300 MW CFB鍋爐啟動(dòng)中爆燃原因及預(yù)防措施

孫后軍，張衛(wèi)志

（馬鞍山發(fā)電廠，安徽 馬鞍山 243021）

近年，在電煤價(jià)格持續(xù)上漲的趨勢(shì)下，循環(huán)流化床(英文簡(jiǎn)稱CFB)鍋爐以其優(yōu)良的環(huán)保性能、良好的煤種適應(yīng)性和高效的劣質(zhì)煤燃燒等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。在我國(guó)，采用先進(jìn)潔凈煤燃燒技術(shù)的大型CFB鍋爐，短短幾年就從試用轉(zhuǎn)入了推廣階段。但比較于傳統(tǒng)燃煤鍋爐，CFB鍋爐存在著諸多特殊性，加之國(guó)內(nèi)在自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)不足，使用中也面臨著許多技術(shù)上的問題。目前正在推廣的300MW CFB鍋爐，其冷態(tài)啟動(dòng)中，爐膛點(diǎn)火和投煤方面控制不好易發(fā)生爆燃的問題，就是威脅機(jī)組安全運(yùn)行的隱患之一。以下結(jié)合對(duì)安徽省首臺(tái)300MW CFB機(jī)組整組啟動(dòng)中的一次鍋爐爆燃分析，探討同類型鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)中爆燃事故的預(yù)防和控制措施。

1 300MW CFB鍋爐基本系統(tǒng)和物料熱循環(huán)

筆者參與調(diào)試的鍋爐型號(hào)為HG1025/17.4—L.MN36，由哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造，亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、單鍋筒；單爐膛、雙風(fēng)布板；全鋼構(gòu)架、露天布置；平衡通風(fēng)、一次中間再熱。主要參數(shù)見表1。

鍋爐主要由單爐膛、高溫絕熱旋風(fēng)分離器、回料閥、外置式換熱器、尾部對(duì)流煙道、冷渣器和回轉(zhuǎn)式空預(yù)器等部分組成，基本系統(tǒng)見圖1。單爐膛采用褲衩腿、雙布風(fēng)板結(jié)構(gòu)。在爐膛上部左右兩側(cè)各布置有2個(gè)高溫絕熱旋風(fēng)分離器。每個(gè)分離器回料腿下布置一個(gè)回料閥和一個(gè)外置式換熱器。每個(gè)回料閥一側(cè)與爐膛相連，另一側(cè)與一個(gè)外置式換熱器相連。分離器分離下來的高溫物料一部分直接返回爐膛，另一部分進(jìn)入外置式換熱器，通過調(diào)整外置換熱器入口錐型閥的開度可控制外置換熱器和回料閥的循環(huán)物料分配。在爐膛兩側(cè)下部對(duì)稱布置4個(gè)外置式換熱器。靠近爐前的2個(gè)內(nèi)布置高溫再熱器HT R和低溫過熱器LT S，主要作用是調(diào)節(jié)再熱汽溫；靠近爐后的2個(gè)內(nèi)布置中溫過熱器IT S，用于調(diào)節(jié)床溫。爐膛、分離器、回料閥和外置式換熱器構(gòu)成了CFB鍋爐的核心部分—物料熱循環(huán)回路。煤與石灰石在燃燒室內(nèi)完成燃燒及脫硫反應(yīng)，產(chǎn)生的煙氣分別進(jìn)入4個(gè)分離器，經(jīng)氣固分離凈化后進(jìn)入鍋爐尾部煙道，依次經(jīng)高溫過熱器、低溫再熱器、高溫省煤器、低溫省煤器，最后通過空氣預(yù)熱器排出。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)燃料指標(biāo)

鍋爐設(shè)計(jì)燃煤為矸石、煤泥和中煤的混合燃料，固態(tài)排渣。設(shè)計(jì)和校核煤質(zhì)分析情況見表2。

表2 設(shè)計(jì)和校核煤種分析

3 CFB鍋爐爆燃原因分析

3.1 爆燃事故經(jīng)過

事故當(dāng)日02:00鍋爐投油點(diǎn)火，機(jī)組整組啟動(dòng)，14:35床溫約548℃時(shí)投煤，3個(gè)多小時(shí)后汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)。21:00后鍋爐下部、中部床溫部分測(cè)點(diǎn)顯示溫度降至500℃，隨后鍋爐BT動(dòng)作，首出信號(hào)為“爐煙道頂部壓力高高(≥4000Pa)”，爐B側(cè)風(fēng)道燃燒器膨脹節(jié)裂開，鍋爐熄火。

3.2 事故前運(yùn)行工況

引風(fēng)機(jī)1臺(tái)(乙)、高壓流化風(fēng)機(jī)3臺(tái)、一次風(fēng)機(jī)2臺(tái)、二次風(fēng)機(jī)1臺(tái)運(yùn)行；風(fēng)道燃燒器共3只油槍運(yùn)行，鍋爐燃煤量約為18t/h；左、右褲衩腿一次風(fēng)量分別為150000和190000Nm3/h，氧量約17%。另由于運(yùn)行中給煤線頻繁故障，鍋爐整體床溫一直不高，下部約在600℃，中部略高于500℃，上部約460℃，但從給煤線跳閘測(cè)點(diǎn)信號(hào)中反映，投煤期間上部床溫有一點(diǎn)經(jīng)常超過1000℃，各部床溫特別是上部床溫溫差較大。事故發(fā)生在給煤線斷煤后突然恢復(fù)給煤不久。

3.3 爆燃原因分析

從調(diào)試操作方面看，爐膛溫度維持在500℃～700℃時(shí)，在給煤線頻繁發(fā)生斷煤和跳閘故障的情況下，選擇大量投煤的時(shí)機(jī)不適宜，未燃燒的煤粉在爐內(nèi)積聚導(dǎo)致爐內(nèi)爆燃。其中原因有：

(1) 發(fā)生爆燃前由于密相區(qū)上部溫度偏高，右側(cè)個(gè)別測(cè)點(diǎn)溫度顯示達(dá)1000℃以上。為避免該點(diǎn)溫度繼續(xù)上升，調(diào)試中采用了加大二次風(fēng)量的辦法控制溫度。因風(fēng)量過大，爐膛溫度水平偏低，使得煤粒入爐后未經(jīng)充分燃燒，即被煙氣攜帶離開爐膛，帶入鍋爐尾部煙道。

(2) 由于啟動(dòng)中僅啟用了乙引風(fēng)機(jī)，在鍋爐煙氣流通截面寬大的情況下，單引風(fēng)機(jī)運(yùn)行使煙氣攜帶灰量不均勻，造成部分較細(xì)未燃盡的煤粒沉積在煙氣流動(dòng)相對(duì)較緩慢的右側(cè)煙道內(nèi)壁，加劇了煙道內(nèi)煤粒積聚現(xiàn)象。

(3) 鍋爐啟動(dòng)過程中，使用一次風(fēng)及二次風(fēng)量偏大。點(diǎn)火時(shí)，爐膛一次風(fēng)量A側(cè)為140000 Nm3/h，B側(cè)為170000Nm3/h，二次總風(fēng)量139000Nm3/h。隨著負(fù)荷增加，風(fēng)量值對(duì)應(yīng)增加至A側(cè)為150000 Nm3/h，B側(cè)為180000Nm3/h，二次總風(fēng)量250000 Nm3/h。大風(fēng)量運(yùn)行造成爐內(nèi)平均溫度偏低，遇有突然大量煤粒入爐后，未經(jīng)充分燃燒即被煙氣攜帶離開爐膛，在旋風(fēng)分離器出口水平煙道處積聚，到達(dá)爆炸極限濃度值后在一定溫度下發(fā)生了爆燃。

3.4 事故危害分析

CFB鍋爐爐膛內(nèi)爆燃，容易造成爐膛內(nèi)該區(qū)域溫度升高很快，超過灰分的熔化溫度，會(huì)產(chǎn)生低溫結(jié)焦，造成爐內(nèi)流化不良。若低溫結(jié)焦發(fā)生在爐膛的一次風(fēng)風(fēng)帽及二次風(fēng)進(jìn)爐膛的風(fēng)管上，將進(jìn)一步惡化爐膛內(nèi)床料的流化情況。其結(jié)果是嚴(yán)重影響鍋爐設(shè)備及整個(gè)汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行。這次事故后停爐檢查，現(xiàn)場(chǎng)觀察膨脹節(jié)右上角破裂，吹損了部分床槍點(diǎn)火裝置等設(shè)備；左右側(cè)旋風(fēng)分離器出口水平段到尾部煙道膨脹節(jié)破損，其中右側(cè)膨脹節(jié)上部保溫層材料飛出掛到了鋼梁上；左、右側(cè)旋風(fēng)分離器出口水平段煙道分別向外側(cè)發(fā)生位移30mm和50 mm，并壓壞了其膨脹限位；尾部煙道至空預(yù)器入口段一小部分保溫層松散；4個(gè)回料閥內(nèi)床料含碳量較大，其中A，C回料閥內(nèi)床料太少，已接近風(fēng)帽；C埋刮板給煤機(jī)上部蓋板掀走；鍋爐右側(cè)褲衩腿內(nèi)發(fā)現(xiàn)有大量焦塊。

4 CFB鍋爐啟動(dòng)預(yù)防爆燃措施

(1) 冷態(tài)啟動(dòng)前，在爐膛4 個(gè)回料閥和4個(gè)外置床內(nèi)添加足夠的啟動(dòng)床料，床料盡可能使用鍋爐正常運(yùn)行中排放出來的循環(huán)灰，以便鍋爐啟動(dòng)后盡快建立物料內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)。啟動(dòng)床料在第一次啟動(dòng)時(shí)可以用沙，以后也可以用底渣作為床料。如果選用沙子做啟動(dòng)床料，要求控制砂子中的鈉、鉀含量，以免引起床料結(jié)焦。其中Na2O：1.0%-2.0%；K2O：2.0%-3.0%；沙子粒度：最大粒徑≤1mm(99%小于1mm）；D50=200 μm(50%小于200 μm)。

啟動(dòng)床料粒度要求可參照CFB鍋爐運(yùn)行說明書中提供的粒度曲線(見圖2)。尤其在采用底渣時(shí)，應(yīng)盡量滿足粒度分布的要求，一般推薦粒度分布在曲線A和曲線B之間。

(2) 對(duì)應(yīng)型號(hào)的CFB鍋爐在冷態(tài)點(diǎn)火啟動(dòng)中，應(yīng)考慮啟用2臺(tái)引風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，盡量保證煙氣攜帶灰量均勻。運(yùn)行中，等燃燒工況穩(wěn)定后根據(jù)需要選擇引風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)。另外應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鍋爐尾部煙道吹灰，防止可燃物沉積。

(3) 在冷態(tài)啟動(dòng)中，當(dāng)鍋爐中床溫達(dá)到投煤允許溫度550℃時(shí)，則以最低轉(zhuǎn)速對(duì)稱投入2條給煤線。約60s后觀察床溫的變化，如床溫有所增加，同時(shí)氧量有所減小時(shí)，證明煤已開始燃燒。床溫將繼續(xù)以5℃/ mIn～8℃/mIn升溫率增加，氧量持續(xù)減小，可以較小的給煤量連續(xù)給煤。當(dāng)給煤線故障停運(yùn)時(shí)，必須查明原因消除故障后，方能恢復(fù)投煤，避免可燃物在未燃盡的情況下大量積聚。

(4) 點(diǎn)火后應(yīng)根據(jù)床溫分布情況及時(shí)對(duì)給煤線前后下煤量進(jìn)行調(diào)整，以消除床溫分布不均現(xiàn)象。300 MW CFB鍋爐啟動(dòng)中，床溫在500℃～700℃時(shí)不宜大量投煤，床溫達(dá)500℃時(shí)，應(yīng)按兩側(cè)對(duì)稱方式逐一啟動(dòng)床槍，避免爐膛內(nèi)點(diǎn)火后長(zhǎng)時(shí)間處于平均溫度低的階段。

(5) 在床溫達(dá)到600℃左右時(shí)，可對(duì)稱啟動(dòng)2臺(tái)高再HT R外置床和內(nèi)置低過LT S、中過IT S的2個(gè)外置床流化，其對(duì)應(yīng)的錐形閥開度為10%左右，以加熱它的床料。檢查外置床風(fēng)量:入口500Nm3/h，空室1850Nm3/h，HT R室7600Nm3/h，LT S室7600Nm3/h。逐步開大錐形閥開度，提高過、再熱汽溫度。床溫控制在650℃～700℃之間，逐漸停止床下啟動(dòng)燃燒器，同時(shí)增加給煤量。在鍋爐床溫等參數(shù)滿足要求的情況下，盡早向爐膛投煤助燃。在提高床溫的同時(shí)，煤中所含灰分也向爐膛添加循環(huán)灰，有助于建立鍋爐的熱物料內(nèi)外循環(huán)。

(6) 一旦發(fā)現(xiàn)床溫測(cè)點(diǎn)偏差大，或某測(cè)點(diǎn)顯示溫度超過1000℃時(shí)，應(yīng)立即聯(lián)系熱工，檢查確認(rèn)該測(cè)點(diǎn)顯示是否準(zhǔn)確。當(dāng)確認(rèn)該點(diǎn)溫度正確時(shí)，應(yīng)果斷采取措施，在采用加大一次風(fēng)量，調(diào)整上、下二次風(fēng)量比例方法的同時(shí)，應(yīng)降低該側(cè)的燃油量和給煤量，而不是單純加大風(fēng)量，降低該點(diǎn)床溫低于1000℃，防止發(fā)生結(jié)焦。(7) 當(dāng)發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)某個(gè)區(qū)域的溫度變化率迅速上升時(shí)，應(yīng)將氧量、爐膛壓力、主汽壓力等參數(shù)結(jié)合起來進(jìn)行判斷，如果出現(xiàn)與爆燃現(xiàn)象相吻合時(shí)，即可判斷為爐膛爆燃。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)迅速采取措施，適當(dāng)減少給煤量和燃油量，密切監(jiān)視爐膛壓力。當(dāng)爐膛壓力偏離正常值較大時(shí)，應(yīng)立即解除爐膛壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，改用手動(dòng)調(diào)節(jié)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)靜葉開度。如機(jī)組處于運(yùn)行中，還應(yīng)同時(shí)開大汽輪機(jī)調(diào)速汽門，增加機(jī)組負(fù)荷來降低主汽壓力，同時(shí)要密切監(jiān)視主汽溫度的過熱度，防止主汽溫度的過熱度偏低威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語

由于300MW 循環(huán)流化床鍋爐的冷態(tài)啟動(dòng)過程較長(zhǎng)，會(huì)造成爐膛內(nèi)床料越來越少，床壓越來越低，同時(shí)回料閥和外置床內(nèi)的物料也很少。在還沒有建立起正常的鍋爐內(nèi)外循環(huán)的情況下，由于爐膛內(nèi)各處的溫度偏差較大，煤進(jìn)入爐膛后容易造成燃燒不好。爐膛內(nèi)的部分區(qū)域積聚一定量的煤粒及煤的揮發(fā)分后，容易造成急劇燃燒，即發(fā)生爐膛爆燃。但只要在調(diào)試和運(yùn)行中多調(diào)整、勤分析，正確采取措施，就能降低爆燃發(fā)生的幾率，保證機(jī)組安全運(yùn)行。這臺(tái)機(jī)組在以后的10余次整組調(diào)試中沒再發(fā)生鍋爐爆燃，并已于2009年3月份投產(chǎn)。