大型火力发电厂煤粉锅炉危险有害因素分析

2012-08-15张相建

科技视界 2012年30期

张相建

（中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室山东青岛 266071）

0 引言

锅炉是供汽发电之源，其运行是否安全，直接影响大型火力发电厂的安全生产及经济效益。

锅炉是具有爆炸危险的特种设备，受国家特种设备监察机构监管。通过对大型发电厂煤粉锅炉危险有害因素分析可以辨识出该系统中的危险有害因素，并可以针对相应的危险有害因素提出相应的对策措施，以降低锅炉发生事故和人员伤亡的风险率，提高系统的本质安全化程度。

1 大型火力发电厂煤粉锅炉主要危险有害物质

大型火力发电厂煤粉锅炉所使用的主要原辅材料有煤、轻柴油、石灰石粉，产成品主要有高温高压蒸汽和水以及高温烟气。物料在使用、贮存、运输过程中一旦发生意外泄漏或事故性溢出，极易导致火灾、爆炸、中毒、窒息、腐蚀事故的发生和造成粉尘的毒害。

2 主要危险有害物质特性

2.1 煤

煤是一种可自燃物质，在卸煤、输煤过程中及制粉过程很多部位会产生煤尘，如转运站、碎煤机室、煤仓间等。如果煤尘在空气中达到一定浓度，在外界高温、碰撞、摩擦、振动、明火、电火花的作用下会引起爆炸，爆炸后产生的气浪会使沉积的粉尘飞扬，造成二次爆炸事故。

2.2 轻柴油

轻柴油易燃，一般属于乙类危险类别高闪点液体，爆炸危险类别ⅡA类，T3组别，与氧化剂接触，有引起燃烧的危险。

2.3 高温高压蒸汽和水

锅炉生产过程中产生和使用的各种水、汽，大多压力高、温度高，由于设备及管系故障泄漏，不但造成设备事故，造成停产、停电和经济损失，也会造成人员烫伤和击伤。

2.4 工程在生产中高温烟气（100℃以上）

烟气中含有二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物及不完全燃烧产生的一氧化碳。烟气泄漏会造成人员灼伤、中毒、窒息，还会造成腐蚀、污染环境和大气。

3 主要危险有害物质的分布

4 主要危险有害因素分析

锅炉设备及系统主要包括锅炉本体、燃烧系统、输煤系统等3个部分。

电站锅炉本体属于特种设备，特别是锅炉的水冷壁、过热器、再热器、省煤器及附属的蒸汽管道内的工作介质温度、压力非常高，运行过程中因为设计、制造、安装阶段遗留的缺陷没有消除，或者在投运后水质不合格、燃用煤种不当造成结垢、结焦、结渣导致受热面过热运行，会发生容器爆炸、烫伤等危险因素和事故停炉。制粉系统的磨煤机出口温度高、长期间停运（如备用磨煤机）会导致积煤自燃，并引发制粉系统的火灾、爆炸事故。点火助燃油系统因为防静电措施不完善、雷击、油品泄露等原因会发生轻柴油或其蒸汽的火灾、爆炸事故。

4.1 电站锅炉材料选择和焊接风险

电站锅炉水冷壁、汽水分离器、高温过热器/再热器及其出口联箱、主蒸汽和再热蒸汽管道等是承受着高温、高压的工作环境，同时还被水蒸气氧化、高温烟气腐蚀。对选用材料的抗蠕变、疲劳、高温氧化与腐蚀、冷加工与热加工等性能都提出了更苛刻的要求。

4.1.1 水冷壁

水冷壁用钢要有一定的高温强度，良好的抗疲劳、抗烟气腐蚀、耐磨损性能，并有良好的工艺性能，尤其是焊接性能。另外，水冷壁的介质是汽液两相，管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗粒运动速度最快的区域，积垢导致的管壁温度升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材要考虑的问题。

4.1.2 过热器、再热器

过热器、再热器所选用的钢材应能在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、管子内部抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能。燃煤的含硫量、烟气腐蚀性、壁温等因素对过热器、再热器材料选择有较大影响。

4.1.3 联箱与管道

由于联箱（末级过热器、末级再热器出口联箱）与管道（主蒸汽管道、导汽和再热蒸汽管道）布置在炉外，没有烟气加热及腐蚀问题，管壁温度与蒸汽温度接近，因此钢材应具有足够高的持久强度、抗蠕变强度、抗疲劳和抗蒸汽氧化性能，还要具有良好的加工工艺和焊接性能。

4.1.4 汽水分离器

汽水分离器是电站锅炉的厚壁元件，主要承受低周疲劳应力，机组启动过程中机组负荷变化率越大，汽水分离器承受的应力也就越大。因此，汽水分离器的选材应有足够的强度承受低周疲劳应力，也要有良好的焊接性能。

4.2 锅炉热膨胀

电站煤粉锅炉的水冷壁、过热器、再热器、汽水分离器等受热部件因为采用金属材料不同、膨胀系数不一致，将会引起局部热应力增加，影响机组安全运行。

4.3 锅炉炉膛爆炸

因火检系统故障、热控系统故障等原因，锅炉灭火后未能及时发现，继续向炉内供给煤粉；运行中锅炉工况调整不当，燃烧异常，炉膛火焰中心温度下移、温度下降但未完全熄灭，煤粉未能完全燃烧；锅炉熄火后未能将炉内未燃烬的煤粉吹扫干净；点火失败后未严格执行气体吹扫置换措施并再次点火，引燃轻柴油雾滴或煤粉与炉膛内空气混合形成的爆炸性混合气体，以上异常情况下均可能造成炉膛爆炸事故。

4.4 锅炉尾部烟道再燃烧

当锅炉燃烧不良时，炉膛内未燃尽的煤粉、碳黑或油粒随烟气被带到锅炉尾部，沉积在尾部受热面上，在高温作用下燃料氧化，产生热量，当达到自燃温度就会发生锅炉尾部烟道再燃烧，使尾部受热面过热、超温，使其爆管损坏。

4.5 四管（过热器、再热器、水冷器、省煤器）爆漏事故

过热器、再热器、水冷器、省煤器（简称锅炉“四管”）爆漏的主要原因是超温、磨损、疲劳断裂、腐蚀、焊接质量、工作人员失误、设计不妥等因素造成。

“四管”爆漏有其周期性：机组投产初期多是管材、焊口、设计、制造、安装方面的问题引起的；过若干年后超温过热爆破连续出现；再往后磨损、腐蚀问题就会突出起来；水质恶化或运行管理出现大的失误往往会引起大面积爆漏。通过大修或批量换管会稳定一段时间，过些年问题又会暴露出来。

4.6 煤质指标对锅炉系统安全性影响分析

大型发电厂煤粉锅炉燃煤一般使用贫煤、烟煤等煤质，燃烧稳定性较好，但是在磨煤机、煤粉管道内积留的煤粉容易发生自燃事故；设计煤种、校核煤种的灰中二氧化硅、三氧化二铝含量较高，灰的硬度较高，灰对锅炉受热面磨损较重，对磨煤机的磨损也重。因此在磨煤机选择、锅炉选型、燃烧工况设计方面需要充分考虑煤种特性及煤种变化对锅炉安全运行的影响。

4.6.1 煤质变化对金属磨损的影响。

含有硬颗粒的流体（烟气灰粒）相对于固体运行（受热面金属），使固体表面（金属表面）产生的磨损的冲蚀（或冲击磨损）。

炉内受热面特别是低温受热面的磨损会受到煤灰特性的影响，灰的磨损性能系数不但与灰中的SiO2和AlO3含量有关，同时还与Fe2O3及未燃尽的余碳含量有关：煤灰中高硬度的SiO2、未燃尽碳和Fe2O3的含量越高，煤灰的磨损越强，而煤的本身也有一定的磨损性，煤的磨损指数Ke决定了煤对金属件的磨损程度，直接关系到磨煤部件和输煤系统的工作寿命及安全性，煤对金属的磨损与煤中硬质颗粒含量有关，而硬质颗粒主要来源于煤中的矿物杂质。

4.6.2 煤质变化对运行安全及经济性的影响。

出力受限：煤质变化可能造成机组的某些设备不能满负荷运行而限制。

煤质趋劣使电厂煤耗和厂用电率上升：煤质趋劣使锅炉燃烧不稳，导致锅炉不完全燃烧率增大和排烟过剩空气增加，会导致锅炉效率下降。

煤质趋劣导致可用率降低。

4.7 控制循环水泵安全性分析

控制循环水泵故障会造成锅炉减负荷，甚至停炉。除了控制循环水泵，机械上和电源方面的设备故障影响泵的安全可靠运行外，循环水泵可能发生超温、汽蚀和泄漏等危险。其中泵内汽化是运行中主要危险，其原因是给水中断；系统压力急剧下降；汽包水位低于规定值。

预防和处理的方法：保证给水系统的稳定运行，防止出现给水流量的大幅度下降或中断；控制好汽包水位，不使水位太低；停炉时要设法保证蒸发系统压力不得降得太快；控制好煤水比例，保证强制循环泵入口水温始终低于对应压力下的饱和温度（5～10℃）；一旦发生汽化时应及时停泵处理，防止损坏设备。

为了防止由于水冷壁管间存在较大的热偏差而使受热弱的管子中出现水循环停滞和倒流，制造厂家在锅炉设计制造时，根据水冷壁的热负荷，将其划分成若干个循环回路，在管屏或管子进口都装有节流圈，并在不同的循环回路中采用不同孔径的节流圈，使各循环回路保证有合理的循环水速蒸发管屏中不发生脉动，以消除因水冷壁热负荷的差异可能形成水循环停滞或倒流，破坏正常水循环，造成水冷壁汽塞爆管事故。

为提高锅炉水循环泵的可靠性，应选取合理的吸水管水速和管径，增大吸水管的高度，减少吸水阻力和提高循环水的欠焓。

对于控制循环汽包锅炉，应设可靠的炉水循环泵差压保护。差压保护采用二取二方式，当有一点故障退出运行时，应自动转为一取一的逻辑判断方式。当二点故障超过4h时，应当即停止该炉水循环泵的运行。

锅炉正常运行时，应至少有两台锅炉水循环泵运行，为防止某台锅炉水循环泵故障停运发生RB，三台锅炉水循环泵均应投入运行。