大型火力發電廠煤粉鍋爐危險有害因素分析

張相建

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室 山東 青島 266071）

0 引言

鍋爐是供汽發電之源，其運行是否安全，直接影響大型火力發電廠的安全生產及經濟效益。

鍋爐是具有爆炸危險的特種設備，受國家特種設備監察機構監管。通過對大型發電廠煤粉鍋爐危險有害因素分析可以辨識出該系統中的危險有害因素，并可以針對相應的危險有害因素提出相應的對策措施，以降低鍋爐發生事故和人員傷亡的風險率，提高系統的本質安全化程度。

1 大型火力發電廠煤粉鍋爐主要危險有害物質

大型火力發電廠煤粉鍋爐所使用的主要原輔材料有煤、輕柴油、石灰石粉，產成品主要有高溫高壓蒸汽和水以及高溫煙氣。物料在使用、貯存、運輸過程中一旦發生意外泄漏或事故性溢出，極易導致火災、爆炸、中毒、窒息、腐蝕事故的發生和造成粉塵的毒害。

2 主要危險有害物質特性

2.1 煤

煤是一種可自燃物質，在卸煤、輸煤過程中及制粉過程很多部位會產生煤塵，如轉運站、碎煤機室、煤倉間等。如果煤塵在空氣中達到一定濃度，在外界高溫、碰撞、摩擦、振動、明火、電火花的作用下會引起爆炸，爆炸后產生的氣浪會使沉積的粉塵飛揚，造成二次爆炸事故。

2.2 輕柴油

輕柴油易燃，一般屬于乙類危險類別高閃點液體，爆炸危險類別ⅡA類，T3組別，與氧化劑接觸，有引起燃燒的危險。

2.3 高溫高壓蒸汽和水

鍋爐生產過程中產生和使用的各種水、汽，大多壓力高、溫度高，由于設備及管系故障泄漏，不但造成設備事故，造成停產、停電和經濟損失，也會造成人員燙傷和擊傷。

2.4 工程在生產中高溫煙氣（100℃以上）

煙氣中含有二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物及不完全燃燒產生的一氧化碳。煙氣泄漏會造成人員灼傷、中毒、窒息，還會造成腐蝕、污染環境和大氣。

3 主要危險有害物質的分布

4 主要危險有害因素分析

鍋爐設備及系統主要包括鍋爐本體、燃燒系統、輸煤系統等3個部分。

電站鍋爐本體屬于特種設備，特別是鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器及附屬的蒸汽管道內的工作介質溫度、壓力非常高，運行過程中因為設計、制造、安裝階段遺留的缺陷沒有消除，或者在投運后水質不合格、燃用煤種不當造成結垢、結焦、結渣導致受熱面過熱運行，會發生容器爆炸、燙傷等危險因素和事故停爐。制粉系統的磨煤機出口溫度高、長期間停運（如備用磨煤機）會導致積煤自燃，并引發制粉系統的火災、爆炸事故。點火助燃油系統因為防靜電措施不完善、雷擊、油品泄露等原因會發生輕柴油或其蒸汽的火災、爆炸事故。

4.1 電站鍋爐材料選擇和焊接風險

電站鍋爐水冷壁、汽水分離器、高溫過熱器/再熱器及其出口聯箱、主蒸汽和再熱蒸汽管道等是承受著高溫、高壓的工作環境，同時還被水蒸氣氧化、高溫煙氣腐蝕。對選用材料的抗蠕變、疲勞、高溫氧化與腐蝕、冷加工與熱加工等性能都提出了更苛刻的要求。

4.1.1 水冷壁

水冷壁用鋼要有一定的高溫強度，良好的抗疲勞、抗煙氣腐蝕、耐磨損性能，并有良好的工藝性能，尤其是焊接性能。另外，水冷壁的介質是汽液兩相，管外壁又在爐膛燃燒時煤粉顆粒運動速度最快的區域，積垢導致的管壁溫度升高和燃燒顆粒沖刷都是選用鋼材要考慮的問題。

4.1.2 過熱器、再熱器

過熱器、再熱器所選用的鋼材應能在滿足持久強度、蠕變強度要求的同時，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕及抗飛灰沖蝕性能、管子內部抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷熱加工工藝性能和焊接性能。燃煤的含硫量、煙氣腐蝕性、壁溫等因素對過熱器、再熱器材料選擇有較大影響。

4.1.3 聯箱與管道

由于聯箱（末級過熱器、末級再熱器出口聯箱）與管道（主蒸汽管道、導汽和再熱蒸汽管道）布置在爐外，沒有煙氣加熱及腐蝕問題，管壁溫度與蒸汽溫度接近，因此鋼材應具有足夠高的持久強度、抗蠕變強度、抗疲勞和抗蒸汽氧化性能，還要具有良好的加工工藝和焊接性能。

4.1.4 汽水分離器

汽水分離器是電站鍋爐的厚壁元件，主要承受低周疲勞應力，機組啟動過程中機組負荷變化率越大，汽水分離器承受的應力也就越大。因此，汽水分離器的選材應有足夠的強度承受低周疲勞應力，也要有良好的焊接性能。

4.2 鍋爐熱膨脹

電站煤粉鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器、汽水分離器等受熱部件因為采用金屬材料不同、膨脹系數不一致，將會引起局部熱應力增加，影響機組安全運行。

4.3 鍋爐爐膛爆炸

因火檢系統故障、熱控系統故障等原因，鍋爐滅火后未能及時發現，繼續向爐內供給煤粉；運行中鍋爐工況調整不當，燃燒異常，爐膛火焰中心溫度下移、溫度下降但未完全熄滅，煤粉未能完全燃燒；鍋爐熄火后未能將爐內未燃燼的煤粉吹掃干凈；點火失敗后未嚴格執行氣體吹掃置換措施并再次點火，引燃輕柴油霧滴或煤粉與爐膛內空氣混合形成的爆炸性混合氣體，以上異常情況下均可能造成爐膛爆炸事故。

4.4 鍋爐尾部煙道再燃燒

當鍋爐燃燒不良時，爐膛內未燃盡的煤粉、碳黑或油粒隨煙氣被帶到鍋爐尾部，沉積在尾部受熱面上，在高溫作用下燃料氧化，產生熱量，當達到自燃溫度就會發生鍋爐尾部煙道再燃燒，使尾部受熱面過熱、超溫，使其爆管損壞。

4.5 四管（過熱器、再熱器、水冷器、省煤器）爆漏事故

過熱器、再熱器、水冷器、省煤器（簡稱鍋爐“四管”）爆漏的主要原因是超溫、磨損、疲勞斷裂、腐蝕、焊接質量、工作人員失誤、設計不妥等因素造成。

“四管”爆漏有其周期性：機組投產初期多是管材、焊口、設計、制造、安裝方面的問題引起的；過若干年后超溫過熱爆破連續出現；再往后磨損、腐蝕問題就會突出起來；水質惡化或運行管理出現大的失誤往往會引起大面積爆漏。通過大修或批量換管會穩定一段時間，過些年問題又會暴露出來。

4.6 煤質指標對鍋爐系統安全性影響分析

大型發電廠煤粉鍋爐燃煤一般使用貧煤、煙煤等煤質，燃燒穩定性較好，但是在磨煤機、煤粉管道內積留的煤粉容易發生自燃事故；設計煤種、校核煤種的灰中二氧化硅、三氧化二鋁含量較高，灰的硬度較高，灰對鍋爐受熱面磨損較重，對磨煤機的磨損也重。因此在磨煤機選擇、鍋爐選型、燃燒工況設計方面需要充分考慮煤種特性及煤種變化對鍋爐安全運行的影響。

4.6.1 煤質變化對金屬磨損的影響。

含有硬顆粒的流體（煙氣灰粒）相對于固體運行（受熱面金屬），使固體表面（金屬表面）產生的磨損的沖蝕（或沖擊磨損）。

爐內受熱面特別是低溫受熱面的磨損會受到煤灰特性的影響，灰的磨損性能系數不但與灰中的SiO2和AlO3含量有關，同時還與Fe2O3及未燃盡的余碳含量有關：煤灰中高硬度的SiO2、未燃盡碳和Fe2O3的含量越高，煤灰的磨損越強，而煤的本身也有一定的磨損性，煤的磨損指數Ke決定了煤對金屬件的磨損程度，直接關系到磨煤部件和輸煤系統的工作壽命及安全性，煤對金屬的磨損與煤中硬質顆粒含量有關，而硬質顆粒主要來源于煤中的礦物雜質。

4.6.2 煤質變化對運行安全及經濟性的影響。

出力受限：煤質變化可能造成機組的某些設備不能滿負荷運行而限制。

煤質趨劣使電廠煤耗和廠用電率上升：煤質趨劣使鍋爐燃燒不穩，導致鍋爐不完全燃燒率增大和排煙過剩空氣增加，會導致鍋爐效率下降。

煤質趨劣導致可用率降低。

4.7 控制循環水泵安全性分析

控制循環水泵故障會造成鍋爐減負荷，甚至停爐。除了控制循環水泵，機械上和電源方面的設備故障影響泵的安全可靠運行外，循環水泵可能發生超溫、汽蝕和泄漏等危險。其中泵內汽化是運行中主要危險，其原因是給水中斷；系統壓力急劇下降；汽包水位低于規定值。

預防和處理的方法：保證給水系統的穩定運行，防止出現給水流量的大幅度下降或中斷；控制好汽包水位，不使水位太低；停爐時要設法保證蒸發系統壓力不得降得太快；控制好煤水比例，保證強制循環泵入口水溫始終低于對應壓力下的飽和溫度（5～10℃）；一旦發生汽化時應及時停泵處理，防止損壞設備。

為了防止由于水冷壁管間存在較大的熱偏差而使受熱弱的管子中出現水循環停滯和倒流，制造廠家在鍋爐設計制造時，根據水冷壁的熱負荷，將其劃分成若干個循環回路，在管屏或管子進口都裝有節流圈，并在不同的循環回路中采用不同孔徑的節流圈，使各循環回路保證有合理的循環水速蒸發管屏中不發生脈動，以消除因水冷壁熱負荷的差異可能形成水循環停滯或倒流，破壞正常水循環，造成水冷壁汽塞爆管事故。

為提高鍋爐水循環泵的可靠性，應選取合理的吸水管水速和管徑，增大吸水管的高度，減少吸水阻力和提高循環水的欠焓。

對于控制循環汽包鍋爐，應設可靠的爐水循環泵差壓保護。差壓保護采用二取二方式，當有一點故障退出運行時，應自動轉為一取一的邏輯判斷方式。當二點故障超過4h時，應當即停止該爐水循環泵的運行。

鍋爐正常運行時，應至少有兩臺鍋爐水循環泵運行，為防止某臺鍋爐水循環泵故障停運發生RB，三臺鍋爐水循環泵均應投入運行。

5 結論

通過大型發電廠煤粉鍋爐危險有害因素分析，可以對未達到安全目標的系統或單元提出針對性的補償及補救措施，以利于提高大型發電廠煤粉鍋爐的本質安全程度，滿足安全生產的要求。