一起典型鍋爐爆燃事件的分析

蔡國保，屈章龍，韓 磊，郭嚴昊，嚴澤乾

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

隨著燃煤機組的運行參數越來越高,以及各發電集團對降非停工作要求日益嚴格,提高機組安全穩定運行,降低設備故障率,已成為各發電企業面臨的一個長期面臨的問題。機組的安全穩定,重點在鍋爐設備的安全穩定,目前我國發電廠主要以火力發電為主,制粉系統實現安全管理可以保證機組穩定運行。以一起典型的鍋爐異常事件為例,深入分析設備異常的根本原因,為后續設備檢修維護提供參考借鑒。

1 事件概況

某廠1號鍋爐由羅馬尼亞ICPET鍋爐廠生產,容量330 MW,鍋爐型式：1100 t/h燃煤、塔式、中間再熱負壓燃燒、蒸發點可變的本生型直流鍋爐,額定壓力19.2 MPa。鍋爐燃燒器為WSF型旋流燃燒器,20個燃燒器分5層布置,每層4個,前后墻各2個,布置在同一標高,在同一標高線上的前后墻燃燒器錯列對沖布置,層與層之間錯列布置；在每面墻上,1,3,5層的同角噴燃器在同一垂直線上,2,4層的同角噴燃器在同一垂直線上。每個燃燒器裝有油火焰和煤火焰監視器。

制粉系統為正壓直吹式,配有5臺MPS-190型磨煤機,20個分級送風WSF旋流式噴燃器分5層布置在前后墻上,16個Y型油槍均布置在2～5層的16個煤粉燃燒器中心風筒內,一層8個微油油槍布置在4個煤粉燃燒器中心風筒內,每個中心風筒內布置主輔油槍2支,均配備高能點火裝置。

1號給煤機因減速機故障停電待修,3號給煤機頻繁斷煤。鍋爐大面積滅火且持續惡化時,磨煤機“層火焰喪失”及主燃料跳閘(main fuel trip,MFT)保護拒動,期間運行人員多次投運油槍但點火不成功,且未能及時切斷燃料供應,導致未燃煤粉、燃油持續增加,4 min內向爐內進煤粉約7 t,34號油槍點燃后造成鍋爐爆燃。單元長下令緊急停爐,執行手動MFT、手動停機操作。

2 檢查情況

2.1 現場檢查

鍋爐爐底冷灰斗水冷壁西北角及東南角沿鰭片斜向上方向撕裂,水冷壁43根開裂,疏水管7根開裂,撈渣機四周箱體與冷灰斗水冷壁密封面開裂,與撈渣機四周箱體接觸的水冷壁向外推移。檢查冷灰斗水冷壁內側有少量積灰,未見積粉或積油現象。

2.2 事件前后風機操作記錄

調取6臺風機操作記錄,根據歷史趨勢確認事件前6臺風機均處于手動狀態且維持不變,甲乙側引風機開度分別為44 %,57 %；甲乙側一次風機變頻調節,電流及變頻調節開度無歷史趨勢,甲乙側一次風機入口擋板開度均為98 %,甲乙側送風機動葉分別為53 %,36 %。

2.3 運行日志記錄

主要操作記錄顯示,1號和3號給煤機頻繁斷煤時,機組負荷為193 MW,爐膛壓力從0.067 kPa波動降至-2.03 kPa,隨即運行人員程啟12,13和14號微油槍,后續又程啟21,22和31號大油槍,主蒸汽溫度和壓力下降,機組快速減負荷；值長令緊急停爐,機側打閘。

2.4 入爐煤摻配方式及煤質情況

入爐煤摻配方式：1～5號煤倉采用汽車高硫煤單一煤種,采取爐前配煤方式,因汽車來煤種類較多,煤質差異性較大,存在摻配不均的可能性。事后通過2～5號給煤機取煤樣分析,其中4號給煤機上煤質揮發分為12.65 %,發熱量為15.91 MJ/kg,煤質熱值較低。

2.5 邏輯檢查

(1) 磨煤機“層火焰喪失”保護。磨煤機“層火焰喪失”的保護條件為：結合本層火焰狀態和相鄰層火焰的狀態綜合判斷后發出跳磨指令。該邏輯為羅馬尼亞原始設計,機組投產后未進行任何修改。因鍋爐長期出現塌灰造成部分火檢及爐膛壓力波動,查詢保護投退記錄,近5年該保護一直未投入,暫時維持保護退出狀態。

(2) “全爐膛火焰喪失”MFT保護。“全爐膛火焰喪失”MFT保護條件為：“有燃燒記憶的情況下,全部油閥關且5臺磨煤機全停”,保護條件實質為“全爐膛燃料喪失”保護。

(3) “爐膛壓力”MFT保護。“爐膛壓力”MFT保護條件為：“當爐膛壓力低于-1.5 kPa或者大于+3.0 kPa時,延時15 s動作”,該項保護為羅馬尼亞原始設計。

(4) 火檢邏輯。核查煤火檢邏輯,DCS系統顯示的“有火”信號判定條件為：“磨煤機已運行且燃燒器有火信號存在”。油火檢邏輯與煤火檢邏輯相同,確定火檢邏輯正確。

(5) 油槍程控邏輯。核查油槍程啟/程停步驟,確認油槍程啟步序：進油槍→開三通閥→開霧化閥→開吹掃閥(吹掃5 s)→進點火槍→打火→開油閥。在程啟過程中,前一步反饋作為后一步執行條件。步序反饋異常將在DCS畫面上顯示故障信息。

2.6 油槍檢查

根據運行規程要求,油槍每周二上午帶油試投一次。查詢油槍缺陷記錄,發現22號油槍堵,32號油槍機械卡澀,23號點火槍卡。

進入爐內檢查燃燒器,2～5層燃燒器一次風濃縮器尾部全部被磨穿,造成一次風濃縮器內部安裝的油槍及套筒因一次風粉混合物長期對其沖刷出現磨穿、彎曲變形問題,同時煤粉通過磨穿的一次風濃縮器進入內部中心風筒,造成部分中心風筒堵塞,影響油槍正常進退。2～3層中心風筒積灰造成堵塞的油槍有：21～24號,以及33～34號。

2.7 吹灰器情況

機組投產初期,鍋爐啟停階段采取強制冷卻方式,造成部分鍋爐水冷壁變形,為防止短吹灰器投入對水冷壁造成損壞,廠內規定停運或拆除部分短吹灰器,短吹灰器投入率為28.8 %。

2.8 火檢探頭安裝及參數設置

就地檢查火檢探頭安裝及參數設置情況,確認就地安裝的火檢裝置存在3種類型：

(1) 微油火檢為天臣恒制造的TWD-B型產品(共4支),采用光敏電阻測量火焰信號,經過就地火檢信號處理器輸出“有火”信號；

(2) 除微油之外的油火檢和大多數煤火檢探頭采用DURAG公司的D-LX 701IG-30型產品(共22支),探頭檢測火焰后直接輸出“有火”信號；

(3) 部分煤火檢采用上海準德電氣有限公司的ZDHDL-G-80型產品(共8支),探頭檢測火焰后輸出“有火”信號。

在現場核對了7支火檢探頭(DURAG產品)的參數設置情況,包括11號微油、12號煤火檢、24號煤火檢、24號油火檢、34號煤火檢、34號油火檢、41號煤火檢和53號煤火檢。各支火檢探頭參數設置情況見表1。

表1 火檢探頭參數設置(DURAG產品)

根據DURAG產品使用說明書可以確定：火檢門檻值合理的設置范圍為5～9,數字越大,門檻值越低；靈敏度宜設置為V6 (調節范圍為V1～V8),數字越大表示火檢增益倍數越大,即火檢靈敏度越高。通過數據對比,確定就地火檢探頭門檻值設置在合理范圍內,但是多數火檢增益倍數設置值偏高,一定程度上提高了火檢“偷看”的概率。

2.9 SOE記錄

調取SOE記錄信息顯示,由于1號機組SOE功能已喪失,無法讀取事故期間相關的SOE信息。

3 原因分析

3.1 鍋爐爆燃直接原因

給煤機頻繁斷煤造成鍋爐大面積滅火且持續惡化時,磨煤機“層火焰喪失”保護及MFT保護拒動,期間運行人員反復多次投運油槍且點火不成功,又未能及時切斷燃料供應,導致未燃煤粉、燃油持續增加,4 min內向爐內進煤粉約7 t,34號油槍點燃后造成鍋爐發生爆燃。

3.2 鍋爐大面積滅火且持續惡化原因

3號磨煤機出口溫度從74 ℃上升至最高99 ℃,原因為3號給煤機斷煤,運行人員增大冷風調門開度控制磨煤機出口溫度,未及時減少熱風調門控制磨入口風量,3號磨煤機內煤粉逐步抽空后,大量冷風進入使3層燃燒器滅火。由于3層燃燒器夾在2層和4～5層燃燒器之間,3層燃燒器滅火后對剩余2,4,5層燃燒器燃燒造成擾動,導致鍋爐燃燒不穩、大面積滅火且持續惡化。

3.3 爐膛壓力低的原因

檢查發現爐底水封正常,排除因鍋爐塌灰或掉焦造成爐膛壓力波動。判斷鍋爐發生大面積滅火,爐內溫度快速降低,氣體混合物急劇收縮,導致爐膛壓力下降至低于-2.03 kPa。

3.4 鍋爐滅火后投油槍原因

因煤火檢信號為開關量,不能直觀反映爐內燃燒強度,同時運行人員未對氧量、煙氣溫度等判斷鍋爐燃燒情況的特征參數進行綜合分析,僅從開關量信號誤判爐內仍有燃燒,而持續投入油槍。

風粉混合物磨穿一次風濃縮器,沖刷其內部安裝的油槍、點火槍,同時煤粉進入一次風濃縮器內部堵塞部分中心風筒,造成油槍和點火槍卡澀、變形,油槍磨穿漏油、霧化不良等問題,導致鍋爐燃燒惡化時點火不成功。

3.5 層火焰喪失保護及MFT保護拒動原因

(1) 磨煤機“層火焰喪失”保護拒動的原因：鍋爐長期出現塌灰造成部分火檢及爐膛壓力波動,該保護長期未投入。

(2) 爐膛壓力MFT保護拒動的原因：遵循羅馬尼亞機組原設計,爐膛壓力保護條件定為“爐膛壓力高于+3000 Pa或者低于-1500 Pa時,延時15 s”,因事件發生時爐膛壓力低于-1500 Pa的持續時間僅為4 s,且爆燃時爐膛壓力高于3000 Pa持續時間僅為3 s,不滿足保護動作條件,因此該項保護未動作。

(3) “全爐膛火焰喪失”MFT保護拒動的原因：現有的“全爐膛火焰喪失”保護條件為“有燃燒記憶的情況下,所有燃油閥均關閉,且所有磨煤機均跳閘”,其實質內容為“全燃料喪失”MFT保護,因事件發生期間有4臺磨煤機及部分油槍在運行,不滿足保護動作條件,因此該項保護未動作。

4 處理及防范措施

(1) 修復變形的水冷壁、剛性梁、吊帶、吊拉桿、爐外下聯箱分配器部分管壁；更換破損的水冷壁、疏水管；修復爐底密封；全面檢查鍋爐及環保設施,發現缺陷或尾部存在積粉時及時處理。

(2) 嚴格執行反事故措施要求。當爐膛已經滅火或已局部滅火并瀕臨全部滅火時,嚴禁投助燃油槍、等離子點火槍等穩燃槍；當鍋爐滅火后,要立即停止燃料(含煤、油、燃氣、制粉乏氣風)供給,嚴禁用爆燃法恢復燃燒；重新點火前必須對鍋爐進行充分通風吹掃,以排除爐膛和煙道內的可燃物質。重要保護裝置在機組運行中嚴禁退出,當其故障被迫退出運行時,應制定可靠的安全措施,并在8 h內恢復；其他保護裝置被迫退出運行時,應在24 h內恢復。運行期間嚴格履行聯鎖保護投退制度,投退過程應有完整的審批和操作記錄。

(3) 加強運行人員反事故措施學習演練。本次事故暴露出運行人員事故判斷分析和應急處理能力不強、安全意識淡薄等問題。要求嚴禁違反反事故措施進行操作；建議加強運行人員對事故特征判斷學習；高度重視和運用煤質差時正確的燃燒調整原則及方法,避免鍋爐滅火。

(4) 優化機組重要保護邏輯設計,完善鍋爐保護及測點信號。優化爐膛壓力MFT保護延時時間,結合本次事件中爐膛壓力達到保護定值時維持的時間,建議按照技術規程要求將鍋爐的爐膛保護延時時間修改為3 s。為確保火檢檢測裝置測量的正確性,鍋爐停爐后加強對燃燒器的檢查,檢查方法主要有：

① 燃燒器火焰檢測。采用切/投燃燒器的方法,直接觀察、記錄火檢探頭輸出的“有火”信號(源信號)。

② 火焰檢測探頭自檢。正常運行時,就地對任一火焰檢測探頭接線短路、開路各做一次試驗,觀察、記錄自檢報警顯示情況。

③ 爐內檢查。利用停爐檢修機會,進入爐膛內部逐一核查火檢裝置的安裝情況,檢查范圍包括火檢裝置外套管與燃燒器之間的夾角、火檢鏡頭清潔狀況、套管的嚴密性及火檢模擬信號測試等。測量探頭安裝深度應保證鏡頭與煤燃燒器有一定的距離和最佳安裝視角。同時,建議增加火焰強度模擬量測量功能,便于運行人員提前判定火焰的穩定性進而采取預防措施。

(5) 加強缺陷管理。針對此次鍋爐運行期間部分油槍投運失敗和存在缺陷的問題,應加強燃油系統設備缺陷管理,發現缺陷及時處理,鍋爐點火系統應能可靠備用,定期對油槍進行清理和投入試驗,確保油槍動作可靠、霧化良好,能在鍋爐低負荷或燃燒不穩時及時投油助燃。