時，提高鍋爐工作壓力會使工質飽和溫度升高，使蒸發吸熱量明顯升高，從而使得蒸發相變點后移，傳熱惡化點更多地離開高熱負荷區，使管壁溫度能得到顯著的控制甚至降低。

以上分析表明，直流鍋爐在正常運行時發生啟動分離器見水，水冷壁管壁超溫異常現象時，應更多考慮是否是燃燒側發生故障，或是爐膛水冷壁區域局部范圍嚴重結焦造成吸熱不均引起的，而不要僅從汽水側進行分析和處理。保持同層燃燒，維持水冷壁均勻受熱，同時提高鍋爐工作壓力，是處理此類事故的要點。尤其對擺動噴燃器的燃燒系統而言，應經常校核各組噴燃器的位置和角度，保持同層燃燒，防止發生水動力不穩定和傳熱惡化的情況。

1 范從振．鍋爐原理[M]．北京：中國電力出版社，1986．

2 張 磊，李廣華．超超臨界火電機組叢書—鍋爐設備與運行[M]．北京:中國電力出版社，2007．

3 朱全利．國產600 MW超臨界火電機組技術叢書—鍋爐設備及系統[M]．北京: 中國電力出版社，2006．