引進型煤粉鍋爐爐膛防內爆設計壓力研究

湯曉舒，彭紅文，談琪英

(北京國電華北電力工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

近年來，越來越多的新建機組同步建設脫硝、脫硫裝置，部分機組為達到粉塵排放要求，采用了布袋除塵器或電袋除塵器，這些措施使得鍋爐煙氣系統(tǒng)配置的變化增加，導致煙道阻力增加，引風機壓頭越來越高。鍋爐爐膛防內爆設計壓力(即爐膛設計瞬態(tài)負壓)的選擇與引風機的壓頭有一定關系，目前國內外的相關規(guī)程規(guī)定存在著一定的矛盾，近年來隨著煙氣系統(tǒng)總阻力的增加，各工程在鍋爐爐膛設計瞬態(tài)壓力的選取上不盡統(tǒng)一，且有不斷升高的趨勢。因此，研究爐膛承壓能力取值，對規(guī)范設計、合理控制工程造價有著重要的意義。

根據(jù)目前鍋爐機組的應用情況，本文對引進型煤粉爐的鍋爐爐膛防內爆設計壓力進行研究。

1 鍋爐爐膛防內爆壓力選取現(xiàn)狀分析

國內現(xiàn)行的鍋爐爐膛防內爆壓力選取的相關規(guī)程有：DL/T5121—2000《火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程》（以下簡稱《煙規(guī)》）[1]和DL/T435—2004《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程》（以下簡稱《爐膛防爆規(guī)程》）[2]。

上述規(guī)程均參考了美國NFPA8502《多燃燒器鍋爐爐膛防外爆/內爆標準》。目前最新版本為NFPA85 2007 Edition《Boilerand Combustion Systems》[3](NFPA85《鍋爐和燃燒系統(tǒng)》2007年版)，以下簡稱NFPA85-2007。

1.1 國內現(xiàn)行技術規(guī)程的規(guī)定

（1）按《煙規(guī)》9.5.7條說明，引進型鍋爐爐膛防爆設計壓力按NFPA8502《多燃燒器鍋爐爐膛防外爆/內爆規(guī)程》規(guī)定應滿足下列要求：a）瞬態(tài)負壓按環(huán)境溫度下吸風機試驗臺風壓確定，但不必要求低于-8.7 kPa（通常取-8.7 kPa）。b）當鍋爐尾部采用的煙氣凈化設備阻力較大，環(huán)境溫度下吸風機試驗臺的風壓低于-8.7 kPa時（如-10 kPa），必須考慮增大的設計負壓。

（2）按《爐膛防爆規(guī)程》3.2.1條爐膛結構設計說明：a）爐膛結構應能承受非正常情況所出現(xiàn)的瞬態(tài)壓力。在此壓力下，爐膛不應由于任何支撐部件發(fā)生彎曲或屈服而導致永久變形。b）爐膛設計瞬態(tài)壓力不應低于±8.7 kPa，有關說明見附錄B。c）無論由于什么原因使引風機選型點的能力超過-8.7 kPa時，爐膛設計瞬態(tài)負壓都應考慮予以增加。

1.2 NFPA85-2007的規(guī)定

NFPA85-2007關于爐膛設計瞬態(tài)負壓取值的規(guī)定如下：

當爐膛壓力控制系統(tǒng)依照6.5.2時，爐膛設計瞬態(tài)負壓取值為-8.7 kPa，不必要求高于此值。當環(huán)境溫度下引風機TB點能力低于-8.7 kPa，如-6.72 kPa，爐膛設計瞬態(tài)負壓可按環(huán)境溫度下引風機TB點能力選取，不必高于此值。

其附錄中對此給予了說明：由于空預器下游風壓損失較大或其他原因（如風機試驗臺裕度過大）而導致引風機壓頭增加，當引風機試驗臺能力高于-8.7 kPa較多時，應考慮增加設計負壓。例如，環(huán)境溫度下引風機TB點能力為-3.7 kPa，最小的設計瞬態(tài)負壓為-3.7 kPa；環(huán)境溫度下引風機TB點能力為-9.9 kPa，最小的設計瞬態(tài)負壓為-8.7 kPa。

1.3 鍋爐爐膛防內爆壓力選取現(xiàn)狀

鍋爐爐膛防內爆壓力（爐膛設計瞬態(tài)負壓）的選擇與引風機的壓頭有一定關系，由于脫硫裝置、脫硝裝置、布袋或電袋除塵器的設置，使得鍋爐煙道阻力有所增加，當同時采取上述措施時，引風機壓頭大幅提高，造成引風機環(huán)境溫度下的TB點壓頭高于或遠高于8.7 kPa。

隨著煙氣系統(tǒng)配置的多樣化以及對國內外標準的不同解讀，目前工程中對爐膛防內爆壓力的選取不盡統(tǒng)一。一些工程將爐膛設計瞬態(tài)壓力提高至±9.8 kPa或±9.9 kPa、±9.98 kPa，甚至更高，但也有部分工程仍采用±8.7 kPa。

爐膛設計瞬態(tài)壓力的提高，一方面提高了鍋爐設備的造價，另一方面也受爐膛結構設計的限制。對于大容量高參數(shù)機組，爐膛截面較大而水冷壁管徑較細時，帶來的問題會更加嚴竣。在設計配合中，各鍋爐廠均表示對于大機組爐膛設計瞬態(tài)壓力±9.98 kPa已基本上達到爐膛結構設計的極限，且國外鍋爐在增加脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)后，爐膛設計瞬態(tài)壓力并沒有增加。

參數(shù)越高的鍋爐，提高爐膛設計壓力在結構上實現(xiàn)的難度越大。對于超超臨界鍋爐的剛性梁間距更小，如防爆壓力再增加，爐膛結構將難以實現(xiàn)。

綜上所述，對爐膛設計瞬態(tài)壓力應進行深入的分析，合理選取，不宜一味增加爐膛設計瞬態(tài)壓力的取值。

2 鍋爐爐膛內爆分析

爐膛內爆是由于煙氣側壓力過低而造成的。當送、引風機運行不正常導致爐膛處于過高的引風壓頭下，或者由于燃料輸入量迅速減小，或總燃料跳閘（MFT）導致煙氣溫度和壓力急劇降低（會引起使爐膛負壓（絕對值）大幅增加），以及這2種惡劣工況的組合會極易導致爐膛內爆。

在NFPA85-2007標準中，按引風機在環(huán)境溫度下的試驗臺（TB點）能力作為爐膛內爆時的瞬態(tài)承壓能力，為不使鍋爐造價過高，將承壓能力限制在-8.7 kPa的范圍內。

目前，我們遇到的問題是引風機在環(huán)境溫度下的試驗臺（TB點）能力超過了8.7 kPa，根據(jù)可能發(fā)生內爆的情況來看，引風機的影響在于如果全部的送風機調節(jié)擋板或風門關閉，而引風機又在調節(jié)擋板或風門開啟的情況下運行，此時煙道所產(chǎn)生的阻力很小，使爐膛承受的壓力幾乎是引風機所產(chǎn)生的壓頭。由于在環(huán)境溫度下，引風機的壓頭高于在運行溫度下所產(chǎn)生的壓頭，因此冷態(tài)啟動時，如發(fā)生上述的問題，就會出現(xiàn)爐膛內爆。

因此，對于高壓頭引風機一個值得討論的關鍵問題是，是否需要考慮煙道通路的關閉。

3 爐膛壓力控制策略分析

NFPA85-2007標準[3]中不僅強調足夠的結構強度，還強調正確的操作和維修順序、燃燒和送風控制設備和安全連鎖、報警、跳閘對鍋爐安全運行必不可少的其他控制設備的重要性。

文獻[2]和文獻[4]的爐膛壓力控制策略均與NFPA85-2007的要求一致，制定了防止爐膛內爆的保護，包括相關連鎖動作和操作順序的要求。

3.1 防內爆保護系統(tǒng)

爐膛壓力控制系統(tǒng)（內爆保護）的系統(tǒng)要求見圖1。

圖1中：（A）爐膛壓力控制子系統(tǒng)需控制風壓調節(jié)設備的位置，以保持爐膛壓力在要求的定值點上；（B）、（C）壓力變送器及監(jiān)控系統(tǒng)使機組在爐膛壓力測量有故障的情況下安全運行；（D）前饋指令信號代表鍋爐需要風量的指令信號，盡量減小爐膛壓力調節(jié)的波動；（F）自動/手動切換站后，總燃料跳閘信號，觸動前饋動作（G），盡量減小壓力波動；（E）爐膛負壓偏差大時，控制系統(tǒng)實現(xiàn)風機超馳動作或直接閉鎖，即引風機的控制裝置向減少偏差的方向返回或對所有能引起爐膛負壓偏差增大的相關終端控制元件進行方向閉鎖，禁止其向可能會增加偏差的方向移動；（H）負壓調節(jié)控制部件，指爐膛壓力控制執(zhí)行元件，如風機入口擋板的調節(jié)裝置、風機轉速的調節(jié)裝置、軸流風機葉片節(jié)距的調節(jié)裝置等。

另外，使用軸流風機時，須避免風機在喘振狀態(tài)下運行，以避免空氣或煙氣不可控的變化。

3.2 風機啟停順序控制的要求

風機啟停順序控制要求在所有運行工況下，確保從送風機入口到煙道有1個通暢的氣流通道。最小空氣通道斷截面須不小于風機運行時吹掃空氣流量需求的面積。例如：（1）在引風機啟動前，從送風機入口一直到引風機入口的整個通道內，所有風量調節(jié)擋板及關斷擋板均應開啟，還須打開足夠的隔離擋板、風箱擋板、調節(jié)器以及其他控制擋板，以確保氣流通道暢通。（2）當配有多臺送、引風機時，停運風機的所有流量控制裝置和關斷擋板均應打開，直到第1臺引、送風機投入運行來維持爐膛壓力以及有通暢的流量通道后，才可關閉停運的送、引風機的控制裝置和關斷擋板。（3）啟動時，先啟動引風機，后啟動送風機。停運風機的操作順序與啟動操作順序相反。（4）啟、停風機時所用的方法以及有關控制設備的操作都應盡量減少爐膛壓力和風量的波動。一旦情況允許，應盡快投入爐膛壓力控制系統(tǒng)，使爐膛負壓保持在自動控制下。（5）無論是什么原因，在停最后1臺送風機或引風機時，其調節(jié)擋板應在風機停后經(jīng)過一段時間的延遲再開啟，或調節(jié)板的開度能受到控制，以避免由于風機惰走使爐膛風壓出現(xiàn)大的波動。

爐膛控制策略還應包括設置必要的報警和連鎖保護，例如，應設置爐膛壓力高連鎖保護、爐膛壓力低連鎖保護、送引風機事故跳閘連鎖保護、方向閉鎖或風機控制裝置超馳動作報警、爐膛壓力變送器故障報警等。

3.3 鍋爐廠推薦的爐膛壓力保護定值

根據(jù)NFPA85-2007，爐膛壓力控制系統(tǒng)(內爆保護)必須控制爐膛壓力在要求的定值點上。文獻[3]和文獻[4]等均與NFPA85要求一致。

因此，各鍋爐廠都據(jù)此制定了爐膛壓力的報警、保護定值。以下對國內四大鍋爐廠的爐膛保護定值數(shù)據(jù)進行了收集和整理，詳見表1。

由表1可知，由于引進技術不同、爐型不同、鍋爐結構不同，爐膛壓力保護條件也有所不同，但均設有報警值和主燃料跳閘（MFT）值，部分工程設有風機跳閘值和延時動作值。

表1 部分工程鍋爐爐膛保護定值匯總表Tab.1 Boiler furnace protection setting summary

爐膛壓力正常運行的高、低限值都比較小，當爐膛負壓超過了正常運行的高、低限值而達到高Ⅰ值、低Ⅰ值時，首先報警，提示運行人員注意并及時進行運行調整；當爐膛負壓繼續(xù)變化達到高Ⅱ值、低Ⅱ值時，MFT動作；一些工程當爐膛負壓繼續(xù)變化達到高Ⅲ值、低Ⅲ值時，跳閘送風機和引風機。

三菱公司的爐膛壓力MFT保護定值顯著高于其他公司的定值，哈鍋解釋爐膛壓力控制的原則時說明三菱公司的鍋爐在其控制邏輯中可以將爐膛壓力控制在一個有限的范圍內，當鍋爐壓力變化趨勢將要超出限制范圍時，控制邏輯會調整送、引風機的調節(jié)葉片（方向閉鎖），控制爐膛壓力在限定的范圍內。在1991年版NFPA第5章爐膛內爆保護5-4.2.2節(jié)中論證了當爐膛內壓達到一定值后，風機解列。在2002年版后的NFPA中，關于爐膛內爆保護的章節(jié)中，無風機解列的論證。因此三井巴布科克公司的爐膛保護方式是按1991年版NFPA標準，而三菱公司的爐膛壓力保護方式是按2002年版NFPA標準。

雖然保護定值有所不同，但引發(fā)MFT動作解列鍋爐以及解列風機的爐膛正、負壓值，一般均低于爐膛設計壓力，更低于爐膛防爆壓力，因此，可以作為有效保護鍋爐爐膛的手段之一。

3.4 爐膛壓力控制策略分析

從上述爐膛壓力控制策略中可以看出，保證從送風機入口至煙囪的通風通道暢通是爐膛壓力控制策略的重要內容之一，當爐膛壓力控制系統(tǒng)符合NFPA爐膛防內爆的有關規(guī)定，風機啟動、運行、停機的各工況下均應保持煙風道的通暢，不得關閉。

NFPA85-2007標準指出，沒有一個標準可以保證消除爐膛內爆，其標準提供了設備加固和操作步驟、控制系統(tǒng)以及聯(lián)鎖系統(tǒng)的限制和可靠性間的一種平衡，以使導致爐膛內爆的條件發(fā)生的概率最小。如果引風機壓頭增加太大，應當對引風機的特性做特殊考慮，或特殊煙道設計、或特殊儀表或控制系統(tǒng)，而非單方面一味地靠增加設備強度來解決。

《鍋爐爐膛防爆規(guī)程》[2]中對爐膛設計瞬態(tài)承壓能力，即防爆壓力進行了說明，其中提到將此壓力定為±8.7 kPa，雖然比以往國產(chǎn)鍋爐爐膛設計壓力提高了2～3 kPa，但在承受內爆方面也只能承受總燃料跳閘后爐膛內所出現(xiàn)的負壓，而不能承受引風機在環(huán)境溫度下選型點的壓力超過-8.7 kPa（絕對值），同時冷態(tài)啟動又發(fā)生誤操作或在爐膛全部滅火時發(fā)生誤操作所出現(xiàn)的嚴重內爆。因此，防止爐膛內爆的安全保護系統(tǒng)是不可缺少的。同時運行人員也應十分清楚可能發(fā)生內爆的各種原因，熟悉鍋爐的特點以及所采用的安全保護系統(tǒng)的功能，即使如此，仍有可能出現(xiàn)意外，因此，運行人員只能充分利用已有的安全保護系統(tǒng)，而不能完全依賴它。運行人員仍應隨時注意運行狀況的各種變化，一旦出現(xiàn)危險狀況，應及時主動處理。

防止爐膛爆炸的要求涉及到火力發(fā)電廠工程的設計、設備的選型和制造，以及安裝和運行各個環(huán)節(jié)。要求各有關部門緊密配合，按規(guī)程的要求，對設備做出正確的選擇，特別是業(yè)主單位應及早參與有關建設的全過程，掌握和熟悉各設備的配置情況和性能，配備能勝任設備的運行與維護工作的人員，并編制出相應的運行及維護規(guī)程。

當采用完善的控制系統(tǒng)時，煙道系統(tǒng)設計壓力可不考慮煙風道通路關閉的情況，但應重視設計保護措施的嚴謹性、可用性，嚴格按規(guī)程要求設置可靠的爐膛壓力保護系統(tǒng)并嚴禁隨意解除，保護系統(tǒng)在鍋爐啟動前應投入運行，防止鍋爐調試、運行期間誤操作引發(fā)爐膛內爆事故的發(fā)生。

4 風機形式對鍋爐爐膛防爆的影響

近年來，國內大型機組引風機大多采用軸流風機，也有部分機組采用離心風機。圖2為離心風機與軸流風機的性能特性曲線示例，從風機特性曲線可以看出，在流量為0時離心風機壓頭較高，軸流風機相對低一些。

就系統(tǒng)阻力特性而言，當介質流量越大時，爐膛承受的壓力相對于引風機入口的吸力衰減越多，流量較小時，爐膛承受的壓力與引風機入口吸力越接近；從特性曲線對比可以看出，軸流風機即使在風機葉片開度較大而煙氣通道出現(xiàn)問題時，其失速曲線決定了小流量時壓頭降低，而離心風機則會在小流量下壓頭較高。因此，就防止爐膛內爆的角度而言，采用軸流風機較為有利。

5 鍋爐爐膛設計瞬態(tài)負壓選取

綜上所述，對于鍋爐，尤其是超臨界、超超臨界的大型鍋爐，不能單純提高鍋爐爐膛瞬態(tài)壓力承受值，而要綜合考慮鍋爐安全、結構合理性、工程造價等因素，依靠完善保護控制措施，保證鍋爐安全。

從NFPA標準看，引進型鍋爐爐膛設計瞬態(tài)負壓與標準值-8.7 kPa（-35"水柱）和引風機在環(huán)境溫度下的選型點（TB點）能力有關，當鍋爐按防爆要求設置控制保護系統(tǒng)時，最小的設計瞬態(tài)負壓允許值為兩者的較小值，即鍋爐爐膛設計瞬態(tài)負壓標準值為-8.7 kPa，最小允許值為：（1）若引風機在環(huán)境溫度下的TB點能力低于-8.7 kPa（絕對值），例如為-6.72 kPa時，則爐膛最小設計瞬態(tài)負壓為引風機TB點能力（-6.72 kPa）。（2）若引風機在環(huán)境溫度下的TB點能力高于-8.7 kPa（絕對值），例如為-9.9 kPa時，則爐膛最小設計瞬態(tài)負壓仍可取為-8.7 kPa。

如引風機在環(huán)境溫度下的TB點能力顯著高于-8.7 kPa（絕對值）時，也可與鍋爐廠協(xié)商確定爐膛設計瞬態(tài)負壓取值。

對鍋爐爐膛保護措施而言，根據(jù)鍋爐防爆要求，爐膛壓力達到一定值時，設爐膛負壓力報警、停爐（MFT）保護。由于2002年前、后版的NFPA標準中，在爐膛內爆保護的章節(jié)中，關于是否設風機解列的條款有一些調整，因此，目前鍋爐廠在爐膛壓力保護中對是否設解列風機的措施并不統(tǒng)一。對于引風機在環(huán)境溫度下的TB點能力高于-8.7 kPa時，建議設爐膛壓力報警、停爐、解列風機3段保護，充分考慮鍋爐爐膛壓力保護措施。

對于解列風機的保護，需與鍋爐廠充分協(xié)商，合理設置壓力定值，并要求壓力取樣、檢測、輸出通道和接線均可靠，減少誤動和拒動的可能，保證保護動作的可靠性。例如，可以要求鍋爐廠在鍋爐本體設置3個單獨的取樣孔，并裝設單獨的爐膛負壓檢測儀表（三重冗余），信號送入FSS控制系統(tǒng)（控制器），用于觸發(fā)解列引風機的保護，并通過三重冗余的輸出通道，直接硬接線至引風機跳閘回路。

總之，當引風機選型點的能力超過-8.7 kPa（絕對值）時，單純提高鍋爐防爆壓力不盡合理，應該合理選擇引風機形式，采用相適應的爐膛壓力控制系統(tǒng)，最終選取合理的防爆設計壓力。

[1]DL/T 5121—2000火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程[S].

[2]DL/T 435—2004電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程[S].

[3]NFPA85—2007 Edition Boiler and Combustion Systems[S].

[4]DL/T 1091—2008火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)程[S].

[5]NFPA 8502—1995多燃燒器鍋爐爐膛防外爆/內爆標準[S].電力工業(yè)部熱工自動化標準化技術委員會.

[6]楊詩成，王喜魁.泵與風機[M].3版.北京：中國電力出版社，2007.

[7]DL 831—2002大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則[S].

[8]NDGJ 116—1993火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)設計技術規(guī)定[S].

[9]陳模嘉，楊永德.調試階段預防鍋爐受熱面爆漏的對策[J].電力建設，2007，28（7）：24-27.

[10]陳彥其，劉云.華能玉環(huán)電廠1000 MW機組鍋爐爆管預防分析[J].電力建設，2007，28（8）：38-41.