某超超臨界1000MW機(jī)組鍋爐滿負(fù)荷瞬間滅火原因分析及處理

吳壽貴，李 強(qiáng)，郭學(xué)敏

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.天津國電華北電力技術(shù)工程有限公司，天津 100070；3.蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

隨著碳達(dá)峰碳中和“3060”目標(biāo)的提出以及國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，新能源占比增加對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰靈活性提出更高要求，國家電網(wǎng)對(duì)火力發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰的可靠性和穩(wěn)定性提出更高的挑戰(zhàn)，對(duì)火力發(fā)電機(jī)組非停的考核力度日益加大。而大型火力發(fā)電機(jī)組頻繁深度調(diào)峰導(dǎo)致可靠性及穩(wěn)定性差引發(fā)機(jī)組跳閘已嚴(yán)重威脅電網(wǎng)及系統(tǒng)主要設(shè)備的安全運(yùn)行，尤其在高參數(shù)工況下跳閘，其熱應(yīng)力的存在對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)沖擊極大，同時(shí)給電網(wǎng)帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且增加了設(shè)備壽命期內(nèi)的維護(hù)成本[1-4]，嚴(yán)重影響火力發(fā)電機(jī)組的盈利能力，但部分機(jī)組由于系統(tǒng)及設(shè)備存在設(shè)計(jì)缺陷，機(jī)組不同負(fù)荷下跳閘時(shí)常發(fā)生。

本文針對(duì)某超超臨界1 000 MW 機(jī)組鍋爐滿負(fù)荷瞬間跳閘問題展開分析，并提出了防止再發(fā)生類似故障的解決方案，以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)概況

某電廠1 000 MW 機(jī)組鍋爐為DG3063.81/29.3-Ⅱ1 型、超超臨界參數(shù)、變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、Π 型布置方式。鍋爐設(shè)計(jì)最大連續(xù)出力主要性能參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of the boiler

燃燒系統(tǒng)為正壓直吹式制粉系統(tǒng)，共布置48 只燃燒器，采用前后墻對(duì)沖燃燒方式布置。前墻布置的燃燒器從上往下分別對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)為A、B、C；后墻布置的燃燒器從上往下分別對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)為D、E、F，前墻3 層，后墻3 層。制粉系統(tǒng)配置6 臺(tái)北京電力設(shè)備總廠生產(chǎn)的ZGM133N-Ⅱ型中速磨煤機(jī)，磨煤機(jī)出口每根粉管一分為二。磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)燃燒器布置如圖1所示。鍋爐設(shè)計(jì)煤粉細(xì)度R90=12.03%，煤粉均勻性系數(shù)n=1.1。鍋爐點(diǎn)火方式保留常規(guī)油系統(tǒng)微油點(diǎn)火方式。給煤機(jī)為沈陽華電電站工程有限公司生產(chǎn)的HD-BSC36型稱重式計(jì)量給煤機(jī)，每臺(tái)出力為10～120 t/h。密封風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2臺(tái)100%容量離心式密封風(fēng)機(jī)。風(fēng)煙系統(tǒng)配置一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)各2 臺(tái)，三大風(fēng)機(jī)單臺(tái)容量均為50%，調(diào)節(jié)裝置均為軸流式動(dòng)葉可調(diào)。2 臺(tái)空氣預(yù)熱器為豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的33.5VNT2500 型三分倉空氣預(yù)熱器。

圖1 磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)燃燒器布置Fig.1 Layout of the burners corresponding to the coal mills

除渣系統(tǒng)采用濕式機(jī)械排渣系統(tǒng)，每臺(tái)爐爐底設(shè)有渣井、水密封裝置和刮板撈渣機(jī)。另外，每臺(tái)鍋爐設(shè)1 個(gè)直徑8 m、有效容積260 m3的鋼渣倉。

2 機(jī)組跳閘過程

鍋爐于1月9日23:00 點(diǎn)火，1月11日11:46機(jī)組首次滿負(fù)荷1 000 MW 運(yùn)行。滿負(fù)荷時(shí)主蒸汽溫度590 ℃，再熱蒸汽溫度596 ℃，燃料量為378 t/h，氧量（體積分?jǐn)?shù)，下同）2.2%，總風(fēng)量3 211 t/h，給水量2 784 t/h。1月11日13:34，鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行102 min 后，煤質(zhì)發(fā)生變化，在機(jī)組負(fù)荷不變的情況下，總煤量由378 t/h 降至341 t/h，下降37 t/h。當(dāng)煤量降至360 t/h 時(shí)，撈渣機(jī)密封水的水位出現(xiàn)40～50 mm 小幅波動(dòng)。15:17:32 機(jī)組負(fù)荷達(dá)1 007 MW，運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，機(jī)組跳閘前，鍋爐負(fù)壓–28 Pa，總煤量348 t/h，總風(fēng)量2 938 t/h，鍋爐燃燒氧量3.8%。15:17:40 C 層燃燒器和F 層燃燒器煤火檢開始出現(xiàn)異常。15:18:04 火檢消失數(shù)量達(dá)到臨界火焰保護(hù)動(dòng)作條件，臨界火焰保護(hù)觸發(fā)，鍋爐MFT 動(dòng)作，汽輪機(jī)跳閘、發(fā)電機(jī)跳閘。機(jī)組跳閘過程如 圖2所示，C、F 磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)燃燒器的火檢消失順序如圖3所示，B、D、E 磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)燃燒器的火檢消失順序如圖4所示。

圖2 機(jī)組跳閘過程主要參數(shù)趨勢(shì)Fig.2 Change trends of the main parameters during the unit tripping process

圖3 C 層、F 層燃燒器火檢信號(hào)消失順序Fig.3 The disappearing sequence of fire detection signal of burners in C layer and F layer

圖4 B 層、D 層、E 層燃燒器火檢消失順序Fig.4 The disappearing sequence of fire detection signal of burners in B,D and E layer

13:24 保護(hù)動(dòng)作前，煤質(zhì)已發(fā)生變化，負(fù)荷不變情況下，總煤量由378 t/h 下降至341 t/h，當(dāng)下降到360 t/h 時(shí)，撈渣液位有小幅變化。14:47 在工況不變的情況下，至機(jī)組跳閘時(shí)，A/B 引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉由62%/62%開到67%/67%，A/B 送風(fēng)機(jī)由46%/36%關(guān)到40%/33%。保護(hù)動(dòng)作后，從滅火順序看，先滅C層和F 層，再滅B 層、E 層，最后滅A、D 層。自下而上，從C 層火檢異常開始至鍋爐滅火保護(hù)動(dòng)作僅23 s 時(shí)間，動(dòng)作時(shí)間極短。同時(shí)，在集控室濕式撈渣機(jī)監(jiān)控?cái)z像發(fā)現(xiàn)大量蒸汽外泄。

3 原因分析

3.1 直接原因

采用酸堿比值和硅鋁比值分別計(jì)算鍋爐燃用煤質(zhì)結(jié)渣特性，酸堿比值計(jì)算結(jié)渣指數(shù)為0.126 704；硅鋁比值計(jì)算結(jié)渣指數(shù)為3.886 372。2 種計(jì)算結(jié)果顯示，燃用煤種屬于易結(jié)渣煤質(zhì)[5]。在鍋爐正常運(yùn)行過程中，爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)，有大渣塊頻繁掉落，而在大負(fù)荷時(shí)，具有一定體積的渣塊溫度一般均在900 ℃以上[6-7]，尤其在短時(shí)間內(nèi)大量渣塊掉落會(huì)引起撈渣機(jī)的密封水蒸發(fā)，產(chǎn)生大量蒸汽[8-12]。在鍋爐保護(hù)動(dòng)作時(shí)，撈渣機(jī)的液位較低，DCS 顯示液位為49 mm，但實(shí)際水位為–166.5 mm。當(dāng)水位低于–160 mm 時(shí)爐膛處于臨界密封狀態(tài)，當(dāng)大渣塊掉入時(shí)，液位大幅波動(dòng)破壞了爐底水封，這樣大渣塊掉落產(chǎn)生的蒸汽快速上移，導(dǎo)致燃燒器從下至上逐漸滅火，燃燒器滅火達(dá)到臨界火焰保護(hù)動(dòng)作條件，同時(shí)爐膛負(fù)壓超過保護(hù)動(dòng)作值，導(dǎo)致鍋爐滅火[13-14]。

鍋爐跳閘后，檢查發(fā)現(xiàn)燃燒器口存在掛焦現(xiàn)象，且存在大焦塊掉落的痕跡，同時(shí)，撈渣機(jī)的頭部發(fā)現(xiàn)有大塊焦被刮出，結(jié)合撈渣機(jī)周圍大量蒸汽外泄等現(xiàn)象，說明掉渣滅火是直接原因。

3.2 間接原因

從DCS 觀察撈渣機(jī)補(bǔ)水的歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，09:53:01 補(bǔ)水，水位由190 mm 升至251 mm；10:44:16 補(bǔ)水，水位由191 mm 升至280 mm；12:40補(bǔ)水，水位由82 mm 升到183 mm；之后未再發(fā)補(bǔ)水指令。從12:40 最后一次補(bǔ)水完成至15:10 引風(fēng)機(jī)出力異常，停止補(bǔ)水的總時(shí)長為150 min。按照DCS 撈渣機(jī)液位歷史數(shù)據(jù)2.33 mm/min 的下降速率計(jì)算，撈渣機(jī)水封破壞時(shí)，液位下降總高度為349.5 mm，液位下降的總高度減去最后一次的補(bǔ)水高度，忽略撈渣機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)渣船水容積的影響，實(shí)際液位為–166.5 mm。根據(jù)撈渣機(jī)安裝標(biāo)高以及鍋爐滿負(fù)荷時(shí)就地實(shí)測(cè)關(guān)斷擋板的沉降量擬合計(jì)算，撈渣機(jī)的液位在–160 mm 時(shí)鍋爐水封已被破壞。機(jī)組跳閘后就地檢查發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)水液位開關(guān)被煤泥掩埋導(dǎo)致補(bǔ)水失效，從而造成水封破壞。

撈渣機(jī)液位測(cè)量原理如圖5所示。H為高水位，N為正常水位，L為低水位，當(dāng)撈渣機(jī)的液位達(dá)到最低水位線c時(shí)，系統(tǒng)邏輯會(huì)自動(dòng)發(fā)開閥補(bǔ)水指令，但補(bǔ)水信號(hào)采用的是開關(guān)量信號(hào)，由于開關(guān)量信號(hào)被煤泥掩埋，邏輯判斷認(rèn)為渣船里水位正常，導(dǎo)致控制系統(tǒng)在12:40 補(bǔ)水后不再發(fā)補(bǔ)水指令，從而造成撈渣機(jī)缺水后水封被破壞?？梢?，撈渣機(jī)的液位測(cè)量裝置設(shè)計(jì)不合理，未考慮到密封水灰渣及煤粉濃度增加對(duì)液位測(cè)量裝置的影響。

另外，鍋爐一直長時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行，鍋爐爐膛吹灰器無法及時(shí)投運(yùn)；加之在帶高負(fù)荷過程中，由于燃用煤種復(fù)雜，沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒器掛焦，使燃燒器結(jié)焦加重。除此之外，爐渣未成型及二次風(fēng)剛度差造成密封水灰渣及煤粉濃度高，也是造成此次滅火的原因之一。

在升負(fù)荷過程中，由于磨煤機(jī)振動(dòng)大，磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速最高控制在65 r/min 運(yùn)行，導(dǎo)致煤粉細(xì)度達(dá)不到R90=12%設(shè)計(jì)值，實(shí)際煤粉細(xì)度為R90為18%～19%，造成飛灰含碳量和爐渣含碳量偏高，當(dāng)磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速為60 r/min 時(shí)，除塵器入口飛灰含碳量為6.98%，爐渣含碳量為7.0%。由于爐渣含碳量偏高，爐渣沒有成型固化；同時(shí)，為了降低NOx的含量，高低位燃盡風(fēng)開度相對(duì)較大，導(dǎo)致二次風(fēng)箱壓力與爐膛壓力的差壓僅為0.35 kPa，差壓低對(duì)最下層燃燒器的托底效果差，在旋流燃燒器離心力的作用下，部分未燃盡煤粉直接落入撈渣機(jī)，導(dǎo)致水封的灰渣及煤粉顆粒的含量增加，使水位變送器測(cè)量位置積渣，導(dǎo)致測(cè)量失真，影響及時(shí)補(bǔ)水，最終造成爐底水封破壞。

4 防范措施

4.1 液位測(cè)量裝置改進(jìn)

為了解決撈渣機(jī)補(bǔ)水開關(guān)量一次元件測(cè)量桶的設(shè)計(jì)缺陷，將原測(cè)量桶的平底設(shè)計(jì)改為倒錐形，并在錐斗底增加1 根引流管，將沉積的灰渣及煤粉顆粒引流至撈渣機(jī)底部，避免測(cè)量桶底部積渣造成液位測(cè)量失真，降低液位測(cè)量元件被掩埋的風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性。撈渣機(jī)液位測(cè)量緩沖罐改造前、后對(duì)比如圖5所示。

圖5 撈渣機(jī)液位測(cè)量緩沖灌改造前、后對(duì)比Fig.5 The liquid level measuring buffer tank of the slag machine before and after the improvement

4.2 補(bǔ)水閥邏輯優(yōu)化

在實(shí)際測(cè)量過程中，結(jié)合模擬量的趨勢(shì)和數(shù)字量的變化來判斷，可避免系統(tǒng)因儀表故障或檢修而造成誤動(dòng)作[15-17]?？紤]到單信號(hào)作用的可靠性差，將原邏輯僅用開關(guān)量信號(hào)作為補(bǔ)水閥的開指令改為：水位測(cè)量開關(guān)量低信號(hào)觸發(fā)或模擬量的水位信號(hào)低于0.25 m（正常0～0.45 m）且鍋爐已點(diǎn)火運(yùn)行時(shí)則發(fā)出緊急補(bǔ)水指令。修改后的補(bǔ)水閥邏輯如圖6所示。

圖6 撈渣機(jī)最終補(bǔ)水邏輯優(yōu)化Fig.6 The optimization diagram of final water supplement logic of the slag machine

4.3 鍋爐燃燒調(diào)整

在機(jī)組負(fù)荷750 MW 工況下，通過磨煤機(jī)煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)，分別在磨煤機(jī)出力不變，磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速分別為60、75 r/min 下進(jìn)行煤粉細(xì)度以及飛灰含碳量和爐渣的含碳量調(diào)整。當(dāng)分離器轉(zhuǎn)速為60 r/min 時(shí)，除塵器入口飛灰含碳量為6.98%。爐渣含碳量為7.00%；當(dāng)分離器轉(zhuǎn)速為70 r/min 時(shí)，除塵器入口飛灰含碳量為4.25%，爐渣含碳量為1.02%，有效改善了爐渣的形態(tài)，使封水中灰渣及煤粉的顆粒濃度降低。

同時(shí)，在機(jī)組750 MW 負(fù)荷不變，磨煤機(jī)運(yùn)行方式和磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速不變的工況下，將中層和上層燃燒器對(duì)應(yīng)二次風(fēng)門由78%關(guān)至68%，最下層燃燒器對(duì)應(yīng)二次風(fēng)門由70%開至90%，將下層燃盡風(fēng)和上層燃盡風(fēng)開度關(guān)小，保證二次風(fēng)箱的風(fēng)壓同時(shí)兼顧NOx的量。調(diào)整后電除塵入口飛灰含碳量為4.10%，爐渣含碳量為0.96%。

通過上述燃燒調(diào)整，鍋爐飛灰含碳量有明顯的下降，在撈渣機(jī)的頭部觀察渣的形態(tài)已由原來的粥狀變成顆粒狀，顏色也由原先的黑色變?yōu)榛疑?，有效降低了撈渣機(jī)密封水的灰渣顆粒濃度，改善了液位計(jì)的測(cè)量環(huán)境。

4.4 加強(qiáng)吹灰

鍋爐長時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行后，折焰角及水冷壁會(huì)積聚大量灰渣，當(dāng)鍋爐負(fù)荷達(dá)到吹灰條件時(shí)，強(qiáng)化吹灰，避免長時(shí)間不吹灰而造成掉焦塌灰滅火[18]。

5 處理效果

針對(duì)某1 000 MW 機(jī)組鍋爐滿負(fù)荷瞬間滅火問題，通過采取液位測(cè)量桶改進(jìn)，補(bǔ)水閥控制邏輯優(yōu)化，以及調(diào)整磨煤機(jī)煤粉細(xì)度、增加燃燒器底層二次風(fēng)剛度等燃燒調(diào)整措施后，2 號(hào)機(jī)組經(jīng)過多次啟動(dòng)帶負(fù)荷過程中，水封能滿足機(jī)組長周期安全運(yùn)行要求，保證了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)、安全和穩(wěn)定運(yùn)行。