一起燃烧器故障引起的停炉事故分析

高 斌，赵广家，谈力玮

(大唐景泰发电厂，甘肃 景泰 730408)

1 锅炉蒸发受热面汽水侧分析

在直流工况下，直流锅炉受热面中的工质的流动完全依靠给水泵来实现。在给水泵的作用下，给水依次通过加热、蒸发、过热各个受热面，一次完成升温、蒸发、过热过程，达到所要求的温度。在直流工况下，工质在所有受热面中均为强制流动。在流动过程中，随着加热的进行，工质状态不断发生变化，加热区、蒸发区、过热区之间没有固定的分界线。

锅炉的水动力特性是指在一定的热负荷下，在蒸发受热面管屏中，强迫流动的工质流量q与管屏进出口压差Δp之间的关系。若在一个压差下对应的只有一个工质流量，则这样的水动力特性是稳定的；若一个压差下对应有多个工质流量，则水动力特性是不稳定的。试验和分析证明，当并列管中的工质是两相流体(汽水混合物)时，就可能出现水动力不稳定。

在汽包锅炉中，蒸发受热面(水冷壁)内的工质流动的动力来自工质的重度差，如果在管屏间存在热负荷不均，不同管子内的工质重度差会不同，所以管内工质的流动存在一定的“自补偿”能力。但在直流锅炉中，蒸发受热面内的工质流动依靠给水泵的扬程，入口压力不变，不存在管屏间在热负荷不均时的“自补偿”能力，所以在直流锅炉蒸发受热面内容易产生水动力不稳定。

还有一种水动力不稳定是脉动。脉动是指蒸发受热面中工质流量随时间发生周期性变化的现象。如果发生管间脉动，此时管屏两端压差相同，当给水流量和流出量总量基本不变的情况下，并联各管的工质流量却随时间发生周期性变化。

研究和讨论水动力不稳定性的目的是为了防止由此而造成的受热面管壁超温。为防止发生上述2种水动力不稳定现象，运行方面可以采取的共同措施是提高蒸发受热面入口的质量流速ρ ω。在直流锅炉设计中考虑了蒸发受热面的水动力稳定性问题，通过计算和放大裕量，规定了最低直流负荷。对于SG—2210/25.4—M980型超临界压力直流锅炉，最低直流负荷为30 % BMCR(663 t/h)，给水流量最低保护值为623 t/h。

以上分析仅是从汽水侧考虑的，对燃烧侧没有多加关注。下面就一起直流锅炉燃烧器故障引起的水冷壁管壁超温而停炉的事故，分析燃烧侧对蒸发受热面水动力的影响。

2 事故经过

某日，SG—2210/25.4—M980型超临界压力直流锅炉在40 % BMCR直流工况下运行，运行人员发现启动分离器时见水，而且水位逐渐升高不可控制。通过提高过热度和全开启动系统暖管管路至过热器减温水控制阀门等措施都没有明显效果。迫使运行人员开启HWL液控阀向扩容器排水，随后这种异常的应急调整不断重复发生。技术人员从汽水侧没有查找到发生异常现象的原因，锅炉在异常中维持运行。在此期间，运行值班员在巡检中发现锅炉3号角的喷燃器组整体向下摆动到最低位(SG—2210/25.4—M980型超临界压力直流锅炉采用的是摆动喷燃器)，支撑断裂。但操作人员没有充分重视这一缺陷与锅炉异常运行之间的关系，只当作缺陷等待检修人员处理，而检修人员由于人力不足和检修的难度问题也没有及时消缺。

在3天左右的异常运行中，排水次数越来越频繁，而且部分螺旋段水冷壁在异常调整时出现超温现象，但仍然没有找到原因。最终在一次启动分离器排水调整中，由于螺旋水冷壁管壁温度超限而MFT，造成一次事故停炉。随后在启动过程中，由于部分螺旋段水冷壁管壁温度偏高，水冷壁之间壁温严重不平衡，使得锅炉无法转入直流工况运行，无法接带负荷。经反复分析查找，认为是喷燃器的故障。于是将另外3个角的喷燃器全部下摆至最低位，但和3号角喷燃器仍存在一定的错层。调整后重新进行转直流操作，此次操作时虽然部分螺旋段水冷壁温度仍然较高，但终于转入直流工况运行，锅炉可以接带负荷。随后将锅炉主蒸汽压力提高至14 MPa以上，在40 % BMCR工况下启动分离器没有再次出现见水现象。随着3号角喷燃器缺陷处理好后，锅炉再没有发生此类异常。

3 原因分析

(1) 由于3号角喷燃器整组故障，下摆至最低位，造成喷燃器不同层燃烧，使得炉膛蒸发受热面热负荷不均匀，受热强度严重偏差。其中位于4号角的前墙和右墙部分的水冷壁热负荷区加长，尤其是在4号角下部形成一个热负荷区；而位于3号角的右墙和后墙部分水冷壁则处于低热负荷区。

(2) 由于锅炉工作压力低，汽水比容差较大。当管间受热强度出现严重的偏差时，部分管子内的工质没有蒸发处于单相流，而部分管子内的工质却蒸发后处于两相流，致使管间流动阻力严重不平衡，造成蒸发受热面水动力不稳定。这种水动力不稳定主要体现为管间的多值性。

(3) 运行异常调整中，进行启动分离器排水时加剧了蒸发受热面出口压力的异常波动，使得管间工质流动阻力反复波动，人为造成工质流动的周期性变化，从而极有可能引起管间脉动的发生。记录显示，启动分离器因水位高而排水时，螺旋段水冷壁壁温随排水操作而反复波动。

(4) 由于水冷壁之间的受热强度出现严重偏差，部分水冷壁由于受热强度不足而工质没有蒸发，造成启动分离器见水；而有些水冷壁管工质提前蒸发造成管间水动力不稳定，人为排水操作不当加剧了水动力的不稳定，从而引起部分水冷壁传热恶化，造成管壁超温，直至保护动作。

综上所述，当3号角整组喷燃器由于故障而整体下摆至最低位置时，造成蒸发受热面管间受热严重不均，部分处于4号角区域热负荷区较长的水冷壁内的工质提前蒸发，而部分处于3号角区域的水冷壁内的工质由于受热强度低而没有蒸发。这种燃烧侧的故障造成了蒸发受热面管间的水动力不稳定，且启动分离器见水。当运行人员进行启动分离器排水操作时，又造成水冷壁出口压力反复周期性波动，从而加剧水动力的不稳定。部分螺旋段水冷壁会因水动力不稳定引起的传热恶化而管壁超温，壁温监视点显示部分前墙和右墙螺旋段水冷壁壁温出现超温，与上述分析结论符合。从锅炉MFT动作前的历史趋势可见，最后一次排水操作前启动分离器水位很高，螺旋段水冷壁温度较低(实际这时螺旋段水冷壁之间的壁温差已在20 ℃左右)。但当启动分离器排水时，螺旋段水冷壁管壁温度迅速升高，当排水结束水位升高时管壁温度仍然继续升高，直至锅炉因螺旋段水冷壁管壁温度超温而MFT。

4 结束语

在直流工况下运行，蒸发受热面内发生传热恶化是肯定的，运行调整中必须控制传热恶化点使其离开高热负荷区，也就是通过给水流量的控制来调节工质蒸发相变点的移动。在此次事件的前期处理中，过热度(此型锅炉中间点温度为启动分离器出口蒸汽温度)已经降低至5 ℃，但降低过热度就意味着启动分离器见水速度加快，而使排水操作更加频繁，反过来加剧了水动力不稳定，所以水侧的调整已经处于一种恶性循环。正是由于没有考虑到燃烧侧故障是造成此次异常的根本原因，而只是从汽水侧进行调整，从而最终造成事故停炉。

以前在分析蒸发受热面的水动力不稳定和传热恶化时，更多的是从汽水侧来考虑，基本假定热负荷稳定。从这一起事故可以看出，燃烧侧的故障同样会造成汽水侧发生事故。

此外，锅炉工作压力对处理这类异常也会有一定的影响。在尽量保持同层燃烧后，发现部分水冷壁管壁温度仍然偏高，蒸汽过热度仍然不能维持到20 ℃以上时，这说明在3号角的喷燃器因故障而下摆至最低位后，虽然其他3个角的喷燃器也已下摆，但仍然形成一定的错层燃烧，从而造成管间热负荷不均匀。当提高锅炉工作压力至14 MPa以上时，这种现象明显得到改善。分析认为，保持较高的锅炉工作压力可以减小汽水间的比容差，有利于控制水动力不稳定性；同时，提高锅炉工作压力会使工质饱和温度升高，使蒸发吸热量明显升高，从而使得蒸发相变点后移，传热恶化点更多地离开高热负荷区，使管壁温度能得到显著的控制甚至降低。

以上分析表明，直流锅炉在正常运行时发生启动分离器见水，水冷壁管壁超温异常现象时，应更多考虑是否是燃烧侧发生故障，或是炉膛水冷壁区域局部范围严重结焦造成吸热不均引起的，而不要仅从汽水侧进行分析和处理。保持同层燃烧，维持水冷壁均匀受热，同时提高锅炉工作压力，是处理此类事故的要点。尤其对摆动喷燃器的燃烧系统而言，应经常校核各组喷燃器的位置和角度，保持同层燃烧，防止发生水动力不稳定和传热恶化的情况。

1 范从振．锅炉原理[M]．北京：中国电力出版社，1986．

2 张 磊，李广华．超超临界火电机组丛书—锅炉设备与运行[M]．北京:中国电力出版社，2007．

3 朱全利．国产600 MW超临界火电机组技术丛书—锅炉设备及系统[M]．北京: 中国电力出版社，2006．