1 000MW機(jī)組塔式爐塌灰引起MFT的分析及對策

董務(wù)明，王國紅，陳 慧，韓東太

（1.銅山華潤電力有限公司，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

隨著超超臨界機(jī)組的發(fā)展，燃煤鍋爐超大型化是必然趨勢。與Π型爐相比，塔式爐因左右側(cè)受熱面熱偏差小、對煤種的適應(yīng)性強(qiáng)，優(yōu)勢越來越明顯［1］。但是近幾年來，塔式爐上部受熱面易積灰導(dǎo)致磨組火檢喪失、跳磨甚至引起MFT的情況越來越嚴(yán)重。深入研究塌灰導(dǎo)致MFT的機(jī)理，并制定出相應(yīng)的預(yù)防對策，越來越迫切、重要。

1 系統(tǒng)概況

某公司2×1 000MW機(jī)組配套使用上海鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)、變壓運(yùn)行、螺旋管圈直流鍋爐。鍋爐型號：SG-3044／27.46-M53X。采用單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天塔式布置方式。設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤、校核煤種為大同煤。

爐膛寬度21 480mm，深度21 480mm，水冷壁下集箱標(biāo)高4 000mm，爐頂管中心標(biāo)高111 275mm。最上層燃燒器中心線距最下層對流受熱面（一級過熱器）屏底距離22 044mm。鍋爐配置6臺ZGM133N中速輥式磨煤機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)。燃燒器沿高度方向分為三組，從下向上依次為：ABC磨一組、DEF磨一組，每組均設(shè)六層煤粉噴嘴，24只燃燒器。最上一組為SOFA燃盡風(fēng)燃燒器，分六層風(fēng)室。燃燒器最下層標(biāo)高23 001mm，頂端標(biāo)高45 716mm。

爐膛上部從下向上布置的對流受熱面依次為一級過熱器、三級過熱器、二級再熱器、二級過熱器（下、上部）、一級再熱器、省煤器。該廠的設(shè)計(jì)及校核煤質(zhì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燃煤的煤質(zhì)特性 %

2 MFT發(fā)生經(jīng)過

2.1 發(fā)生前運(yùn)行工況

5號機(jī)組電負(fù)荷700MW，B、C、D、E磨運(yùn)行，總給 煤 量 273t／h、總 風(fēng) 量 2 371t／h、氧 量3.88%、主蒸汽流量1 885t／h、給水流量1 847t／h、主汽壓17.25MPa。八大風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常。高調(diào)門開度100%、51／52小機(jī)低壓調(diào)門開度30%。給水流量、給煤量、引風(fēng)機(jī)靜葉、送風(fēng)機(jī)及一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉均投自動(dòng)，主、再熱汽溫等參數(shù)正常，CCS控制方式，RB正常投入。

2.2 MFT發(fā)生過程

2：01：20，爐膛負(fù)壓由-50Pa突升至+530 Pa；

2：01：28，爐膛負(fù)壓降至-1936Pa，引風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)正常，期間BCDE磨火檢信號頻閃；

2：01：31，B磨因3／4無火檢信號跳閘；

2：01：34，RB功能啟動(dòng)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)切至TF初壓方式；

2：01：36，自動(dòng)投入C層油槍，機(jī)組RB按照既定工況調(diào)節(jié)；運(yùn)行人員手動(dòng)投入B層油槍；

2：01：38，E磨因3／4無火檢信號跳閘，運(yùn)行人員手動(dòng)投入D層油槍；

2：01：42，爐膛負(fù)壓+2377Pa（此后在自動(dòng)調(diào)節(jié)下趨于正常值），給水流量910t／h；

2：01：36～2：03：37，汽機(jī)主汽 A、B調(diào)門分別從66.42%、68.05%關(guān)至14.69%、15.92%，主蒸汽流量從1 885t／h減少至892t／h，給水流量從1 885t／h減少至801t／h；

2：03：40，給水流量低觸發(fā) MFT，設(shè)備聯(lián)動(dòng)正常。7：55，機(jī)組重新并網(wǎng)。

3 塌灰引起MFT機(jī)理

本文介紹的是一起典型的連續(xù)跳磨導(dǎo)致RB動(dòng)作的事件，但是超出了RB設(shè)計(jì)范圍而引起鍋爐MFT，機(jī)組與系統(tǒng)解列。下面通過實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，細(xì)解塌灰引起MFT的原因及過程。

3.1 持續(xù)塌灰砸滅B磨火檢導(dǎo)致B磨組跳閘

塔式爐對高灰分的煤種適應(yīng)性非常強(qiáng)，但是一級再熱器及省煤器管區(qū)域受熱面布置稠密，煙氣流速低，使得該區(qū)域在60%及以下負(fù)荷長時(shí)間運(yùn)行時(shí)極易蓬灰。該機(jī)組剛啟動(dòng)不足3天，上部受熱面未吹灰而引起積灰。該部分蓬灰在機(jī)組負(fù)荷升高后，煙氣的擾動(dòng)能力增強(qiáng)，導(dǎo)致大量的積灰塌落，砸滅火檢信號，干擾煤粉著火及燃燒，引起磨組跳閘。

該鍋爐采用四角切圓燃燒方式，煤粉燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖愿┮曧槙r(shí)針方向旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)。從煙氣中脫離的煙塵及上部塌落的灰流受離心力及重力的作用，以俯視順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)向下脫落。該廠的的PI數(shù)據(jù)表明，5月6日1：55之前，各磨的火檢信號穩(wěn)定，強(qiáng)度都在95%以上。1：55，B1燃燒器火檢強(qiáng)度突然減弱至0，其他火檢信號正常。該股灰流砸滅了B1燃燒器的根部火焰，并且隔斷了B1燃燒器對上游煙氣的卷吸，使得B1燃燒器噴出的煤粉因溫度低而未能著火，因而此后B1火檢強(qiáng)度始終為0，但是塌灰尚未顯著擴(kuò)散并影響到其它燃燒器的著火。

表2 運(yùn)行磨各時(shí)刻火檢強(qiáng)度數(shù)值%

B1的熄火使得B2缺少了大量的卷吸熱，著火越來越差。B3的著火受到的影響則更輕微些。2：00：25，C2火檢強(qiáng)度也因被塌灰沖擊而迅速減弱并很快為0。沖擊C2的塌灰隨旋轉(zhuǎn)射流很快就沖擊了B3燃燒器的著火。2：01：22，B2、B3的著火因多重因素持續(xù)破壞而受到嚴(yán)重沖擊，火檢強(qiáng)度開始迅速衰弱。2：01：31，B磨因3／4無火檢信號跳閘。如表2所示。

3.2 B磨組跳閘的擾動(dòng)差點(diǎn)導(dǎo)致C磨跳閘

砸滅C2的的塌灰流，是新產(chǎn)生的灰流還是砸滅B1灰流的擴(kuò)展呢？結(jié)合表2及爐內(nèi)煙氣實(shí)際流速，若為同一塌灰流，該塌灰流應(yīng)具有如下特征：在3 400mm 的落差時(shí)，轉(zhuǎn)過90°。

B磨跳閘后，對各運(yùn)行磨組造成了嚴(yán)重的沖擊，首當(dāng)其沖的是鄰層C磨。C磨各火檢信號強(qiáng)度在B磨跳閘后均迅速衰弱。持續(xù)沖擊C2燃燒器的灰流因B磨跳閘產(chǎn)生的擾動(dòng)而偏離C2，灰流的沖擊壓力部分抵消了B磨跳閘產(chǎn)生的巨大擾動(dòng)，使得C2與C1的著火和燃燒情況反而短時(shí)趨向改善。C3、C4的著火情況卻因主要受到B磨跳閘的影響而急劇衰減。因而C磨的火檢信號在B磨跳閘后處于火檢喪失的閥值邊緣而沒有引發(fā)3／4無火檢信號跳閘。D磨因受到C磨的緩沖而受到B磨跳閘的影響更小，火檢雖有減弱但是離閥值尚遠(yuǎn)。

3.3 導(dǎo)致B磨的塌灰流擴(kuò)展導(dǎo)致E磨隨后跳閘

如上所述，若C2與B1的灰流若為同一股灰流，由于煙氣在切圓上的高速旋轉(zhuǎn)，它在3400 mm的中心距上近似旋轉(zhuǎn)了90°。E1與B1中心距為13 537mm，則其旋轉(zhuǎn)的角度應(yīng)為。E與B1／3400×90°=3.98＊90°，剛好吻合1周。結(jié)合前述的C2與B1灰流的關(guān)系，表明B1塌灰流在旋轉(zhuǎn)流線上剛好緊貼E1。可見，砸滅B1、C2、E1的塌灰流確實(shí)為同一股塌灰流。

2：01：27（見表2），E1火檢強(qiáng)度開始迅速減弱，并很快為0。表明原始塌灰流由于某種原因位置稍許改變或擴(kuò)大了范圍，砸滅了E1的燃燒器根部，并且阻斷了E1燃燒器根部對上游煙氣的卷吸，使得E1燃燒器熄火。同樣，E1的熄火直接切斷了E2的卷吸熱，使得E2數(shù)秒鐘后跟著熄火，E2的熄火切斷了E3的卷吸熱，幾乎在同樣的時(shí)間間隔后，E3隨之熄火。這樣，在2：01：38（見表2），E磨因3／4無火檢信號跳閘。

表3 各層煤粉燃燒器噴口的標(biāo)高及中心距參數(shù) mm

表4 事故過程主要參數(shù)

3.4 塌灰流形成及發(fā)展過程中對爐膛負(fù)壓的影響

塌灰流剛形成過程中，各運(yùn)行風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉（靜葉）開度幾乎沒有變化。由表4可知，2：01：21，爐膛負(fù)壓出現(xiàn)瞬時(shí)冒正壓的情況，是由于B1長時(shí)間未有效點(diǎn)燃，煤粉在爐膛內(nèi)積聚，并影響到其它煤粉的點(diǎn)燃及燃燒，這種情況在持續(xù)惡化，燃燒持續(xù)變差。但是此時(shí)爐膛內(nèi)溫度還比較高，被沖散的煤粉射流在燃燒器上部區(qū)域集聚到一定程度后被重新點(diǎn)燃，出現(xiàn)了較小規(guī)模的爆燃所致。

小爆燃發(fā)生后，對爐內(nèi)本來就越來越脆弱的燃燒造成了較大的沖擊。雖然總一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、輔助風(fēng)門及煤量均無明顯變化，但是主燃燒區(qū)的燃燒在進(jìn)一步惡化，大量的煤粉未有效點(diǎn)燃就被推向SOFA燃燒器區(qū)，在該區(qū)及其上的空間內(nèi)再次發(fā)生爆燃，由于爐內(nèi)的空間非常大，所以爆燃使?fàn)t膛負(fù)壓從-1 283Pa升高2 103Pa而未發(fā)生MFT。第二次爆燃，恰在B磨跳閘時(shí)發(fā)生。爆燃產(chǎn)生的大量熱量幾乎消耗完?duì)t內(nèi)累積的未燃盡煤粉，在短時(shí)間內(nèi)改善了燃燒環(huán)境，此后爐膛負(fù)壓逐漸回歸到正常數(shù)值。C、D磨漸趨穩(wěn)定。

3.5 磨組跳閘觸發(fā)MFT

2：01：34（見表2），RB程序在B磨跳閘3秒鐘后啟動(dòng)。由于B磨跳閘后只有3臺磨運(yùn)行，RB程序檢測的結(jié)果是按照兩臺磨跳閘的條件啟動(dòng)相應(yīng)程序。2：01：38，E磨的跳閘，使得機(jī)組只有C、D磨在運(yùn)行，DCS仍然按照原RB指令發(fā)出迅速關(guān)小兩主汽調(diào)門以維持既定的主汽壓。其后給水泵因小機(jī)抽汽量不足而打不出水。2：03：40（見表2），給水流量低于跳閘值觸發(fā)MFT。

4 防止塌灰引發(fā)MFT對策

鍋爐各級受熱面在運(yùn)行中臟污是無法避免的，很容易引發(fā)塌灰［2，3］。破壞積灰的量的累積、優(yōu)化火檢信號的閥值是解決塌灰引發(fā)MFT的最主要途徑。

4.1 破壞塌灰的累積

防止塌灰的最有效的方式是低負(fù)荷下采用微擾吹灰方式破壞灰的累積。塔式爐的結(jié)構(gòu)特性決定其在低負(fù)荷下易于積灰。計(jì)算表明，1 000MW塔式爐一再區(qū)域的蓬灰量可達(dá)46m3。該部分蓬灰可因某一因素從某一薄弱點(diǎn)開始塌落，塌落后該點(diǎn)的灰量變小，引起相鄰部位的灰流向該塌灰點(diǎn)，從而形成了一段時(shí)間的持續(xù)塌灰流。運(yùn)行表明，當(dāng)負(fù)荷連續(xù)低于600MW的時(shí)間超過20h后，積灰量已足以形成持續(xù)塌灰流，此時(shí)是采取削灰措施的最后關(guān)口，否則易導(dǎo)致塌灰跳磨。在現(xiàn)場將吹灰蒸汽壓力降至1.4MPa左右，一支接一支的手動(dòng)對一再等上部受熱面吹灰，使得積灰擴(kuò)散并大部分隨煙氣帶走，不會導(dǎo)致多個(gè)火檢喪失而跳磨。如機(jī)組負(fù)荷持續(xù)在50%左右，堅(jiān)持每天對一再受熱面完成一次吹灰。通過這種方式，鍋爐在低負(fù)荷下一直穩(wěn)定運(yùn)行，無火檢信號喪失甚至跳磨的情況。

其次是通過增加SOFA風(fēng)的比例或提高過剩空氣系數(shù)，增加SOFA風(fēng)燃燒器出口的風(fēng)速，增加了低負(fù)荷時(shí)氣流的旋轉(zhuǎn)，增加了煙氣的擾動(dòng)，抑制了積灰的增長，有效且經(jīng)濟(jì)。

燃料本身的性質(zhì)在很多程度上決定了鍋爐的積灰特性。現(xiàn)場運(yùn)行表明，減少受熱面積灰，首先是盡量降低灰分含量，其次是盡量降低堿金屬含量。對于易積灰的煤種，摻燒不易積灰的煤種，可以顯著改善積灰情況。

4.2 優(yōu)化火檢證實(shí)的閥值

從塌灰導(dǎo)致磨組跳閘的情況看，塌灰后火檢信號將大幅度減弱，但是并沒有導(dǎo)致直接熄火。尤其是C、D磨，在其上下層（B、E）磨組連續(xù)跳閘后，仍能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。由于磨組跳閘的火檢證實(shí)信號是開關(guān)量，若閥值較高，則在火檢強(qiáng)度較高時(shí)即判斷為無火。故在實(shí)際校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將開關(guān)量火檢的證實(shí)閥值盡量調(diào)低到火檢強(qiáng)度信號可檢的最小值，這樣，能夠有效防止因閥值高而誤判熄火，確保磨組在不提前跳閘。

4.3 啟用燃燒弱化及油槍快投程序

對塔式爐，燃燒弱化的判據(jù)主要是磨組的火檢信號（開關(guān)量及模擬量的火檢強(qiáng)度）、爐膛負(fù)壓及運(yùn)行輔機(jī)的跳閘信號。除主要輔機(jī)跳閘觸發(fā)油槍快投程序外，爐膛壓力低一值信號觸發(fā)油槍快投，運(yùn)行磨組任兩個(gè)火檢強(qiáng)度低于60%（各廠可據(jù)實(shí)際情況調(diào)整）時(shí)也觸發(fā)油槍快投程序。油槍快投程序則為信號觸發(fā)時(shí)，自動(dòng)同時(shí)推進(jìn)一層油槍，油槍進(jìn)到位后立即開啟油角閥，利用爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔恻c(diǎn)火燃油［4］。利用油槍快投，可以確保磨組著火不良時(shí)迅速利用油槍點(diǎn)燃煤粉，爐內(nèi)燃燒弱化時(shí)能夠穩(wěn)燃。這種優(yōu)化后的邏輯在現(xiàn)場運(yùn)行效果非常好。

4.4 高壓調(diào)節(jié)調(diào)閥開度設(shè)置最小值限值

由于該廠1 000MW機(jī)組的電動(dòng)給水泵設(shè)計(jì)容量為30%BMCR機(jī)組負(fù)荷，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)電泵不做備用，僅在啟停機(jī)期間電負(fù)荷＜30%BMCR使用。當(dāng)汽泵運(yùn)行時(shí)，為了保證汽泵正常出力，確保給水系統(tǒng)穩(wěn)定，需要限置高調(diào)閥的最小開度。根據(jù)RB試驗(yàn)，在高調(diào)閥開度大于19%時(shí)，能夠確保動(dòng)態(tài)過程中的汽、水、煤、風(fēng)等參數(shù)的合理匹配。故在DEH中嵌入邏輯：任一汽泵轉(zhuǎn)速大于3000RPM時(shí)，高調(diào)閥開度下限為20%。這樣在任何工況下，均能確保汽泵出力，且汽泵、主汽調(diào)閥開度及主機(jī)均不受MFT后動(dòng)作保護(hù)的影響，確保機(jī)組的安全。

5 結(jié)論

塔式爐塌灰影響了鍋爐的安全運(yùn)行。塌落的灰流砸滅了磨組的某個(gè)火檢信號，并阻擋了該燃燒器射流對上游煙氣的卷吸，使得射流不再被點(diǎn)燃，灰量大形成了持續(xù)灰流，使得該磨組的其他燃燒器相繼熄滅，觸發(fā)磨組跳閘。低負(fù)荷時(shí)采用微擾動(dòng)吹灰方式，改變運(yùn)行方式，有效控制了積灰的進(jìn)一步累積，杜絕了大面積塌灰情況的發(fā)生。通過在DCS、DEH中嵌入相應(yīng)的熱控程序，從多環(huán)節(jié)上穩(wěn)定了機(jī)組運(yùn)行。本對策對1 000MW機(jī)組具有極大的推廣價(jià)值和借鑒意義。

［1］ 丁爾謀.發(fā)電廠低循環(huán)倍率塔式鍋爐［M］.北京：中國電力出版社，1996.

［2］ 閻維平.500MW機(jī)組塔式鍋爐受熱面污染特性分析與吹灰系統(tǒng)優(yōu)化改造［J］.熱力發(fā)電，2011，40（8）：51-56.YAN Wei-ping.Analysis of heating surface fouling behavior and optimized retrofit of soot-blowing system for tower type boiler of 500MW unit［J］.Thermal Power Generation，2011，40（8）：51-56.

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