煤粉鍋爐局部爆燃原因分析及解決措施

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

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

當鍋爐由于某種原因已經瀕臨滅火時會出現爐膛壓力急劇下降，絕大多數火檢大幅度擺動甚至滅火的現象，在直吹式制粉系統還會出現部分磨煤機由于火檢保護而跳閘的現象。在這種情況下，部分運行人員會急于挽救而大量投油助燃，此時爐膛內已經集聚了相當數量的煤粉，這些煤粉在油槍的支持下可能會突然被點燃發生局部爆燃。鍋爐滅火前爐膛負壓曲線必然出現先負后正的不規則變化，且幅度在瞬間由小變大，尤其在低負荷時特別明顯。[1-5]

以某電廠鍋爐發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、單爐膛、平衡通風，前后墻對沖燃燒方式鍋爐，并配置有B&W標準的雙調風PAX型旋流煤粉燃燒器，制粉系統為直吹式冷一次風機正壓送粉。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層設計燃燒器分離出來的約50%空氣及約15%的煤粉，經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。燃燒器設計參數表見表1。

爐膛壓力MFT保護動作值取開關量，低低保護定值-2.5 kPa，三取二，延時3 s；高高保護定值1.96 kPa，三取二，延時3 s；模擬量測點量程±3.0 kPa。

表1 100%鍋爐負荷下燃燒器設計參數

磨煤機火焰喪失保護邏輯條件為磨煤機運行60 s后，煤火檢四取四無火且該層油火檢小于2個，或煤火檢四取三無火且該層未投油。

1.2 事件過程

事件前機組負荷168 MW，A、B、D、E制粉系統運行，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，爐膛負壓-83 kPa，協調投入。

4:57:56時，A給煤機故障跳閘報警，給煤量降至0，就地檢查A給煤機顯示屏故障報警，給煤機停運。

4:59:45時，A1、A2、A3、A4煤火檢失去，A磨煤機滅火保護條件滿足，但因A磨煤機的失去火焰保護未投，A磨煤機仍然保持運行。

4:59:54時，爐膛負壓快速降至-2.048 kPa，持續時間未超過3 s，又快速回升。

5:00:37至5:01:12時，運行人員為穩定燃燒依次投入A層微油槍，油槍燃燒正常。

5:01:46時，爐膛負壓快速升至2.814 kPa，持續時間未超過3 s，又快速下降。

5:01:50時，E1、E2、E3、E4煤火檢失去，E磨煤機滅火保護條件滿足，但因E磨煤機失去火焰保護未投，E磨煤機仍然繼續運行。

5:06:24時，運行人員投入E1、E3油槍，E1油槍故障退出，E3投入正常。

5:07:09時，爐膛壓力快速升至3.031 kPa，持續時間未超過3 s，此后爐膛壓力保持在+0.3 kPa左右，通過調整風機出力，爐膛負壓變化不大，此后NOX排放超標。

5:13:17時，停A磨煤機。

7:00:00時，巡檢人員發現脫硝系統甲、乙側噴氨處至反應器入口煙道共計4臺膨脹節開裂，尤其乙側膨脹節開裂嚴重。

7:45:00時，更換A給煤機控制面板，啟動A制粉系統，運行正常，停D制粉系統，降負荷至100 MW。

9:22:00時，機組負荷77 MW，開裂的膨脹節漏風嚴重，脫硝系統NOX排放嚴重超標，機組無法維持運行，申請停機處理。

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，小紀汗煤熱值21.00 MJ/kg，貧瘦煤熱值15.53 MJ/kg，入爐煤加權熱值17.32 MJ/kg。

2 事故分析

2.1 鍋爐局部爆燃原因

事發開始時，A給煤機故障跳閘后，爐內燃燒逐步惡化，約2 min后A磨煤機煤火檢全部失去，滅火保護條件滿足;但因該磨煤機火焰喪失保護未投入，鍋爐燃燒惡化的情況下，A磨仍然保持運行，運行人員為穩定燃燒，錯誤投入A層油槍，引起爐膛區域第一次局部爆燃。此后A磨煤機一直通風運行，該磨煤機一、二次風對燃燒造成擾動，使燃燒進一步惡化。當A磨煤機斷煤后入爐煤煤質變差，加劇了爐內燃燒逐步惡化。

第一次發生局部爆燃后，E磨煤機煤火檢相繼失去，滅火保護條件滿足；但因該保護未投入，導致E磨煤機在燃燒惡化的情況下保護無法動作，鍋爐燃燒持續惡化的情況下E磨繼續進煤粉，運行人員再次投入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，通過調整風機出力，爐膛負壓變化不大。由此可以推斷脫硝反應器入口煙道膨脹節開裂為第二次爆燃引起。膨脹節開裂泄漏后，大量空氣吸入，引起脫硝系統反應器入口煙溫下降，反應效率降低，造成NOX排放超標。

2.2 熱工保護邏輯排查情況

通過調查，本次機組從啟動到滅火停機時間段，鍋爐爐膛負壓、全爐膛滅火保護、汽包水位MFT保護和磨煤機火焰喪失保護均未投入，并且運行操作平臺具備保護投退操作權限，無保護投退相關記錄，也未制定相應的防范措施[3]。檢查爐膛壓力開關信號，其中一點爐膛壓力信號取樣管堵塞。查閱磨煤機滅火保護邏輯“煤火檢信號四取四全部消失”不合理，煤火檢四取四無火時，燃燒惡化時磨煤機保護難以動作，增加了局部爆燃的風險。

2.3 A磨煤機斷煤后燃燒惡化的原因

煤粉的著火，實質是風粉氣固兩相的著火，當一次風粉氣流進入爐膛后，受到火焰輻射和高溫對流作用，風粉被加熱至著火溫度，才能穩定著火。將一次風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為一次風量，m3/kg；C1k為空氣的比熱容，kJ/m3：Tzh為煤風氣流的著火溫度，K；T1k為一次風的初溫，K。較高的一次風速和一次風率，會使著火加大、著火推遲，導致燃燒不穩定，極易造成滅火[4]。

為了了解A磨煤機斷煤后鍋爐燃燒惡化的原因，此后機組停機期間對各臺磨煤機出口粉管一次風速進行調平試驗。通過調整后，A、B、E磨煤機出口一次風粉管風速偏差在±5%以內，符合標準要求，但是B磨煤機與其他磨煤機入口風量的基本相同的前提下，粉管風速較A、E磨煤機偏低；C、D磨煤機粉管一次風速無法調平，表現為C4和D1粉管內靜壓較其他粉管偏大并且風速偏低。磨煤機一次風調平試驗測試數據見表2。

對燃燒器進行檢查發現，D1乏氣風管堵灰嚴重，B層燃燒器和C4燃燒器乏氣風管因機組運行出現磨穿問題已被封堵。乏氣風風管封堵或堵灰后造成的主要問題有：

1)B層和C4燃燒器噴口一次風遠高于設計風速；

2)造成粉管內一次風速偏低，可能出現B磨煤機出口粉管、C4和D1粉管因風速較小出現堵煤的情況。

為了進一步了解燃燒器及乏氣風噴口一次風速實際數據，相同風量下對各層燃燒器噴口一次風速及乏氣風噴口風速進行了測量，測量結果見表3。

表2 一次風調平試驗

表3 燃燒器噴口風速測量數據 單位：m/s

由表3得知，B層燃燒器噴口一次風風速在44.6～45.2 m/s之間,C4燃燒器噴口一次風風速為32.3 m/s，D1燃燒器噴口一次風風速為39.4 m/s，B層、C4和D1燃燒器噴口一次風風速遠高于設計一次風速15.7 m/s，如此高的一次風速度對燃燒穩定性極為不利。

根據爐內燃燒器噴口一次風速及乏氣風管一次風速測量結果，結合磨煤機粉管風速調平數據，C、D磨煤機粉管一次風速無法調平的原因為C4燃燒器乏氣風管封堵和D1乏氣風管堵灰造成，并且在磨煤機入口風量與其他磨煤機基本一致的情況下，B層粉管內風速偏低的原因同樣為乏氣風管封堵造成。

通過一次風調平試驗、爐內噴口風速測量試驗和同類型機組運行期間燃燒情況可以判斷，運行期間當A磨煤機斷煤時，B層燃燒器噴口一次風嚴重風速偏高，如此高的一次風速度對燃燒穩定性極為不利，因此B磨煤機、D1、C4燃燒器噴口一次風速偏高是A磨煤機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，部分燃燒器乏氣風管封堵導致其燃燒器噴口一次風速偏高是A磨煤機斷煤后鍋爐燃燒惡化的主要原因，同時是鍋爐局部爆燃的誘因；入爐煤質較差加劇了爐內燃燒逐步惡化；當爐膛已經滅火或已局部滅火并瀕臨全部滅火時，運行人員投助燃油槍、部分鍋爐 MFT保護和磨煤機滅火保護未投入是此次鍋爐爐膛局部爆燃引起脫硝入口膨脹節開裂、NOX排放指標超標的主要原因。

基于以上分析，給出了以下措施：

1)對保護邏輯進行全面排查，對不合理的保護邏輯進行修訂，強化保護投入的重要性，加強保護管理。當鍋爐爐已經滅火或已局部滅火并瀕臨全部滅火時，嚴禁投油穩燃，立即停止燃料供給，嚴禁用爆燃法恢復燃燒。

2)鍋爐爐膛壓力、全爐膛滅火等重要保護裝置在機組運行中嚴禁退出，當其故障被迫退出運行時，應制定可靠的安全措施。

3)全爐膛滅火保護邏輯中“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)恢復封堵的乏氣風管，并進行一次風調平試驗，測量燃燒器噴口內、外二次風量并調整。

5)熱態時進行燃燒調整。

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

4 結 語

通過此次事故分析，入爐煤質量較差、運行人員事故判斷分析和應急處理能力不強、設備缺陷、熱工保護管理缺失，以上因素混雜在一起時導致此時鍋爐局部爆燃事故。

為此針對性地提出恢復封堵的燃燒器乏氣風管、全面排查鍋爐主保護并修改不合理的保護邏輯、加強運行人員應急處理能力的培訓和鍋爐主保護管理措施后，避免了鍋爐局部爆燃事故的再次發生，對同類機組有重要的指導意義。