磨煤機惰化系統防爆燃及對爆燃火焰淬熄影響分析

王 建，關 懷，王志浩，王海營，白云峰，艾方興，杜昊卿

(華能國際電力股份有限公司大連電廠，遼寧 大連 116100)

0 前言

現役燃煤電廠煤質波動較大，部分煙煤揮發分高，甚至接近褐煤水平。高揮發分煙煤在磨煤機啟停或斷煤過程中，若出口溫度控制不當，極易發生制粉系統爆燃事故。針對缺少惰化系統的制粉系統，在磨煤機啟停、斷煤等非正常工況下，即使運行人員及時監視到磨煤機出口溫度急劇上升，在無有效惰化或滅火措施的情況下，僅能采取緊急關閉熱風門、開大冷風門等措施，危急時需停止磨煤機運行，造成爐膛燃燒大幅擾動。

目前，磨煤機爆燃研究多集中于磨煤機室內積粉引發的爆燃，而忽視了因磨煤機長期運行或者燃燒器處氣流倒卷導致磨煤機出口煤粉管內煤粉大量積存而引發煤粉管內爆燃；關于惰化介質影響爆燃火焰淬熄的研究大多集中于微尺度燃燒器及實驗室領域，爆燃火焰則以低速擴散火焰或層流火焰研究為主，但針對燃煤電廠磨煤機出口煤粉管爆燃，尤其是沿煤粉管道傳播的紊流火焰研究仍缺少實例應用分析，自動控制邏輯也未見有效優化。

以某350 MW亞臨界燃煤機組為例，分析惰化系統的防爆然作用機理及對爆燃火焰淬熄的影響，提出防止、控制磨煤機爆燃的控制措施，并對惰化系統自動控制邏輯進行優化，以應對磨煤機在正常、非正常運行工況及備用狀態下可能的爆燃問題，確保機組安全、平穩、可靠運行。

1 機組概況

該電廠二期3、4號機鍋爐為BABCOCK (英國)亞臨界350 MW、單鼓、一次中間再熱、自然循環燃煤鍋爐，鍋爐蒸發量為1 162 t/h，設計燃煤為晉北煙煤。鍋爐采用單爐膛、旋流燃燒器前后墻對沖布置，平衡通風，固態排渣，半露天門型布置。

鍋爐配有4臺中速MPS-89G型磨煤機、正壓直吹式制粉系統、冷熱一次風混合后送粉。前后墻各有兩層，每層6臺低NOX軸向旋流式燃燒器(共24臺)，石子煤采用干式排放。

該電廠某月入爐煤質成分分析結果見表1。

表1 入爐煤質成分分析

2 磨煤機爆燃事件

根據3號爐磨煤機惰化蒸汽系統運行規定，磨煤機運行時，當磨煤機出口溫度高于90 ℃時，該磨煤機惰化蒸汽汽源門(氣動)自動開；當磨煤機出口溫度低于80 ℃時，惰化蒸汽汽源門(氣動)自動關閉，在此期間若磨煤機跳閘，則惰化蒸汽汽源門(氣動)自動關閉。事發當天3B磨煤機發生爆燃后，由于設定開啟溫度(90 ℃)離磨煤機跳閘溫度(100 ℃)較近，導致惰化蒸汽投入時間較短，未能發揮惰化系統全部功效。

09：50：20，3B磨煤機一次風流量從73 t/h快速下降至63 t/h。熱風擋板開度由27.3 %開至34.0 %，風量恢復正常。

09：50：30，3B磨煤機出口溫度從69.1 ℃上升，一次冷風調節擋板由之前的6.5 %直至全開，熱風調節擋板由34.0 %關至全關位。一次風壓力波動最高7.9 kPa、最低6.4 kPa。

09：50：47，該磨煤機出口溫度90.0 ℃，磨煤機出口溫度高報警，磨煤機惰化蒸汽電動門開。

09：50：51，該磨煤機出口溫度100.0 ℃，磨煤機跳閘，3B給煤機停止，磨煤機惰化蒸汽電動門關。

09：51：38，磨煤機出口門自動關閉，熱風關斷擋板自動關閉。

3 磨煤機爆燃分析

3.1 燃燒要素分析

燃燒三要素為可燃物、助燃物與最小點火能，三個條件缺一不可。磨煤機為鍋爐燃燒過程提供合格的煤粉，煤粉屬易燃易爆物，當煤粉在磨煤機內研磨時，具備一定的煤粉濃度和氧濃度，如果滿足最小點火能的條件，極易發生爆燃事件。

煤粉混合物最小、最低可爆的點火能與很多因素有關，但主要取決于煤粉爆炸反應本身活化能的大小。能量較小的火花通常不能點燃煤粉與空氣的混合物，但磨煤機內風溫過高時，就可能發生爆燃。

通過典型機組磨煤機性能試驗可知，針對不同煤質，當磨煤機出口溫度確定時，原煤水分含量比例越大，所需磨煤機入口溫度越高，如此便增加了磨煤機爆燃的風險；對于同一煤質，隨著煤風比的增加，所需磨煤機入口溫度增大，磨煤機爆燃風險隨之上升。

3.2 煤質爆炸指數分析

煤質爆炸指數是指煤中含有的揮發分占可燃物質的百分數，是確定煤質爆炸危險性的一個重要參數。煤質爆炸指數越高，則煤質爆炸性越強。煤質的爆炸特性主要取決于煤的特性，即煤的易燃程度、水分、灰分以及煤質的細度等。一般通過煤質的爆炸指數Kd來衡量煤的爆炸特性。

式(1)～(5)中：Kd為煤粉爆炸性指數；Vd為煤粉干燥基揮發分，%；Vvol，que為燃燒所需可燃基揮發分的下限(考慮灰和固碳)，%；Vvol為不考慮灰和固定碳時燃燒所需可燃揮發分的下限，%；Qvol為煤粉揮發分熱值，kJ/kg；Qnet，v，daf為煤粉干燥無灰基低位發熱量，kJ/kg；FCdaf為煤粉干燥無灰基固定碳含量，%；Vdaf為煤粉干燥無灰基揮發分含量，%。

煤質爆炸指數Kd與爆炸特性關系表現為：Kd＜1.0時，屬難爆炸危險性煤質；1.0≤Kd＜3.0時，屬中等爆炸危險性煤質；Kd≥3.0，屬易爆炸危險性煤質。典型煤質爆炸性分析結果見表2。

表2 典型煤質爆炸性分析

綜上所述，褐煤或高揮發分的煙煤爆炸感度與自燃傾向性高。

4 惰化系統設置及優化

惰化系統由快速動作的閥門控制，設置惰化系統的目的是在啟動、斷煤、停運、著火時進行惰化，以減少爆炸危險。惰化蒸汽閥采用氣動閥控制，遠方操作，噴射部位設置在磨煤機入口一次風主管道和分離器入口處。運行人員可通過系統控制畫面開啟主惰化蒸汽閥和輔助惰化蒸汽閥，進行惰化防爆燃及加速爆燃火焰的淬熄。

4.1 惰化系統防爆燃機理

磨煤機惰化系統防爆燃機理是利用鍋爐輔汽充當惰化介質，通過稀釋磨煤機內氧氣濃度，阻礙爆燃混合物的形成，破壞燃燒條件，從而對煤粉著火燃燒的初期階段進行有效抑制，減小磨煤機爆燃可能性和危害程度。

4.2 惰化系統對爆燃火焰淬熄機理

磨煤機惰化系統對爆燃火焰淬熄機理的具體表現分析如下。

1) 通過降低燃燒過程中的氧氣含量使爆燃火焰淬熄，從而達到抑制燃燒的目的。例如當運行磨煤機內突然發生爆燃時，通入惰化磨煤機風粉混合物氣流，停止供煤，排空磨煤機內燃料，切除并隔離磨煤機，切斷一次風，使磨煤機跳閘，隔離并惰化制粉系統，在不擾動制粉設備積粉情況下，進行爆燃火焰淬熄，直至各處溫度降到環境溫度。當正在運行且存煤較少的磨煤機發生著火時，切斷熱風，在磨煤機不超載的條件下，盡量加大給煤量，并使用調溫風繼續運行，進行爆燃火焰淬熄。又如當備用磨煤機內有燃燒或自燃情況時，在惰性氣氛下，利用惰化介質作為一次風，按運行規程啟動磨煤機，將磨煤機及系統內的殘留煤粉吹入爐膛并通過石子煤系統清除殘余燃料。在磨煤機本體及其內部物料冷卻到環境溫度前，不應打開和清掃磨煤機。

2) 磨煤機長期運行或燃燒器出口氣流倒卷造成煤粉回流以致煤粉管內煤粉大量積存引發煤粉管爆燃。此時，啟動磨煤機惰化系統，增加淬熄邊界層厚度，增大煤粉管壁溫度梯度，降低爆燃火焰溫度，使燃燒反應變弱，爆燃火焰在煤粉管內傳播過程中不斷與壁面進行熱交換，使火焰溫度迅速下降，直至溫度低于最小點火溫度爆燃火焰淬熄。

4.3 惰化介質選取

褐煤或高揮發分煙煤，一般采用空氣作干燥劑難以達到惰性氣氛。目前，國內燃煤電廠或磨煤機廠家配套的惰化系統多采用蒸汽作為惰化介質；惰化蒸汽允許注入量大，來源廣泛，成本低，抑爆性能優良，且對環境無污染、無毒，對磨煤機殼體熱沖擊較小，因此被廣泛應用。氮氣及二氧化碳制取較復雜，設備初期投資大、廠用電高、占地廣，且若制取設備發生故障，惰化系統則無法正常投運，使惰化介質來源可靠性降低。因此，雖其惰化效果較好，但實際應用較少。

惰化蒸汽溫度一般不超過250 ℃，壓力為0.6～1 MPa，輔汽聯箱蒸汽(汽溫為220 ℃，壓力為0.7 MPa)可滿足惰化蒸汽要求，在滿足抗爆炸壓力或抗爆炸壓力沖擊前提下，可不采用降溫降壓裝置，直接將輔汽聯箱蒸汽引入磨煤機機殼或進口風道中。

由于機組采用的是正壓直吹式制粉系統，按DL/T 5203《火力發電廠煤和制粉系統防暴設計技術規程》規定，在設備內或設備末端濕氣混合物中的最高允許氧含量(氧的體積份額，%)不應大于“惰性氣氛的最高允許氧含量”，即煙煤、褐煤在磨煤機內的最高允許氧含量分別為14 %和12 %。

該磨煤機惰化系統蒸汽取自鍋爐0 m蒸汽管路(蒸汽汽源本質取自于鍋爐輔助蒸汽），設置一手動總門、氣動總門(A磨西側)，疏水器(A磨西側，接入0 m暖風器疏水系統)，各磨入口設置一手動門(運行開度為1/2)、一氣動分門。

4.4 CO在線監視裝置

該機組采用先進的CO在線監測技術，以CO探頭輔助檢測分析，實現鍋爐燃燒多變煤種實時、準確的煤質CO濃度監測，并將在線CO數據用于DCS系統的安全預警及控制優化，大大提高了現有系統的安全程度和控制品質。采用PLC程序控制，在每臺磨煤機上裝設CO監測裝置和混合物溫度變化梯度測量儀表，可以實時監測出磨煤機(煤粉分離器)內的混合物中的CO含量和溫度變化情況。通過分析磨煤機中CO濃度，可以得到磨煤機防爆監測溫度與CO濃度的匹配關系。

每臺磨煤機惰化蒸汽入口設置惰化蒸汽汽源門(氣動)，并在表盤上設置遠程操作。對于爆炸感度高(揮發分高)和自燃傾向性高的煙煤和褐煤，裝設磨煤機(煤粉分離器)后混合物CO監測和溫度變化梯度測量裝置，當CO值和溫度變化梯度同時超過規定值時，及時投入惰化系統。

4.5 自動控制邏輯優化

通過上述爆燃事故的分析，可以發現原磨煤機惰化系統投入較為遲緩，在事故發生初期自動控制響應速度較慢，錯過了消滅事故的最佳時機，故對磨煤機自動控制邏輯提出幾點優化，以提高惰化系統的可靠性。

1) 增加“磨煤機出口溫度高于設定溫度5 ℃時開惰化蒸汽汽源門(氣動)”的邏輯設置，可提前12 s啟動惰化系統。

2) 增加磨煤機入口一次風壓力變化速率大于0.15 kPa/s且爐膛負壓變化速率大于0.05 kPa/s時開惰化蒸汽汽源門(氣動)的邏輯設置，可提前25 s啟動惰化系統。

3) 磨煤機冷風調節擋板比原來提前1 s開啟至100 %。

5 結束語

以一起350 MW亞臨界燃煤機組磨煤機爆燃事件為例，從磨煤機爆燃機理切入，深入分析了惰化系統防止磨煤機爆燃以及加速爆燃火焰淬熄的機理，并提出惰化系統自動控制邏輯優化方案，提高了惰化系統的可靠性，為保障機組安全、穩定、可靠運行提供了借鑒。