煤粉锅炉局部爆燃原因分析及解决措施

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

近年来，锅炉灭火事故明显增加，燃煤质量下降、运行人员事故判断分析和应急处理能力不强、设备缺陷、锅炉掉渣、塌灰等因素都能引起锅炉灭火事故，特别是煤质因素和上述因素混杂在一起时相互交织，有时很难准确分析各因素的主次及影响程度。

当锅炉由于某种原因已经濒临灭火时会出现炉膛压力急剧下降，绝大多数火检大幅度摆动甚至灭火的现象，在直吹式制粉系统还会出现部分磨煤机由于火检保护而跳闸的现象。在这种情况下，部分运行人员会急于挽救而大量投油助燃，此时炉膛内已经集聚了相当数量的煤粉，这些煤粉在油枪的支持下可能会突然被点燃发生局部爆燃。锅炉灭火前炉膛负压曲线必然出现先负后正的不规则变化，且幅度在瞬间由小变大，尤其在低负荷时特别明显。[1-5]

以某电厂锅炉发生局部爆燃事故为例，分析原因，制定防范措施。

1 问题描述

1.1 锅炉概况

某电厂锅炉是B&WB-1025/18.44 M型亚临界、中间再热、自然循环、单炉膛、平衡通风，前后墙对冲燃烧方式锅炉，并配置有B&W标准的双调风PAX型旋流煤粉燃烧器，制粉系统为直吹式冷一次风机正压送粉。A层配置4支微油枪，单只出力200 kg/h。B、D、E层每层配置4只大油枪，每只出力1000 kg/h。

锅炉配有20台PAX型燃烧器，燃烧器布置方式前墙从下向上分别为B层、D层和C层C1、C2；后墙从下向上分别为A层、E层和C层C3、C4。除A层燃烧器外，B、C、D、E层设计燃烧器分离出来的约50%空气及约15%的煤粉，经Φ377 mm×10 mm乏气管由相邻两燃烧器之间的喷口送到炉膛燃烧，乏气喷口的尺寸为200 mm×500 mm。燃烧器设计参数表见表1。

炉膛压力MFT保护动作值取开关量，低低保护定值-2.5 kPa，三取二，延时3 s；高高保护定值1.96 kPa，三取二，延时3 s；模拟量测点量程±3.0 kPa。

表1 100%锅炉负荷下燃烧器设计参数

磨煤机火焰丧失保护逻辑条件为磨煤机运行60 s后，煤火检四取四无火且该层油火检小于2个，或煤火检四取三无火且该层未投油。

1.2 事件过程

事件前机组负荷168 MW，A、B、D、E制粉系统运行，总煤量91.5 t/h，主蒸汽压力13 MPa，再热蒸汽温度530 ℃，再热蒸汽压力2.0 MPa，炉膛负压-83 kPa，协调投入。

4:57:56时，A给煤机故障跳闸报警，给煤量降至0，就地检查A给煤机显示屏故障报警，给煤机停运。

4:59:45时，A1、A2、A3、A4煤火检失去，A磨煤机灭火保护条件满足，但因A磨煤机的失去火焰保护未投，A磨煤机仍然保持运行。

4:59:54时，炉膛负压快速降至-2.048 kPa，持续时间未超过3 s，又快速回升。

5:00:37至5:01:12时，运行人员为稳定燃烧依次投入A层微油枪，油枪燃烧正常。

5:01:46时，炉膛负压快速升至2.814 kPa，持续时间未超过3 s，又快速下降。

5:01:50时，E1、E2、E3、E4煤火检失去，E磨煤机灭火保护条件满足，但因E磨煤机失去火焰保护未投，E磨煤机仍然继续运行。

5:06:24时，运行人员投入E1、E3油枪，E1油枪故障退出，E3投入正常。

5:07:09时，炉膛压力快速升至3.031 kPa，持续时间未超过3 s，此后炉膛压力保持在+0.3 kPa左右，通过调整风机出力，炉膛负压变化不大，此后NOX排放超标。

5:13:17时，停A磨煤机。

7:00:00时，巡检人员发现脱硝系统甲、乙侧喷氨处至反应器入口烟道共计4台膨胀节开裂，尤其乙侧膨胀节开裂严重。

7:45:00时，更换A给煤机控制面板，启动A制粉系统，运行正常，停D制粉系统，降负荷至100 MW。

9:22:00时，机组负荷77 MW，开裂的膨胀节漏风严重，脱硝系统NOX排放严重超标，机组无法维持运行，申请停机处理。

入炉煤配煤方式：采取炉前配煤，A煤仓和C煤仓为陕北煤和汽车煤，比例5:5；B煤仓为小纪汗煤和汽车煤，比例5:5；D煤仓和E煤仓为贫瘦煤。陕北煤热值23.78 MJ/kg，小纪汗煤热值21.00 MJ/kg，贫瘦煤热值15.53 MJ/kg，入炉煤加权热值17.32 MJ/kg。

2 事故分析

2.1 锅炉局部爆燃原因

事发开始时，A给煤机故障跳闸后，炉内燃烧逐步恶化，约2 min后A磨煤机煤火检全部失去，灭火保护条件满足;但因该磨煤机火焰丧失保护未投入，锅炉燃烧恶化的情况下，A磨仍然保持运行，运行人员为稳定燃烧，错误投入A层油枪，引起炉膛区域第一次局部爆燃。此后A磨煤机一直通风运行，该磨煤机一、二次风对燃烧造成扰动，使燃烧进一步恶化。当A磨煤机断煤后入炉煤煤质变差，加剧了炉内燃烧逐步恶化。

第一次发生局部爆燃后，E磨煤机煤火检相继失去，灭火保护条件满足；但因该保护未投入，导致E磨煤机在燃烧恶化的情况下保护无法动作，锅炉燃烧持续恶化的情况下E磨继续进煤粉，运行人员再次投入E1、E3油枪，引起锅炉第二次爆燃。第二次爆燃之后炉膛压力在+0.3 kPa左右，通过调整风机出力，炉膛负压变化不大。由此可以推断脱硝反应器入口烟道膨胀节开裂为第二次爆燃引起。膨胀节开裂泄漏后，大量空气吸入，引起脱硝系统反应器入口烟温下降，反应效率降低，造成NOX排放超标。

2.2 热工保护逻辑排查情况

通过调查，本次机组从启动到灭火停机时间段，锅炉炉膛负压、全炉膛灭火保护、汽包水位MFT保护和磨煤机火焰丧失保护均未投入，并且运行操作平台具备保护投退操作权限，无保护投退相关记录，也未制定相应的防范措施[3]。检查炉膛压力开关信号，其中一点炉膛压力信号取样管堵塞。查阅磨煤机灭火保护逻辑“煤火检信号四取四全部消失”不合理，煤火检四取四无火时，燃烧恶化时磨煤机保护难以动作，增加了局部爆燃的风险。

2.3 A磨煤机断煤后燃烧恶化的原因

煤粉的着火，实质是风粉气固两相的着火，当一次风粉气流进入炉膛后，受到火焰辐射和高温对流作用，风粉被加热至着火温度，才能稳定着火。将一次风粉混合物加热至着火温度所需的热量叫做着火热，煤粉气流着火热可用式(1)粗略计算。

Qzh=(Cmf+V1kC1k)(Tzh-T1k)

(1)

式中：Qzh为煤粉着火吸热量，kJ/kg；Cmf为煤粉的比热容，kJ/kg；V1k为一次风量，m3/kg；C1k为空气的比热容，kJ/m3：Tzh为煤风气流的着火温度，K；T1k为一次风的初温，K。较高的一次风速和一次风率，会使着火加大、着火推迟，导致燃烧不稳定，极易造成灭火[4]。

为了了解A磨煤机断煤后锅炉燃烧恶化的原因，此后机组停机期间对各台磨煤机出口粉管一次风速进行调平试验。通过调整后，A、B、E磨煤机出口一次风粉管风速偏差在±5%以内，符合标准要求，但是B磨煤机与其他磨煤机入口风量的基本相同的前提下，粉管风速较A、E磨煤机偏低；C、D磨煤机粉管一次风速无法调平，表现为C4和D1粉管内静压较其他粉管偏大并且风速偏低。磨煤机一次风调平试验测试数据见表2。

对燃烧器进行检查发现，D1乏气风管堵灰严重，B层燃烧器和C4燃烧器乏气风管因机组运行出现磨穿问题已被封堵。乏气风风管封堵或堵灰后造成的主要问题有：

1)B层和C4燃烧器喷口一次风远高于设计风速；

2)造成粉管内一次风速偏低，可能出现B磨煤机出口粉管、C4和D1粉管因风速较小出现堵煤的情况。

为了进一步了解燃烧器及乏气风喷口一次风速实际数据，相同风量下对各层燃烧器喷口一次风速及乏气风喷口风速进行了测量，测量结果见表3。

表2 一次风调平试验

表3 燃烧器喷口风速测量数据 单位：m/s

由表3得知，B层燃烧器喷口一次风风速在44.6～45.2 m/s之间,C4燃烧器喷口一次风风速为32.3 m/s，D1燃烧器喷口一次风风速为39.4 m/s，B层、C4和D1燃烧器喷口一次风风速远高于设计一次风速15.7 m/s，如此高的一次风速度对燃烧稳定性极为不利。

根据炉内燃烧器喷口一次风速及乏气风管一次风速测量结果，结合磨煤机粉管风速调平数据，C、D磨煤机粉管一次风速无法调平的原因为C4燃烧器乏气风管封堵和D1乏气风管堵灰造成，并且在磨煤机入口风量与其他磨煤机基本一致的情况下，B层粉管内风速偏低的原因同样为乏气风管封堵造成。

通过一次风调平试验、炉内喷口风速测量试验和同类型机组运行期间燃烧情况可以判断，运行期间当A磨煤机断煤时，B层燃烧器喷口一次风严重风速偏高，如此高的一次风速度对燃烧稳定性极为不利，因此B磨煤机、D1、C4燃烧器喷口一次风速偏高是A磨煤机断煤后锅炉燃烧恶化的主要原因。

3 解决措施

通过以上分析，部分燃烧器乏气风管封堵导致其燃烧器喷口一次风速偏高是A磨煤机断煤后锅炉燃烧恶化的主要原因，同时是锅炉局部爆燃的诱因；入炉煤质较差加剧了炉内燃烧逐步恶化；当炉膛已经灭火或已局部灭火并濒临全部灭火时，运行人员投助燃油枪、部分锅炉 MFT保护和磨煤机灭火保护未投入是此次锅炉炉膛局部爆燃引起脱硝入口膨胀节开裂、NOX排放指标超标的主要原因。

基于以上分析，给出了以下措施：

1)对保护逻辑进行全面排查，对不合理的保护逻辑进行修订，强化保护投入的重要性，加强保护管理。当锅炉炉已经灭火或已局部灭火并濒临全部灭火时，严禁投油稳燃，立即停止燃料供给，严禁用爆燃法恢复燃烧。

2)锅炉炉膛压力、全炉膛灭火等重要保护装置在机组运行中严禁退出，当其故障被迫退出运行时，应制定可靠的安全措施。

3)全炉膛灭火保护逻辑中“煤火检信号四取四全部消失” 修改为“煤火检信号四取三消失”。

4)恢复封堵的乏气风管，并进行一次风调平试验，测量燃烧器喷口内、外二次风量并调整。

5)热态时进行燃烧调整。

综合采取以上措施后，燃烧器喷口一次风速恢复要求的正常值，锅炉燃烧得到强化，燃烧的稳定性明显提高，解决了A磨煤机断煤后锅炉燃烧恶化和局部爆燃事故的发生，飞灰、炉渣可燃物含量较以前降低明显。

4 结 语

通过此次事故分析，入炉煤质量较差、运行人员事故判断分析和应急处理能力不强、设备缺陷、热工保护管理缺失，以上因素混杂在一起时导致此时锅炉局部爆燃事故。

为此针对性地提出恢复封堵的燃烧器乏气风管、全面排查锅炉主保护并修改不合理的保护逻辑、加强运行人员应急处理能力的培训和锅炉主保护管理措施后，避免了锅炉局部爆燃事故的再次发生，对同类机组有重要的指导意义。