1 000 MW機(jī)組PM型燃燒器燒損的分析與研究

靖 君 ，趙笑天

(廣東大唐國(guó)際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 潮州 515723)

0 引言

某電廠1 000 MW鍋爐為п型布置超超臨界鍋爐，燃燒器為旋流式低氮燃燒器，采用無(wú)分隔墻的八角雙火焰切圓燃燒方式，共設(shè)6層一次風(fēng)口，3層油風(fēng)室，10層輔助風(fēng)室。整個(gè)燃燒器與水冷壁固定連接，并隨水冷壁向下膨脹，燃燒器共48只，布置于前、后墻，形成2個(gè)反向雙切圓，以獲得較為均勻的空氣動(dòng)力場(chǎng)。燃燒器共6層煤粉噴口，每層與1臺(tái)磨煤機(jī)相配，采用低NOX的煤粉燃燒器，每只煤粉噴嘴中間設(shè)有隔板，以增強(qiáng)煤粉射流剛性。在主燃燃燒器上方0.8 m處布置燃盡風(fēng)(over fire air，OFA)噴嘴，在上層煤粉噴嘴上方7.2 m處布置4層分離燃盡風(fēng)(separated OFA，SFOA)噴嘴，其作用是補(bǔ)充燃料后期燃燒所需的空氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒，以達(dá)到降低爐內(nèi)溫度水平、抑制NOX生成的目的。

鍋爐燃燒器采用PM煤粉燃燒技術(shù)，煤粉經(jīng)過(guò)PM煤粉分離器分離后，分成濃、淡2相，分別進(jìn)入濃煤粉燃燒器和淡煤粉燃燒器。在2種煤粉燃燒器煤粉噴嘴體內(nèi)設(shè)置導(dǎo)向板，以分隔PM煤粉分離器后形成的濃相煤粉氣流和淡相煤粉氣流。在燃燒器噴口內(nèi)設(shè)置波形鈍體，該鈍體與噴嘴體內(nèi)導(dǎo)向板一起使?jié)?、淡相煤粉氣流一直保持到燃燒器出口。在出口處針?duì)濃淡煤粉燃燒器配置不同的助燃風(fēng)，使?jié)?、?相煤粉及時(shí)合理地配風(fēng)燃燒，有效地控制了NOX排放量。同時(shí)，在波形鈍體出口處形成一個(gè)穩(wěn)定的回流區(qū)，回流區(qū)中的煙氣使每個(gè)煤粉燃燒器初燃段濃淡2相得到相對(duì)分離，并使火焰穩(wěn)定在一個(gè)較寬的負(fù)荷變化范圍內(nèi)，有利于保證及時(shí)著火及燃燒穩(wěn)定，確保及時(shí)燃盡，能有效抑制NOX排放，保證鍋爐效率。

1 事件經(jīng)過(guò)

2012-01-22T00:38，4號(hào)機(jī)組負(fù)荷400 MW，總煤量220 t/h，D，E，F(xiàn)磨運(yùn)行，A，B，C磨備用，A，B，C，D磨單用塔山煤，E，F(xiàn)磨單用印尼褐煤。

00:39，啟C磨，就地檢查正常，測(cè)粉管溫度約為70 ℃。

00:50，停F磨，C磨維持煤量約65 t/h，入磨風(fēng)量156 t/h，各粉管壓力C1C2:3.6 kPa；C3C4:3.7 kPa；C5C6:3.2 kPa；C7C8:3.1 kPa，屬正常運(yùn)行(4號(hào)爐C磨C3C4和C1C2粉管壓力一直比其他粉管偏高約0.5—0.7 kPa）。

01:20，巡檢發(fā)現(xiàn)C3燃燒器附近著火。

01:25，4號(hào)爐3號(hào)角二次風(fēng)擋板開(kāi)度部分出現(xiàn)壞點(diǎn)(B濃、B淡、BC輔助風(fēng)，C濃、C淡、CD油下輔助風(fēng))。

01:28，AB3和CD3油槍反饋異常，大致判斷為C3燃燒器著火，暖F磨。

01:32，啟F磨。

01:34，停C磨，手動(dòng)OFT切除燃油系統(tǒng)。

01:40，C3燃燒器火撲滅。檢查確認(rèn)C3淡燃燒器噴嘴部分(二次風(fēng)箱內(nèi))燒損。

2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，4號(hào)爐C3燃燒器濃淡分離器(分叉管)后淡粉管有明顯著火痕跡，淡燃燒器粉管與二次風(fēng)箱法蘭連接處斷裂，二次風(fēng)箱內(nèi)燃燒器一次風(fēng)管與噴嘴體連接部分燒損，噴嘴口錐形板完好。初步分析為C3燃燒器粉管內(nèi)煤粉著火，引起燃燒器部分燒損。

圖1 淡燃燒器粉管與二次風(fēng)箱連接法蘭處斷裂

初步估算，當(dāng)時(shí)磨煤機(jī)粉管中的當(dāng)量濃度為0.42 kg/kg(0.55 kg/kg以下屬易燃濃度)，因4號(hào)爐燃燒器為PM型(垂直分離)濃淡分離燃燒器，淡粉管中煤粉濃度會(huì)更低，所以煤粉濃度滿足自燃條件(即煤粉濃度、氧濃度、點(diǎn)燃能)。實(shí)驗(yàn)證明，風(fēng)粉混合物中的氧濃度超過(guò)14 %，著火條件即可以滿足。正?？諝庵械难鯘舛葹?1 %，煤粉密度是空氣密度的千倍以上，所以煤粉管中氧濃度已達(dá)到易燃范圍，而PM型濃淡燃燒器中淡粉管中的氧濃度更高些，所以氧濃度滿足燃燒條件。當(dāng)時(shí)4C磨單燒塔山煤，其干燥無(wú)灰基揮發(fā)分為35.4 %，屬于易著火煙煤，可磨性系數(shù)偏低，但磨煤機(jī)碾磨能力強(qiáng)，且折向擋板開(kāi)度相對(duì)偏小(為確保煤粉細(xì)度，防堵管)，磨內(nèi)循環(huán)煤粉量大，煤粉偏細(xì)(R90約占20 %)，點(diǎn)燃能低，所以煤質(zhì)條件也滿足著火自燃條件。

2.1 燃燒器回火

停運(yùn)燃燒器缺乏冷卻，爐膛燃燒不穩(wěn)，頻繁正壓或者爐膛燃燒偏斜或配風(fēng)失當(dāng)，造成四角切圓鍋爐中心的火球過(guò)大或燃燒貼壁，均會(huì)導(dǎo)致燃燒器噴口處過(guò)熱、變形。查閱4號(hào)爐運(yùn)行參數(shù)曲線，爐膛負(fù)壓正常(約-100 Pa，無(wú)正壓)，二次風(fēng)箱與爐膛差壓正常。另外，4C磨停運(yùn)時(shí)，淡燃燒器的二次風(fēng)擋板保留最小開(kāi)度10 %，周界風(fēng)可對(duì)燃燒器噴嘴進(jìn)行有效冷卻。事故發(fā)生時(shí)，4C磨為下層磨，且A，B磨基本不運(yùn)行，根據(jù)爐內(nèi)燃燒火焰的上旋特性，C層燃燒器處熱負(fù)荷并不高，所以停運(yùn)時(shí)回火的可能性不大。

2.2 二次風(fēng)箱內(nèi)漏粉

若磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，燃燒器內(nèi)的粉管漏粉進(jìn)入二次風(fēng)箱內(nèi)，遇有高溫二次風(fēng)(250—300 ℃)，則存在著火的可能性。但若煤粉在二次風(fēng)箱內(nèi)著火，由于距離爐膛較近，爐膛負(fù)壓會(huì)使燃著的煤粉通過(guò)燃燒器周界風(fēng)(燃料風(fēng))通道，將其吹進(jìn)爐膛；另外，一次風(fēng)管道中冷風(fēng)會(huì)源源不斷地補(bǔ)充，很難在煤粉管道中引起劇烈燃燒，繼而引向爐外粉管。二次風(fēng)箱內(nèi)裝有火檢光纖，會(huì)很快被燒損。檢查此處火檢光纖并無(wú)問(wèn)題，判斷二次風(fēng)箱內(nèi)漏粉導(dǎo)致燃燒的可能性較低。

2.3 積粉自燃

2.3.1 一次風(fēng)速過(guò)低引起積粉

2010年7月，4號(hào)爐D，E磨輸粉管出現(xiàn)堵塞。輸粉管堵塞時(shí)，該粉管對(duì)應(yīng)的燃燒器濃、淡分離器部位溫度異常升高(最高時(shí)接近200 ℃)，同時(shí)該燃燒器輸粉管垂直管道溫度接近環(huán)境溫度(正常時(shí)接近55 ℃)。從以上現(xiàn)象可以判斷，發(fā)生堵塞的輸粉管部位基本為輸粉管水平段與垂直段結(jié)合部位。割開(kāi)堵塞輸粉管，確定堵塞輸粉管部位在輸粉管水平段與垂直段結(jié)合部位。該事例說(shuō)明堵管會(huì)引起一次風(fēng)速下降，進(jìn)而導(dǎo)致積粉自燃。但堵管最顯著的特征是磨煤機(jī)出口粉管壓力上升，而本次磨煤機(jī)出口C2C3燃燒器粉管壓力并未異常上升，因此可以排除因堵管引起的積粉。

從運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，運(yùn)行人員調(diào)整并無(wú)不當(dāng)之處。2012-01-21T16:20，4號(hào)機(jī)組升負(fù)荷，啟C磨，電流為空載電流30 A；啟C給煤機(jī)，不下煤，且C給煤機(jī)跳閘，磨出口溫度快速上升。為避免跳磨，運(yùn)行人員緊急停磨，此時(shí)磨輥并未落下。磨停運(yùn)后，運(yùn)行人員給磨通風(fēng)冷卻至正常溫度。后來(lái)，查明給煤機(jī)不下煤的原因是原煤倉(cāng)中襯板脫落卡在給煤機(jī)皮帶上導(dǎo)致的。查看歷史曲線，2012-01-21T13:28:35，4C磨正常停給煤機(jī)后，磨電流至空載電流30 A。運(yùn)行人員停磨后，一直到13:33:35仍保持C磨通風(fēng)量99.8 t/h以上，完全符合操作規(guī)程中磨停運(yùn)時(shí)的吹掃要求，所以不存在停磨未有效吹掃造成積粉的可能性。

2.3.2 燃燒器噴嘴處結(jié)焦引起積粉

2012-01-22，4號(hào)爐C磨單燒塔山煤，塔山煤灰熔點(diǎn)為1 500 ℃，從PM型直流燃燒器特點(diǎn)(相對(duì)較高的風(fēng)壓、直流射流，很難使焦塊在一次風(fēng)管?chē)娮焯幏e聚)及4號(hào)爐垂直水冷壁特點(diǎn)分析，再根據(jù)摻燒褐煤經(jīng)驗(yàn)，基本不存在結(jié)焦現(xiàn)象。特別是燃燒器周?chē)容^干凈，在持續(xù)摻燒印尼褐煤期間，后墻水冷壁存在一定程度的沾污，但無(wú)掛焦現(xiàn)象。

通過(guò)C3濃燃燒器粉管、C2淡燃燒器粉管入爐膛彎頭處檢查孔觀察，燃燒器噴口無(wú)結(jié)焦、變形。

2.3.3 燃燒器淡粉管存在死角或異物

拆除C3燃燒器淡粉管后，檢查分叉管后的彎頭內(nèi)堆積有大量的陶瓷片，如圖2所示。彎頭未拆除前拍攝其余管路部分，均未發(fā)現(xiàn)異物或死角。

圖2 脫落的陶瓷片

脫落的陶瓷片為安裝在管內(nèi)的防磨片，形狀多為正方形，有的已磨損得較光滑，有的比較粗糙，有的存在煙熏灼燒痕跡，有的兩面均無(wú)熏黑，這說(shuō)明著火前陶瓷片已堆積較多。另外，從著火管道外壁觀察，分叉管后管外油漆剝落痕跡與內(nèi)表面陶瓷片脫落位置一致，這說(shuō)明此處曾受到高溫烤灼。此處陶瓷片的大量堆積，成為淡燃燒器運(yùn)行的一個(gè)重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。造成煤粉沉積的可能原因有以下2點(diǎn)。

(1) 陶瓷片在彎頭處對(duì)管道流體形成局部阻力，淡燃燒器粉管中的一次風(fēng)粉混合物在此離心分離，靠近彎管底部處較濃的煤粉以較高流速順著管壁上升至水平管段內(nèi)，但由于阻力的存在，使彎管后的一次風(fēng)粉流動(dòng)呈湍流狀，易造成煤粉的沉積。

(2) 由于陶瓷片本身存在許多凹凸不平的死角，易造成煤粉沉積。

目前，普遍認(rèn)為積粉易自燃。在磨停運(yùn)時(shí)，由于缺乏足夠的氧氣與煤粉補(bǔ)充，彎管處的煤粉處于高溫狀態(tài)，由熱輻射引發(fā)陰燃，是本次故障中可能的點(diǎn)火源。在啟磨后，隨著新煤粉的不斷聚積，此處煤粉自燃產(chǎn)生的能量足夠滿足風(fēng)粉混合物燃燒的點(diǎn)燃能量，火焰會(huì)隨風(fēng)粉混合物的流動(dòng)向后傳播。由于二次風(fēng)箱內(nèi)的粉管溫度較高，提前著火的煤粉會(huì)在二次風(fēng)箱內(nèi)的一次風(fēng)管內(nèi)劇烈燃燒，最后導(dǎo)致淡燃燒器粉管與二次風(fēng)箱法蘭接合處斷裂。斷裂的一次風(fēng)管中已著火煤粉繼續(xù)向四周?chē)姵?，殃及周?chē)目刂齐娎|、光纜等，這些也可從粉管著火痕跡加以判斷。另外，2號(hào)爐C1，C5燃燒器在單燒塔山煤期間，多次在燃燒器蝸殼(此處一次風(fēng)存在轉(zhuǎn)角，由于密封材料磨損易積粉)處著火，溫度超過(guò)500 ℃，并有燒紅現(xiàn)象，最后被迫停磨，也說(shuō)明積粉自燃的危險(xiǎn)性。

燃燒器粉管中防磨陶瓷片的脫落，易引起多米諾效應(yīng)，誘導(dǎo)更多的陶瓷片脫落。查閱4號(hào)爐C磨運(yùn)行曲線，自2011年11月底至2012年1月初，該磨一直保持連續(xù)運(yùn)行。此后，由于負(fù)荷下降，該磨的啟停次數(shù)有所增多。事故發(fā)生前1天，由于機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)大，4號(hào)爐C磨啟停4次，多次啟停磨操作均按規(guī)程執(zhí)行。但由于粉管中風(fēng)粉混合物在啟停過(guò)程中的流動(dòng)性變差，造成此處積粉劇增，加劇了防磨陶瓷片的脫落。

所以，初步分析此次燃燒器燒損是由于C3燃燒器淡粉管彎管處堆積陶瓷片導(dǎo)致的積粉自燃。

3 整改與解決措施

3.1 設(shè)備改造

加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，對(duì)濃淡燃燒器濃淡煤粉分離器后的淡粉管彎管進(jìn)行檢查，對(duì)有脫落陶瓷片的管壁進(jìn)行修補(bǔ)，避免陶瓷片大面積脫落。調(diào)研陶瓷片耐磨性及耐溫性，必要時(shí)更換為耐磨、耐高溫、不易脫落的材料。

3.2 優(yōu)化熱工監(jiān)控測(cè)點(diǎn)

增加燃燒器壁溫檢測(cè)點(diǎn)，在PM型燃燒器粉管靠近分離器、濃淡粉管水平段增加金屬溫度測(cè)點(diǎn)。

3.3 運(yùn)行措施

運(yùn)行時(shí)，磨煤機(jī)一次風(fēng)粉管溫度由磨出口至燃燒器逐漸降低，至爐前燃燒器水平段溫降可能達(dá)10—15 ℃(隨環(huán)境溫度變化，有所改變)。若此處溫度異常低，可能為煤粉堵管；若此處溫度異常上升，可能為堵管后一次風(fēng)速降低導(dǎo)致的積粉自燃或粉管內(nèi)存在死角導(dǎo)致的積粉自燃(堵管表現(xiàn)為磨煤機(jī)出口粉管壓力上升)。

對(duì)運(yùn)行中磨煤機(jī)出現(xiàn)爐前一次風(fēng)粉管溫度異常上升(接近磨出口溫度)，首先加大磨煤機(jī)通風(fēng)量，判斷是否為堵管。若判斷為堵管，按相關(guān)防止堵管措施執(zhí)行。若無(wú)法判斷為堵管，應(yīng)當(dāng)降低磨出口溫度，并加大風(fēng)量吹掃；若仍無(wú)法恢復(fù)正常溫度(高于正常粉管溫度20 ℃以上，或不正常上升)，應(yīng)及時(shí)停磨并大風(fēng)量吹掃，待溫度恢復(fù)正常后啟磨。對(duì)常發(fā)性溫度異常的粉管，應(yīng)聯(lián)系檢修檢查管內(nèi)是否存在積粉死角（異物或焦塊在管內(nèi)存積）。

運(yùn)行中，若磨煤機(jī)出口粉管(包括爐前一次風(fēng)粉管)各部位出現(xiàn)燒紅或明火，或判斷內(nèi)部有著火跡象(檢測(cè)溫度超過(guò)200 ℃)，應(yīng)立即停止磨煤機(jī)(目前3，4號(hào)爐磨煤機(jī)任一出口門(mén)關(guān)且對(duì)應(yīng)粉管出口壓力低至1 kPa以下時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳磨)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)粉管出口氣動(dòng)插板門(mén)，或隔絕磨煤機(jī)入口冷、熱風(fēng)關(guān)斷門(mén)、磨密封風(fēng)門(mén)、給煤機(jī)密封風(fēng)門(mén)(若給煤機(jī)出口門(mén)無(wú)法正常關(guān)閉)，隔絕空氣滅火。待溫度恢復(fù)正常，則大風(fēng)量吹掃此粉管，并交由檢修人員清理高溫點(diǎn)處可能存在的焦塊或異物。

參考文獻(xiàn)：

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