一起典型锅炉爆燃事件的分析

蔡国保，屈章龙，韩 磊，郭严昊，严泽乾

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

随着燃煤机组的运行参数越来越高,以及各发电集团对降非停工作要求日益严格,提高机组安全稳定运行,降低设备故障率,已成为各发电企业面临的一个长期面临的问题。机组的安全稳定,重点在锅炉设备的安全稳定,目前我国发电厂主要以火力发电为主,制粉系统实现安全管理可以保证机组稳定运行。以一起典型的锅炉异常事件为例,深入分析设备异常的根本原因,为后续设备检修维护提供参考借鉴。

1 事件概况

某厂1号锅炉由罗马尼亚ICPET锅炉厂生产,容量330 MW,锅炉型式：1100 t/h燃煤、塔式、中间再热负压燃烧、蒸发点可变的本生型直流锅炉,额定压力19.2 MPa。锅炉燃烧器为WSF型旋流燃烧器,20个燃烧器分5层布置,每层4个,前后墙各2个,布置在同一标高,在同一标高线上的前后墙燃烧器错列对冲布置,层与层之间错列布置；在每面墙上,1,3,5层的同角喷燃器在同一垂直线上,2,4层的同角喷燃器在同一垂直线上。每个燃烧器装有油火焰和煤火焰监视器。

制粉系统为正压直吹式,配有5台MPS-190型磨煤机,20个分级送风WSF旋流式喷燃器分5层布置在前后墙上,16个Y型油枪均布置在2～5层的16个煤粉燃烧器中心风筒内,一层8个微油油枪布置在4个煤粉燃烧器中心风筒内,每个中心风筒内布置主辅油枪2支,均配备高能点火装置。

1号给煤机因减速机故障停电待修,3号给煤机频繁断煤。锅炉大面积灭火且持续恶化时,磨煤机“层火焰丧失”及主燃料跳闸(main fuel trip,MFT)保护拒动,期间运行人员多次投运油枪但点火不成功,且未能及时切断燃料供应,导致未燃煤粉、燃油持续增加,4 min内向炉内进煤粉约7 t,34号油枪点燃后造成锅炉爆燃。单元长下令紧急停炉,执行手动MFT、手动停机操作。

2 检查情况

2.1 现场检查

锅炉炉底冷灰斗水冷壁西北角及东南角沿鳍片斜向上方向撕裂,水冷壁43根开裂,疏水管7根开裂,捞渣机四周箱体与冷灰斗水冷壁密封面开裂,与捞渣机四周箱体接触的水冷壁向外推移。检查冷灰斗水冷壁内侧有少量积灰,未见积粉或积油现象。

2.2 事件前后风机操作记录

调取6台风机操作记录,根据历史趋势确认事件前6台风机均处于手动状态且维持不变,甲乙侧引风机开度分别为44 %,57 %；甲乙侧一次风机变频调节,电流及变频调节开度无历史趋势,甲乙侧一次风机入口挡板开度均为98 %,甲乙侧送风机动叶分别为53 %,36 %。

2.3 运行日志记录

主要操作记录显示,1号和3号给煤机频繁断煤时,机组负荷为193 MW,炉膛压力从0.067 kPa波动降至-2.03 kPa,随即运行人员程启12,13和14号微油枪,后续又程启21,22和31号大油枪,主蒸汽温度和压力下降,机组快速减负荷；值长令紧急停炉,机侧打闸。

2.4 入炉煤掺配方式及煤质情况

入炉煤掺配方式：1～5号煤仓采用汽车高硫煤单一煤种,采取炉前配煤方式,因汽车来煤种类较多,煤质差异性较大,存在掺配不均的可能性。事后通过2～5号给煤机取煤样分析,其中4号给煤机上煤质挥发分为12.65 %,发热量为15.91 MJ/kg,煤质热值较低。

2.5 逻辑检查

(1) 磨煤机“层火焰丧失”保护。磨煤机“层火焰丧失”的保护条件为：结合本层火焰状态和相邻层火焰的状态综合判断后发出跳磨指令。该逻辑为罗马尼亚原始设计,机组投产后未进行任何修改。因锅炉长期出现塌灰造成部分火检及炉膛压力波动,查询保护投退记录,近5年该保护一直未投入,暂时维持保护退出状态。

(2) “全炉膛火焰丧失”MFT保护。“全炉膛火焰丧失”MFT保护条件为：“有燃烧记忆的情况下,全部油阀关且5台磨煤机全停”,保护条件实质为“全炉膛燃料丧失”保护。

(3) “炉膛压力”MFT保护。“炉膛压力”MFT保护条件为：“当炉膛压力低于-1.5 kPa或者大于+3.0 kPa时,延时15 s动作”,该项保护为罗马尼亚原始设计。

(4) 火检逻辑。核查煤火检逻辑,DCS系统显示的“有火”信号判定条件为：“磨煤机已运行且燃烧器有火信号存在”。油火检逻辑与煤火检逻辑相同,确定火检逻辑正确。

(5) 油枪程控逻辑。核查油枪程启/程停步骤,确认油枪程启步序：进油枪→开三通阀→开雾化阀→开吹扫阀(吹扫5 s)→进点火枪→打火→开油阀。在程启过程中,前一步反馈作为后一步执行条件。步序反馈异常将在DCS画面上显示故障信息。

2.6 油枪检查

根据运行规程要求,油枪每周二上午带油试投一次。查询油枪缺陷记录,发现22号油枪堵,32号油枪机械卡涩,23号点火枪卡。

进入炉内检查燃烧器,2～5层燃烧器一次风浓缩器尾部全部被磨穿,造成一次风浓缩器内部安装的油枪及套筒因一次风粉混合物长期对其冲刷出现磨穿、弯曲变形问题,同时煤粉通过磨穿的一次风浓缩器进入内部中心风筒,造成部分中心风筒堵塞,影响油枪正常进退。2～3层中心风筒积灰造成堵塞的油枪有：21～24号,以及33～34号。

2.7 吹灰器情况

机组投产初期,锅炉启停阶段采取强制冷却方式,造成部分锅炉水冷壁变形,为防止短吹灰器投入对水冷壁造成损坏,厂内规定停运或拆除部分短吹灰器,短吹灰器投入率为28.8 %。

2.8 火检探头安装及参数设置

就地检查火检探头安装及参数设置情况,确认就地安装的火检装置存在3种类型：

(1) 微油火检为天臣恒制造的TWD-B型产品(共4支),采用光敏电阻测量火焰信号,经过就地火检信号处理器输出“有火”信号；

(2) 除微油之外的油火检和大多数煤火检探头采用DURAG公司的D-LX 701IG-30型产品(共22支),探头检测火焰后直接输出“有火”信号；

(3) 部分煤火检采用上海准德电气有限公司的ZDHDL-G-80型产品(共8支),探头检测火焰后输出“有火”信号。

在现场核对了7支火检探头(DURAG产品)的参数设置情况,包括11号微油、12号煤火检、24号煤火检、24号油火检、34号煤火检、34号油火检、41号煤火检和53号煤火检。各支火检探头参数设置情况见表1。

表1 火检探头参数设置(DURAG产品)

根据DURAG产品使用说明书可以确定：火检门槛值合理的设置范围为5～9,数字越大,门槛值越低；灵敏度宜设置为V6 (调节范围为V1～V8),数字越大表示火检增益倍数越大,即火检灵敏度越高。通过数据对比,确定就地火检探头门槛值设置在合理范围内,但是多数火检增益倍数设置值偏高,一定程度上提高了火检“偷看”的概率。

2.9 SOE记录

调取SOE记录信息显示,由于1号机组SOE功能已丧失,无法读取事故期间相关的SOE信息。

3 原因分析

3.1 锅炉爆燃直接原因

给煤机频繁断煤造成锅炉大面积灭火且持续恶化时,磨煤机“层火焰丧失”保护及MFT保护拒动,期间运行人员反复多次投运油枪且点火不成功,又未能及时切断燃料供应,导致未燃煤粉、燃油持续增加,4 min内向炉内进煤粉约7 t,34号油枪点燃后造成锅炉发生爆燃。

3.2 锅炉大面积灭火且持续恶化原因

3号磨煤机出口温度从74 ℃上升至最高99 ℃,原因为3号给煤机断煤,运行人员增大冷风调门开度控制磨煤机出口温度,未及时减少热风调门控制磨入口风量,3号磨煤机内煤粉逐步抽空后,大量冷风进入使3层燃烧器灭火。由于3层燃烧器夹在2层和4～5层燃烧器之间,3层燃烧器灭火后对剩余2,4,5层燃烧器燃烧造成扰动,导致锅炉燃烧不稳、大面积灭火且持续恶化。

3.3 炉膛压力低的原因

检查发现炉底水封正常,排除因锅炉塌灰或掉焦造成炉膛压力波动。判断锅炉发生大面积灭火,炉内温度快速降低,气体混合物急剧收缩,导致炉膛压力下降至低于-2.03 kPa。

3.4 锅炉灭火后投油枪原因

因煤火检信号为开关量,不能直观反映炉内燃烧强度,同时运行人员未对氧量、烟气温度等判断锅炉燃烧情况的特征参数进行综合分析,仅从开关量信号误判炉内仍有燃烧,而持续投入油枪。

风粉混合物磨穿一次风浓缩器,冲刷其内部安装的油枪、点火枪,同时煤粉进入一次风浓缩器内部堵塞部分中心风筒,造成油枪和点火枪卡涩、变形,油枪磨穿漏油、雾化不良等问题,导致锅炉燃烧恶化时点火不成功。

3.5 层火焰丧失保护及MFT保护拒动原因

(1) 磨煤机“层火焰丧失”保护拒动的原因：锅炉长期出现塌灰造成部分火检及炉膛压力波动,该保护长期未投入。

(2) 炉膛压力MFT保护拒动的原因：遵循罗马尼亚机组原设计,炉膛压力保护条件定为“炉膛压力高于+3000 Pa或者低于-1500 Pa时,延时15 s”,因事件发生时炉膛压力低于-1500 Pa的持续时间仅为4 s,且爆燃时炉膛压力高于3000 Pa持续时间仅为3 s,不满足保护动作条件,因此该项保护未动作。

(3) “全炉膛火焰丧失”MFT保护拒动的原因：现有的“全炉膛火焰丧失”保护条件为“有燃烧记忆的情况下,所有燃油阀均关闭,且所有磨煤机均跳闸”,其实质内容为“全燃料丧失”MFT保护,因事件发生期间有4台磨煤机及部分油枪在运行,不满足保护动作条件,因此该项保护未动作。

4 处理及防范措施

(1) 修复变形的水冷壁、刚性梁、吊带、吊拉杆、炉外下联箱分配器部分管壁；更换破损的水冷壁、疏水管；修复炉底密封；全面检查锅炉及环保设施,发现缺陷或尾部存在积粉时及时处理。

(2) 严格执行反事故措施要求。当炉膛已经灭火或已局部灭火并濒临全部灭火时,严禁投助燃油枪、等离子点火枪等稳燃枪；当锅炉灭火后,要立即停止燃料(含煤、油、燃气、制粉乏气风)供给,严禁用爆燃法恢复燃烧；重新点火前必须对锅炉进行充分通风吹扫,以排除炉膛和烟道内的可燃物质。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,并在8 h内恢复；其他保护装置被迫退出运行时,应在24 h内恢复。运行期间严格履行联锁保护投退制度,投退过程应有完整的审批和操作记录。

(3) 加强运行人员反事故措施学习演练。本次事故暴露出运行人员事故判断分析和应急处理能力不强、安全意识淡薄等问题。要求严禁违反反事故措施进行操作；建议加强运行人员对事故特征判断学习；高度重视和运用煤质差时正确的燃烧调整原则及方法,避免锅炉灭火。

(4) 优化机组重要保护逻辑设计,完善锅炉保护及测点信号。优化炉膛压力MFT保护延时时间,结合本次事件中炉膛压力达到保护定值时维持的时间,建议按照技术规程要求将锅炉的炉膛保护延时时间修改为3 s。为确保火检检测装置测量的正确性,锅炉停炉后加强对燃烧器的检查,检查方法主要有：

① 燃烧器火焰检测。采用切/投燃烧器的方法,直接观察、记录火检探头输出的“有火”信号(源信号)。

② 火焰检测探头自检。正常运行时,就地对任一火焰检测探头接线短路、开路各做一次试验,观察、记录自检报警显示情况。

③ 炉内检查。利用停炉检修机会,进入炉膛内部逐一核查火检装置的安装情况,检查范围包括火检装置外套管与燃烧器之间的夹角、火检镜头清洁状况、套管的严密性及火检模拟信号测试等。测量探头安装深度应保证镜头与煤燃烧器有一定的距离和最佳安装视角。同时,建议增加火焰强度模拟量测量功能,便于运行人员提前判定火焰的稳定性进而采取预防措施。

(5) 加强缺陷管理。针对此次锅炉运行期间部分油枪投运失败和存在缺陷的问题,应加强燃油系统设备缺陷管理,发现缺陷及时处理,锅炉点火系统应能可靠备用,定期对油枪进行清理和投入试验,确保油枪动作可靠、雾化良好,能在锅炉低负荷或燃烧不稳时及时投油助燃。