鍋爐塌焦引起汽包水位波動過大的原因分析

肖 杰，高愛民

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211188）

江蘇某電廠2號鍋爐運行中塌焦引起汽包水位高動作，鍋爐主燃料跳閘（MFT）。當時機組處于自動發電控制（AGC）方式，機組狀態穩定。主要參數為：機組負荷220 MW，機前壓力16.4 MPa，給水流量671 t/h，主蒸汽流量 668 t/h，總煤量 102 t/h，爐膛壓力-35 Pa，汽包水位-7.8 mm。鍋爐出現塌焦引起爐膛負壓波動，給水流量增加，燃煤量增加以及汽包水位先下降再上升。約65 s后，由于汽包水位達高Ⅲ值，鍋爐MFT保護動作，機組跳閘。該鍋爐系直流爐改造，改造后為上海鍋爐廠產SG1025/16.81型亞臨界壓力一次再熱控制循環鍋爐，采用中速磨正壓直吹式制粉系統，單爐膛倒U型露天布置，后煙井雙煙道，四角切圓燃燒，再熱汽溫擋板調節，平衡通風，全鋼架懸吊結構，固態排渣，燃用煙煤。改造后燃燒器射流切圓布置改造為AA二次風、A、B、C、D、E一次風對沖；AB、BC、DE順時針旋轉，射流中心與對角線呈7o；CD順時針旋轉，射流中心與對角線呈15o；EF、OFA二次風反切，逆時針與對角線呈20o；燃燒器頂部布置分離式OFA風。改造后鍋爐汽包內徑D1 743×135 mm，直段長度13 108 mm，汽包總長度15 240 mm，汽包水容積36 m3，水冷壁水容積120 m3。江蘇電廠發生了不少次因塌焦導致鍋爐MFT動作，MFT動作原因大部分是爐膛負壓波動大，全爐膛滅火，塌焦引起汽包水位高動作是第一次發生。

1 事故過程

該鍋爐在改造后運行時經常發生塌焦現象，塌焦過程中爐膛負壓出現較大波動，汽包水位產生波動。電廠其他改造過的鍋爐發生鍋爐塌焦的頻率更高，爐膛負壓波動的幅度也更大。由于看火孔設置，運行不能確定確切的結焦位置和結焦狀況；鍋爐停爐后也沒有觀察到大塊結焦的痕跡。但在鍋爐進行爐膛吹灰時對蒸汽溫度影響很大，特別是燃燒器上部吹灰器吹到一半數量時蒸汽溫度下降30℃以上，說明燃燒器上部區域存在較嚴重的結焦。

1.1 爐膛負壓波動

事件發生時機組采用爐跟機（BFT）自動模式。在此過程中，機組燃燒系統、給水系統、風煙系統等均維持自動控制。鍋爐熱量與機組負荷、給水流量與蒸汽流量維持平衡。爐膛壓力從20 min 1 s開始出現大幅波動，先從-169 Pa上升到376 Pa，持續時間為9 s，后從-166 Pa上升到435 Pa，持續時間為8 s。此后，爐膛壓力恢復至正常值。

1.2 汽包水位波動

汽包水位在爐膛負壓波動約8 s后出現下降，在25 s左右下降到最低-196 mm，然后上升，30 s后汽包水位275 mm，引發汽包水位高Ⅲ值動作。在汽包水位降低時，汽包壓力與主汽壓力開始降低，機前壓力從16.4 MPa降低到最低15.8 MPa，隨燃燒恢復較快上升到最高17.0 MPa；機組負荷同時從221 MW降低到214 MW，負荷下降延續40 s。汽包水位降低引起機組自動增加給水流量，從671 t/h上升到最高834 t/h，再恢復到正常，延續時間約30 s，加水曲線按三角函數估算共多加水約0.86 t。

1.3 燃料控制

鍋爐燃燒控制基于DEB策略，調節機前壓力。主汽壓力降低導致磨煤機給煤量上升，從102 t/h最高達到139.4 t/h，再恢復到正常，持續時間約25 s，估算共多加煤量0.17 t。燃燒控制調節方向正確。機組在平時運行時，能正常參與AGC的調節，燃燒自動調節是穩定的，但存在進一步優化的要求。

1.4 汽包水位調節

機組汽包水位自動調節系統在高負荷段采用典型的“三沖量”調節原理，汽包水位采用3只獨立的差壓式單室平衡容器進行測量。3個汽包水位差壓信號在分散控制系統（DCS）中進行補償后得出汽包實際水位。在本次事件中，2臺汽泵參與給水控制，MEH處于“遙控”方式。汽包水位始終處于自動調節方式。在爐膛負壓出現大幅波動時（塌焦），汽包水位迅即出現快速下降，從-8 mm下降到-196 mm，并在爐膛壓力趨于穩定后，汽包水位出現快速上升。整個過程中，蒸汽流量從668 t/h下降到648 t/h，變化量很小。因此，汽包水位自動調節系統主要對汽包水位的偏差產生響應，蒸汽流量的前饋作用未發生變化，近似為單回路調節作用。在汽包水位出現負偏差時，主調節器快速增加給水流量指令，在汽包水位下降趨勢結束并出現上升時，也能快速減小給水流量指令。給水自動調節作用正確，未發生異常。

2 原因分析

2.1 鍋爐結焦

分析鍋爐容易結焦的原因主要是燃燒器射流布置存在缺陷，起旋二次風布置在CD層，當投用下層燃燒器時下部一次風與二次風旋流強度較低，燃燒火焰切圓過小；特別是投用AB層時，靠AB層二次風無法使燃燒氣流形成正常切圓，有時出現反向切圓。這與鍋爐爐渣含碳量較高是吻合的。由于無法形成正常的切圓，下部火焰可能存在反切的現象，與上層射流發生碰撞會使部分燃燒煤粉粒子飛濺到水冷壁上。上部CD層起旋風投用后，會使上部煙氣切圓過大，存在煙氣刷邊的可能，燃燒煤粉粒子可能黏結到水冷壁上。由于下層射流旋流強度低，煙氣總體旋流強度摩擦衰減減少，燃燒器上部旋流強度大，與反切風碰撞更加強烈，碰撞后會有更多的燃燒煤粉粒子飛濺到水冷壁。這都會導致爐膛嚴重結焦。

鍋爐引風機出力裕量偏低，在機組300 MW時，引風機靜葉已經基本開足，爐膛出口煙氣含氧量只有2.61/1.62%，運行氧量低會使爐膛局部出現較強的還原性氣氛，有利于生成低熔點灰，使煤灰更容易黏結在水冷壁上，加劇了鍋爐結焦狀況。

2.2 爐膛負壓變化

從1.1節中看出鍋爐塌焦后，爐膛負壓出現了二次波動。其中第一次波動幅度稍低，波幅為-134～411 Pa；二次波動幅度稍大，波幅為-142～512 Pa。這種爐膛負壓的波動具有典型的塌焦后爐膛負壓先負后正的變化特征，大焦塊脫落下降過程引起爐膛壓力降低；大焦塊落到渣斗后又激發大量水汽，使爐膛壓力上升，同時引風機在爐膛壓力增高時會增大出力，綜合作用使爐膛壓力升高。其中壓力下降時間短，幅度小，主要波動時段在壓力上升過程。

在爐膛壓力上升時，一次風管壓差降低，磨煤機出口風速降低，攜帶的煤粉減少，大量煤粉短暫積存在一次風管內，噴入爐膛的煤粉量減少，爐膛熱負荷下降。由于熱負荷下降主要是一次風量減少所至，增大給煤機給煤量不能被一次風帶入爐膛；由于磨煤機一次風量自動未投，給煤量增加時沒有伴隨增加一次風量，增加的給煤反而可能引起磨煤機阻力增加，進一步降低磨煤機出口風量，從而減少噴入爐膛煤粉量。當爐膛負壓正常后一次風速恢復正常，沉積在煤粉管中的煤粉被吹掃到爐膛內，磨中煤粉也會被攜帶到爐膛內，形成較大的瞬間熱負荷波動，造成爐膛壓力升高。此次爐膛負壓的第二次波動不能排除是煤粉大量吹入爐膛導致燃燒波動（類似爆燃）引起的壓力升高。

2.3 水位變化

由于爐膛波動導致噴入爐膛煤粉減少，鍋爐熱負荷降低，蒸汽壓力下降。隨著爐膛熱負荷降低，水冷壁單位吸熱量降低，水冷壁上升管水段升高，增加部分貯存水，使汽包水位下降；同時出口飽和水含汽量降低，增加了水冷壁蒸發段存水量，也使汽包水位下降。由于汽包壓力降低是熱負荷下降所至，因此一般不會引起汽包與下降管內未飽和水沸騰，只會導致飽和水焓值下降，抵消部分水位下降影響。

當爐膛負壓恢復正常時，磨煤機出口風速也恢復正常時，積存在一次風管內的煤粉被逐步吹掃到爐膛內，由給煤量增加積存在磨內的煤粉也被帶到爐膛內，加劇了爐膛內熱負荷的增加。雖然給煤機出力增加階段只增加煤量0.17 t，但占同時段正常給煤量的23%，在短時間帶入爐膛對鍋爐熱負荷影響很大。

鍋爐熱負荷降低時，由于機組控制采用BFT自動方式，為維持負荷穩定，自動增大汽機調門開度；同時為穩定機前壓力，鍋爐增加給煤量。進入爐膛煤粉減少與調門開度增加表現出汽包壓力下降，22 s內汽包壓力降低約0.7 MPa；在水位快速升高時汽包壓力升高約0.1 MPa，約10 s后汽包水位高Ⅲ值動作。機組負荷與主汽流量基本在汽包壓力開始升高時出現升高趨勢。

爐膛熱負荷增加時，水冷壁單位吸熱量增加，水冷壁上升段內水段降低，減少水儲存量；出口飽和水含汽率增加，減少了蒸發段內水量儲存，共同作用使汽包水位升高。再加上汽包壓力處于最低狀態，使得飽和水焓值最低，汽包水欠焓低，使得蒸發水增加，進一步加劇了汽包水位升高的趨勢。

由于汽包容積有限，如新設計的上海產300 MW機組鍋爐，汽包水容積36 m3，水冷壁系統144 m3，過熱器水容積220 m3；而汽包正常波動（低Ⅲ～高Ⅲ值）水容積變化僅14 m3，汽包最大橫截面面積約25.8 m2，汽包水位變化300 mm，水容積變化僅7.5 m3；上海鍋爐廠產鍋爐汽包水容積較其他廠產鍋爐小，鍋爐水位變化更難控制。

2.4 其他原因

對于自然循環的鍋爐，熱負荷的變化影響到水冷壁上升管中的飽和水含汽率，會引起循環倍率的變化來抑制汽包水位的變化，具有負反饋作用。而該鍋爐采用控制循環，循環壓頭主要由爐水循環泵提供，降低了水冷壁管含汽率對循環倍率的影響，抵消了水冷壁飽和水含汽率對汽包水位的負反饋作用，使汽包水位波動進一步加劇。

對于給水量增加時多加入汽包的0.86 t水，影響汽包水位約35 mm，對水位影響不大。

因此鍋爐塌焦導致水冷壁波動過大的原因有，塌焦后爐膛負壓波動導致進入爐膛煤粉量波動，引起爐膛熱負荷波動導致了汽包水位波動；調整過程中磨煤機給煤量增加的調整加劇了爐膛熱負荷波動；調整過程中汽機調門增加，使得爐膛熱負荷快速增加時，汽包壓力處于最低，加劇了汽包水位波動；采用控制循環抑制了水冷壁內飽和水含汽率變化對循環倍率的負反饋作用也是汽包水位波動過大的一個原因。

2.5 機組熱控調節分析

2.5.1 水位測量

電廠鍋爐汽包水位測量裝置為3只單室平衡容器，獨立布置，差壓經汽包壓力修正后得出汽包水位，進行“三取中”后作為汽包實際水位用于自動調節。計算原理如下：

式中：ρa為參比水柱（P+側水柱）的密度；ρw為汽包內飽和水密度；ρs為汽包內飽和蒸汽密度；H為汽包內實際水位。

2.5.2 水位補償

汽包水位顯示值是以汽包零水位為基準表示的，因此有H=H0+ΔH，H0為零水位，ΔH為水位計顯示值。利用汽包壓力計算水位計內水柱、汽包內水與飽和汽密度差進行補償。

2.5.3 水位快速下降

在水位下降前，水位自動調節系統中的水位、給水流量、蒸汽流量處于平衡狀態，系統穩定，水位的快速下降是由于爐膛熱負荷變化而致。從動態過程分析，水位下降是對汽包中實際水位的真實反映；而從穩態過程看，水位的下降可認為“虛假水位”。因在事發前，煤量、給水流量、蒸汽流量均未出現較大的變化。水位的下降是在爐膛熱負荷變化時，汽包壓力下降和鍋爐循環回路中貯存水量變化的綜合作用。

（1）汽包壓力變化的影響

在爐膛壓力波動開始約30 s的時間里，汽包壓力下降了約0.7 MPa。這將導致汽包以及整個循環回路中的水下汽容積增加，使得汽包水位出現正向的虛假水位。在水位上升階段起到了加劇水位上升的惡化作用。

（2）鍋爐循環回路中貯質量變化的影響

在爐膛發生塌焦后，爐膛內瞬時熱負荷降低，工質的單位吸熱減少，使得爐水開始蒸發時間延遲，熱水段高度增加；吸熱減少還引起含汽段飽和水的含汽率降低，故上升段內的工質平均密度變大，貯水質量增加；與熱水段高度的升高貯水質量增加共同作用，上升管貯水質量明顯增加，導致汽包水位快速下降。

在本次事件中，鍋爐發熱量的減小對水位的影響占主導作用，汽包水位出現大幅快速下降。

2.5.4 水位快速上升

在爐膛壓力趨于穩定后（塌焦過程結束），汽包水位開始快速回升。在30 s內，汽包水位從-196 mm急劇上升至275 mm（高Ⅲ值），鍋爐MFT。鍋爐水位的上升主要由以下因素產生。

（1）燃燒恢復及熱量急劇增加

鍋爐塌焦過程結束，爐膛壓力穩定后，進入爐膛的燃料量快速增加，鍋爐的熱負荷快速上升。循環回路內的貯水質量快速減少，汽包水位急劇上升。同時在主汽壓力下降以及穩定機組負荷的要求下，鍋爐燃燒自動調節的作用將鍋爐總煤量從102 t/h上升到139 t/h。這在熱負荷增加階段導致鍋爐熱負荷進一步增加，在鍋爐塌焦過程中，對汽包水位的穩定也將起到不利的作用。

（2）給水流量增加

在鍋爐發生塌焦的初期，汽包水位開始下降，給水自動調節作用主要是對汽包水位的偏差做出響應。在本次過程中，給水流量在30 s時間里，從671 t/h上升到834 t/h然后回落至671 t/h，而同時蒸汽流量并未出現大幅度變化，僅從事發前的668 t/h下降到648 t/h，可以認為蒸汽流量未出現變化。估算給水自動調節系統增加的給水流量產生約35 mm的水位變化，對汽包水位的負面影響較小。

3 暴露的問題

（1）爐膛結焦嚴重，大塊焦渣塌落是造成此次事故的首要原因。造成鍋爐容易結焦的原因是燃燒器射流切圓設計不合理，起旋風布置在靠上部CD層，下部燃燒器射流切圓直徑過小，煙氣旋流強度過低，煙氣無法建立正常的切圓燃燒；上部煙氣旋流強度過大；滿負荷時爐膛出口煙氣含氧量過低加劇了爐膛結焦。

（2）鍋爐結焦不能及時發現與清除，導致結焦連成大塊，超重坍塌，引起爐膛負壓大幅度波動是導致水位波動過大的直接原因。

（3）汽包水位自動調節系統需進一步優化。改機組汽包水位自動調節系統為常規典型的三沖量自動調節系統，能適應機組的正常運行時的水位控制要求。但對于本臺鍋爐塌焦較為頻繁的現狀，自動調節系統應進行特殊工況下的優化工作，以提高給水自動調節系統在鍋爐塌焦情況下的適應性。

（4）燃燒調節系統需進行優化調整。從對主汽壓力的響應情況來看，煤量作用的幅度偏大，增加的煤量在爐膛負壓恢復后對水位快速增加起加劇作用，應進行優化調整，改善控制性能。

（5）機組協調控制方式處于BFT，爐膛負壓波動過程中，自動加煤與汽機調門開度增加的調節措施都使熱負荷恢復后水位快速上升加劇，惡化了水位波動狀況，是引起水位高Ⅲ值動作的重要條件。

（6）汽包水位測量值偏差較大。3只平衡容器差壓信號補償后的汽包水位偏差值在50 mm左右，準確性有待進一步提高，為自動調節系統的控制提供準確可靠的被調參數。

4 處理措施

根據鍋爐塌焦引起汽包水位高Ⅲ值動作原因分析，建議電廠采取以下處理措施來控制汽包水位波動過大的狀況。

（1）加強燃燒調整，減輕爐膛結焦狀況。一是盡量不投用A層燃燒器，減緩底部燃燒器射流無法形成切圓燃燒的狀況；二是運行中合理調節CD層起旋風開度，減少燃燒器上部煙氣旋流強度。

（2）加強引風機維護，保證引風機出力正常，同時治理鍋爐尾部煙道和空預器漏風，適當提高爐膛出口煙氣含氧量水平。

（3）運行加強看火、檢查爐膛結焦狀況，及時對爐膛特別是燃燒器區域進行吹灰，將爐膛結焦及時清除，防止結焦惡化連成片，形成很厚的大塊結焦。燃燒器區域吹灰導致蒸汽溫度急劇下降的狀況可以采取優化吹灰程序，先進行屏過與高過吹灰來減少蒸汽溫度波動。

（4）汽包水位自動調節系統增加鍋爐塌焦工況時相關閉鎖邏輯及變參數控制。分析汽包水位控制在整個過程中的變化情況，需要優化兩方面的調節性能。一是弱化汽包水位在下降過程中的水位偏差響應作用，在鍋爐塌焦的初期，減小給水主調節器的控制作用或者對主調節器增加“禁增”給水流量的邏輯。二是加強對汽包水位回升的調節作用，在汽包水位回升后，給水主調節器采取變參數控制，加大對汽包水位偏差的響應，抑制汽包水位的上升。

（5）減小水位偏差自動切“手動”功能的定值，在水位偏差過大，超出自動調節的控制范圍時，切除水位自動，并增加報警功能，提醒運行人員及時干預。

（6）鍋爐塌焦工況下，協調控制方式的切換，機組正常處于BFT協調控制，在塌焦時切換至TBF方式。穩定主汽壓力和汽包壓力，減少汽包壓力的突變對水位的影響；減小給煤量的變化，穩定爐膛燃燒。

（7）加強對鍋爐塌焦工況的辨識，改善給水控制，適時進行協調控制的切換。建議按爐膛壓力變化幅度及變化速率，結合其他風煙系統參數條件，識別鍋爐塌焦工況的發生。

（8）加強汽包水位信號的維護，提高準確性。

（9）最根本的處理措施是防止爐膛嚴重結焦，電廠應與制造廠討論，改善對燃燒器布置，可以考慮將CD層起旋二次風移動布置在AB層。