某超超臨界1000MW機組鍋爐滿負荷瞬間滅火原因分析及處理

吳壽貴，李 強，郭學敏

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.天津國電華北電力技術工程有限公司，天津 100070；3.蕪湖發電有限責任公司，安徽 蕪湖 241000）

隨著碳達峰碳中和“3060”目標的提出以及國家能源結構的調整，新能源占比增加對電網調峰靈活性提出更高要求，國家電網對火力發電機組深度調峰的可靠性和穩定性提出更高的挑戰，對火力發電機組非停的考核力度日益加大。而大型火力發電機組頻繁深度調峰導致可靠性及穩定性差引發機組跳閘已嚴重威脅電網及系統主要設備的安全運行，尤其在高參數工況下跳閘，其熱應力的存在對設備及系統沖擊極大，同時給電網帶來極大的安全風險，且增加了設備壽命期內的維護成本[1-4]，嚴重影響火力發電機組的盈利能力，但部分機組由于系統及設備存在設計缺陷，機組不同負荷下跳閘時常發生。

本文針對某超超臨界1 000 MW 機組鍋爐滿負荷瞬間跳閘問題展開分析，并提出了防止再發生類似故障的解決方案，以保證機組的安全穩定運行。

1 系統概況

某電廠1 000 MW 機組鍋爐為DG3063.81/29.3-Ⅱ1 型、超超臨界參數、變壓運行直流鍋爐，采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架、Π 型布置方式。鍋爐設計最大連續出力主要性能參數見表1。

表1 鍋爐主要性能參數Tab.1 Main performance parameters of the boiler

燃燒系統為正壓直吹式制粉系統，共布置48 只燃燒器，采用前后墻對沖燃燒方式布置。前墻布置的燃燒器從上往下分別對應的磨煤機為A、B、C；后墻布置的燃燒器從上往下分別對應的磨煤機為D、E、F，前墻3 層，后墻3 層。制粉系統配置6 臺北京電力設備總廠生產的ZGM133N-Ⅱ型中速磨煤機，磨煤機出口每根粉管一分為二。磨煤機對應燃燒器布置如圖1所示。鍋爐設計煤粉細度R90=12.03%，煤粉均勻性系數n=1.1。鍋爐點火方式保留常規油系統微油點火方式。給煤機為沈陽華電電站工程有限公司生產的HD-BSC36型稱重式計量給煤機，每臺出力為10～120 t/h。密封風系統設計2臺100%容量離心式密封風機。風煙系統配置一次風機、送風機和引風機各2 臺，三大風機單臺容量均為50%，調節裝置均為軸流式動葉可調。2 臺空氣預熱器為豪頓華工程有限公司生產的33.5VNT2500 型三分倉空氣預熱器。

圖1 磨煤機對應燃燒器布置Fig.1 Layout of the burners corresponding to the coal mills

除渣系統采用濕式機械排渣系統，每臺爐爐底設有渣井、水密封裝置和刮板撈渣機。另外，每臺鍋爐設1 個直徑8 m、有效容積260 m3的鋼渣倉。

2 機組跳閘過程

鍋爐于1月9日23:00 點火，1月11日11:46機組首次滿負荷1 000 MW 運行。滿負荷時主蒸汽溫度590 ℃，再熱蒸汽溫度596 ℃，燃料量為378 t/h，氧量（體積分數，下同）2.2%，總風量3 211 t/h，給水量2 784 t/h。1月11日13:34，鍋爐滿負荷運行102 min 后，煤質發生變化，在機組負荷不變的情況下，總煤量由378 t/h 降至341 t/h，下降37 t/h。當煤量降至360 t/h 時，撈渣機密封水的水位出現40～50 mm 小幅波動。15:17:32 機組負荷達1 007 MW，運行參數穩定，機組跳閘前，鍋爐負壓–28 Pa，總煤量348 t/h，總風量2 938 t/h，鍋爐燃燒氧量3.8%。15:17:40 C 層燃燒器和F 層燃燒器煤火檢開始出現異常。15:18:04 火檢消失數量達到臨界火焰保護動作條件，臨界火焰保護觸發，鍋爐MFT 動作，汽輪機跳閘、發電機跳閘。機組跳閘過程如 圖2所示，C、F 磨煤機對應燃燒器的火檢消失順序如圖3所示，B、D、E 磨煤機對應燃燒器的火檢消失順序如圖4所示。

圖2 機組跳閘過程主要參數趨勢Fig.2 Change trends of the main parameters during the unit tripping process

圖3 C 層、F 層燃燒器火檢信號消失順序Fig.3 The disappearing sequence of fire detection signal of burners in C layer and F layer

圖4 B 層、D 層、E 層燃燒器火檢消失順序Fig.4 The disappearing sequence of fire detection signal of burners in B,D and E layer

13:24 保護動作前，煤質已發生變化，負荷不變情況下，總煤量由378 t/h 下降至341 t/h，當下降到360 t/h 時，撈渣液位有小幅變化。14:47 在工況不變的情況下，至機組跳閘時，A/B 引風機動葉由62%/62%開到67%/67%，A/B 送風機由46%/36%關到40%/33%。保護動作后，從滅火順序看，先滅C層和F 層，再滅B 層、E 層，最后滅A、D 層。自下而上，從C 層火檢異常開始至鍋爐滅火保護動作僅23 s 時間，動作時間極短。同時，在集控室濕式撈渣機監控攝像發現大量蒸汽外泄。

3 原因分析

3.1 直接原因

采用酸堿比值和硅鋁比值分別計算鍋爐燃用煤質結渣特性，酸堿比值計算結渣指數為0.126 704；硅鋁比值計算結渣指數為3.886 372。2 種計算結果顯示，燃用煤種屬于易結渣煤質[5]。在鍋爐正常運行過程中，爐內結渣嚴重時，有大渣塊頻繁掉落，而在大負荷時，具有一定體積的渣塊溫度一般均在900 ℃以上[6-7]，尤其在短時間內大量渣塊掉落會引起撈渣機的密封水蒸發，產生大量蒸汽[8-12]。在鍋爐保護動作時，撈渣機的液位較低，DCS 顯示液位為49 mm，但實際水位為–166.5 mm。當水位低于–160 mm 時爐膛處于臨界密封狀態，當大渣塊掉入時，液位大幅波動破壞了爐底水封，這樣大渣塊掉落產生的蒸汽快速上移，導致燃燒器從下至上逐漸滅火，燃燒器滅火達到臨界火焰保護動作條件，同時爐膛負壓超過保護動作值，導致鍋爐滅火[13-14]。

鍋爐跳閘后，檢查發現燃燒器口存在掛焦現象，且存在大焦塊掉落的痕跡，同時，撈渣機的頭部發現有大塊焦被刮出，結合撈渣機周圍大量蒸汽外泄等現象，說明掉渣滅火是直接原因。

3.2 間接原因

從DCS 觀察撈渣機補水的歷史數據發現，09:53:01 補水，水位由190 mm 升至251 mm；10:44:16 補水，水位由191 mm 升至280 mm；12:40補水，水位由82 mm 升到183 mm；之后未再發補水指令。從12:40 最后一次補水完成至15:10 引風機出力異常，停止補水的總時長為150 min。按照DCS 撈渣機液位歷史數據2.33 mm/min 的下降速率計算，撈渣機水封破壞時，液位下降總高度為349.5 mm，液位下降的總高度減去最后一次的補水高度，忽略撈渣機結構對渣船水容積的影響，實際液位為–166.5 mm。根據撈渣機安裝標高以及鍋爐滿負荷時就地實測關斷擋板的沉降量擬合計算，撈渣機的液位在–160 mm 時鍋爐水封已被破壞。機組跳閘后就地檢查發現，補水液位開關被煤泥掩埋導致補水失效，從而造成水封破壞。

撈渣機液位測量原理如圖5所示。H為高水位，N為正常水位，L為低水位，當撈渣機的液位達到最低水位線c時，系統邏輯會自動發開閥補水指令，但補水信號采用的是開關量信號，由于開關量信號被煤泥掩埋，邏輯判斷認為渣船里水位正常，導致控制系統在12:40 補水后不再發補水指令，從而造成撈渣機缺水后水封被破壞。可見，撈渣機的液位測量裝置設計不合理，未考慮到密封水灰渣及煤粉濃度增加對液位測量裝置的影響。

另外，鍋爐一直長時間處于低負荷運行，鍋爐爐膛吹灰器無法及時投運；加之在帶高負荷過程中，由于燃用煤種復雜，沒能及時發現燃燒器掛焦，使燃燒器結焦加重。除此之外，爐渣未成型及二次風剛度差造成密封水灰渣及煤粉濃度高，也是造成此次滅火的原因之一。

在升負荷過程中，由于磨煤機振動大，磨煤機分離器轉速最高控制在65 r/min 運行，導致煤粉細度達不到R90=12%設計值，實際煤粉細度為R90為18%～19%，造成飛灰含碳量和爐渣含碳量偏高，當磨煤機分離器轉速為60 r/min 時，除塵器入口飛灰含碳量為6.98%，爐渣含碳量為7.0%。由于爐渣含碳量偏高，爐渣沒有成型固化；同時，為了降低NOx的含量，高低位燃盡風開度相對較大，導致二次風箱壓力與爐膛壓力的差壓僅為0.35 kPa，差壓低對最下層燃燒器的托底效果差，在旋流燃燒器離心力的作用下，部分未燃盡煤粉直接落入撈渣機，導致水封的灰渣及煤粉顆粒的含量增加，使水位變送器測量位置積渣，導致測量失真，影響及時補水，最終造成爐底水封破壞。

4 防范措施

4.1 液位測量裝置改進

為了解決撈渣機補水開關量一次元件測量桶的設計缺陷，將原測量桶的平底設計改為倒錐形，并在錐斗底增加1 根引流管，將沉積的灰渣及煤粉顆粒引流至撈渣機底部，避免測量桶底部積渣造成液位測量失真，降低液位測量元件被掩埋的風險，提高可靠性。撈渣機液位測量緩沖罐改造前、后對比如圖5所示。

圖5 撈渣機液位測量緩沖灌改造前、后對比Fig.5 The liquid level measuring buffer tank of the slag machine before and after the improvement

4.2 補水閥邏輯優化

在實際測量過程中，結合模擬量的趨勢和數字量的變化來判斷，可避免系統因儀表故障或檢修而造成誤動作[15-17]。考慮到單信號作用的可靠性差，將原邏輯僅用開關量信號作為補水閥的開指令改為：水位測量開關量低信號觸發或模擬量的水位信號低于0.25 m（正常0～0.45 m）且鍋爐已點火運行時則發出緊急補水指令。修改后的補水閥邏輯如圖6所示。

圖6 撈渣機最終補水邏輯優化Fig.6 The optimization diagram of final water supplement logic of the slag machine

4.3 鍋爐燃燒調整

在機組負荷750 MW 工況下，通過磨煤機煤粉細度調整試驗，分別在磨煤機出力不變，磨煤機分離器轉速分別為60、75 r/min 下進行煤粉細度以及飛灰含碳量和爐渣的含碳量調整。當分離器轉速為60 r/min 時，除塵器入口飛灰含碳量為6.98%。爐渣含碳量為7.00%；當分離器轉速為70 r/min 時，除塵器入口飛灰含碳量為4.25%，爐渣含碳量為1.02%，有效改善了爐渣的形態，使封水中灰渣及煤粉的顆粒濃度降低。

同時，在機組750 MW 負荷不變，磨煤機運行方式和磨煤機分離器轉速不變的工況下，將中層和上層燃燒器對應二次風門由78%關至68%，最下層燃燒器對應二次風門由70%開至90%，將下層燃盡風和上層燃盡風開度關小，保證二次風箱的風壓同時兼顧NOx的量。調整后電除塵入口飛灰含碳量為4.10%，爐渣含碳量為0.96%。

通過上述燃燒調整，鍋爐飛灰含碳量有明顯的下降，在撈渣機的頭部觀察渣的形態已由原來的粥狀變成顆粒狀，顏色也由原先的黑色變為灰色，有效降低了撈渣機密封水的灰渣顆粒濃度，改善了液位計的測量環境。

4.4 加強吹灰

鍋爐長時間處于低負荷運行后，折焰角及水冷壁會積聚大量灰渣，當鍋爐負荷達到吹灰條件時，強化吹灰，避免長時間不吹灰而造成掉焦塌灰滅火[18]。

5 處理效果

針對某1 000 MW 機組鍋爐滿負荷瞬間滅火問題，通過采取液位測量桶改進，補水閥控制邏輯優化，以及調整磨煤機煤粉細度、增加燃燒器底層二次風剛度等燃燒調整措施后，2 號機組經過多次啟動帶負荷過程中，水封能滿足機組長周期安全運行要求，保證了機組的經濟、安全和穩定運行。