某410 t/h 电站锅炉炉膛爆燃原因分析与修复方法

周 孟， 刘方国， 翟春晓， 李 刚， 姚新宽， 杨 轲， 王冰姿

（淄博市特种设备检验研究院， 山东 淄博 255086）

某大型石化企业自备电厂1 台型号为NG-410/9.8-M 的电站锅炉在启动点火过程中发生爆燃事故，造成炉膛膜式水冷壁、水平绕带式刚性梁等发生严重变形。该锅炉为单汽包、无中间再热装置、自然循环、带双高温绝热旋风分离器的高温、高压循环流化床锅炉，炉膛为单炉膛、膜式水冷壁结构形式，水冷壁管材质20G，规格ϕ60 mm×5 mm。 炉膛宽13 400 mm、深7 340 mm、顶部标高39 000 mm，钢 架 为M 型 露 天 布 置［1-2］。 锅 炉 正 式启用约3 a， 运行约12 000 h。 文中分析了锅炉爆燃原因，并对炉膛水冷壁修复情况进行介绍。

1 锅炉爆燃过程

锅炉启动点火前， 操作人员依次启动一次风机、二次风机、高流风机和A 引风机，并完成各风机顺控联锁保护试验以及锅炉总燃料跳闸保护（MFT）联合动作试验，试验合格后重新依次启动上述各台风机。 调节一次风量为96 000 m3/h（达到流化所需最低风量），二次风压约4 kPa，炉膛压力-0.2 kPa，锅炉水位到达正常水位，具备锅炉点火条件。 锅炉点火流程见图1。

图1 锅炉点火流程图

锅炉点火时， ①自动顺控启动1#点火燃烧器，但顺控启动不成功，退出燃烧器后改为手动操作，1#点火燃烧器油枪点火，未检测到火焰，1#点火燃烧器遂立即停止点火。 ②顺控启动4#点火燃烧器，也不成功，改为手动操作，4#点火燃烧器成功点燃，但燃烧产生的火焰很不稳定，调整二次风量后，油枪自动退出并灭火。 之后4#点火燃烧器又自动进入并点火， 但火焰依然不稳定， 退出4#点火燃烧器。 ③启动2#点火燃烧器，发现2#点火燃烧器油枪后部丝扣有漏油现象。 经检修处理并未改善，遂立即退出2#点火燃烧器。 ④退出2#点火燃烧器的同时投入启动3#点火燃烧器，其火焰信号良好，燃烧稳定，可以维持运行。

在点火过程中，1#点火燃烧器火焰不稳定，火检信号时有时无， 小油枪过于频繁地自动进、退，导致二次风机的轴承温度过高，引发风机轴承温度保护联锁动作，二次风机发生跳闸，于是手动停止点火燃烧器。 但锅炉MFT 未动作， 燃烧器点火程序仍在执行，油枪仍然自动进入并点火。此时将一次风量调大，调小引风机风量，来补充二次风量的缺失，待二次风机问题解决后恢复正常启动。维持运行约1 h 后引风机跳闸，锅炉发生爆燃。

2 锅炉炉膛变形情况

锅炉爆燃只发生在炉膛内， 尾部烟道未发生任何异常。 对炉膛进行检查发现，①炉膛左侧、右侧炉墙在前后方向发生不同程度的位移， 两侧各6 道刚性梁发生弯曲变形，变形量约35 mm。 ②前侧、 后侧炉墙各8 道梁发生弯曲变形， 变形量约280 mm。③部分吊杆发生变形，承重柱未见明显异常。 锅炉炉膛水冷壁变形情况见图2。

图2 锅炉炉膛水冷壁变形情况

水冷壁管没有发生弯折、起槽及褶皱等现象，没有发生塑性变形。 水冷壁管测厚最小值为4.8 mm，未见明显减薄。 对水冷壁管割管取样进行金相组织分析，发现金相组织为铁素体+ 珠光体（图3），组织均匀正常，没有裂纹。

图3 矫正前水冷壁管金相组织（500×）

3 锅炉炉膛爆燃原因分析

3.1 MFT 联锁保护存在问题

锅炉点火之前已经对各项MFT 进行试验，并未发现异常。一次风机、二次风机和引风机额定电压均为7 kV，产生电流较大，如果频繁启动会对设备产生较大损害。故采用一种优化的试验方式，即停引风机， 同时联锁停其它各风机的顺控联锁与MFT 同时动作的联合试验， 此方式在锅炉点火前验证是可靠的。 但在二次风机跳闸后，MFT 联锁保护回路出现故障， 导致MFT 没有动作， 输油系统没有关闭，依然继续向炉膛投送燃料。

3.2 点火燃烧器火检灵敏度存在问题

在锅炉点火过程中，火焰信号较弱时，因点火燃烧器火检灵敏度存在问题， 点火燃烧器没有检测信号，程序自动默认点火失败，点火燃烧器会非正常停止程序。点火燃烧器启动程序混乱，频繁地自动投入与退出，会导致点火失败，只能手动停止点火燃烧器。而燃烧器点火程序比较复杂，即使手动操作退出油枪后，点火程序仍在运行，油枪一直重复点火程序，点火燃烧器风门相应打开和关闭。对点火燃烧器风门的要求是全关与全开， 打开与关闭都需要一定的时间，造成风量负荷变化较大，此时炉膛温度只有200 ℃左右，存在部分油雾未燃烧或未燃烧完全的现象。

3.3 二次风机和引风机存在故障

二次风机的轴承温度过高跳闸后， 点火燃烧器助燃风量严重不足，使燃烧更加不稳定，炉膛积存大量未燃尽油雾。当引风机发生故障后，油雾不能及时排除，达到爆炸极限时发生闪爆［3-6］。

4 锅炉炉膛水冷壁修复

4.1 矫正装置及原理

通过对炉膛爆燃原因、 水冷壁变形和材质的分析［7］，决定先拆除刚性梁进行应力释放，然后利用滑轮、倒链、千斤顶和支撑件等部件组成一种简单的机械矫正装置（图4）［8-9］，对变形的水冷壁管屏整体进行修复。

图4 水冷壁变形矫正装置

水冷壁变形矫正原理见图5。 在膜式水冷壁内侧鳍片上焊接焊耳作为牵引点， 并将倒链和钢丝绳与对应的焊耳连接， 在倒链的作用下形成牵引力F。 同时在与焊耳相对应的水冷壁外侧使用千斤顶调施加推力T， 在牵引力F 和推力T 的共同作用下，将变形的膜式水冷壁缓慢校平。

图5 水冷壁变形矫正原理

4.2 矫正修复过程

对左侧、右侧炉墙水冷壁和前侧、后侧炉墙水冷壁分别进行矫正，以前侧、后侧炉墙水冷壁矫正为例介绍整个矫正修复过程。

4.2.1 第1 步

在锅炉8 m 平台炉膛左右侧位置各布置1 台卷扬机，用于变向起吊和临时吊挂刚性梁。在对前侧、后侧炉墙水冷壁校正及拆除刚性梁前，应从左侧、 右侧炉墙水冷壁刚性梁前后两端分别引出加固槽钢，并将其固定于钢架或刚性平台上，用于提高左侧、右侧炉墙刚性梁的强度。

4.2.2 第2 步

按刚性梁弯曲量由大到小依次进行拆除。 ①将变形刚性梁的角部装置销轴拆除， 使刚性梁脱离两端角部装置后， 利用倒链临时牵引刚性梁两端部， 并用卡环将吊耳与左右侧卷扬机钢丝绳连接。 ②将变形刚性梁在锅炉中心线处固定点的焊缝切开，打磨干净剩余的切割焊缝。③将刚性梁夹销由锅炉中心线向两侧依次抽出， 缓慢释放牵引倒链直至钢丝绳成垂直状态， 利用锅炉两侧卷扬机将拆除的刚性梁放置在锅炉旁以便后续安装。

4.2.3 第3 步

依据具体变形情况，在离锅炉中心线两侧3 m内，采用气割方法将变形的前侧、后侧炉墙水冷壁管屏鳍片割开约4 m 长度， 用来释放爆燃造成的弯曲应力。切割过程中应避免割伤水冷壁管。在前侧、 后侧炉墙膜式壁鳍片上焊接钢丝绳焊耳作为牵引点，并用倒链和钢丝绳连接对应的牵引点。调节各牵引倒链的受力，缓慢校平变形膜式壁，并及时检测水冷壁平整度情况。对局部不平处，可以适当割开部分管屏鳍片，利用千斤顶缓慢调平。水冷壁矫正现场见图6。

图6 水冷壁矫正现场

4.2.4 第4 步

初步校平后， 对水冷壁管屏进行可靠加固，按照图样要求安装各道重新加工的刚性梁。 将刚性梁夹销自锅炉中心线向两侧依次穿入， 对膜式壁进行整体调整校平，并保证锅炉、刚性梁及水冷壁管屏各中心线相对偏差在允许范围内。

4.2.5 第5 步

对炉膛整体尺寸进行复核， 尺寸合格后用槽钢将各层刚性梁和水冷壁加固焊接［10］。

4.2.6 第6 步

按照图样要求对水冷壁四角及部分鳍片进行密封焊接。 对无法形成膜式壁的部位， 采用特殊的密封块、 密封板和梳型板与内护板相互焊接的全密封结构。 矫正完成后的水冷壁管屏平整度不大于15 mm，对角线偏差不大于17 mm，长度偏差不大于20 mm，整体效果见图7。

图7 水冷壁矫正整体效果

4.3 修复后的验证

对矫正修复后的水冷壁管进行磁粉检测［11］，水冷壁管表面及近表面未发现裂纹。 对水冷壁管表面进行硬度检查， 布氏硬度值基本在112 HB 左右，符合DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》［12］中对管子硬度的要求。 对水冷壁管材质进行金相组织分析，组织均匀正常，未见晶间裂纹，见图8。

图8 矫正后水冷壁管金相组织（500×）

对水冷壁管进行力学性能试验， 测得其抗拉强度为434 MPa，下屈服强度为259 MPa，纵断、横断后延伸率分别为24.8%、22.3%，纵向、横向冲击吸收能量分别为41.6 J、28.5 J， 各项力学性能完全符合GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》［13］中对20G 钢管的要求。最后，对矫正后的水冷壁管按照锅筒压力的1.25 倍进行整体水压试验，未发现水冷壁管有渗漏、褶皱、弯曲和变形等现象， 满足TSG G7002—2015 《锅炉定期检验规则》［14］以及TSG 11—2020《锅炉安全技术规范》［15］中的相关要求。

5 结语

锅炉启停过程是锅炉运行中最危险的阶段，任何一项保护措施和部件发生故障或失效， 都有可能引发炉膛爆燃。 分析了爆燃导致某410 t/h电站锅炉炉膛发生变形的原因。 根据力学和机械学原理，采用合理的矫正装置，将变形后的水冷壁修复到可正常安全使用的状态。 到目前为止，该电站锅炉已安全运行约半年， 并未出现水冷壁爆管、 开裂等现象。 证明采用的矫正装置和修复方法简单、安全、可靠，能极大缩短检修时间并节约大量维修成本，值得推广应用。