某410 t/h 電站鍋爐爐膛爆燃原因分析與修復(fù)方法

周 孟， 劉方國， 翟春曉， 李 剛， 姚新寬， 楊 軻， 王冰姿

（淄博市特種設(shè)備檢驗研究院， 山東 淄博 255086）

某大型石化企業(yè)自備電廠1 臺型號為NG-410/9.8-M 的電站鍋爐在啟動點火過程中發(fā)生爆燃事故，造成爐膛膜式水冷壁、水平繞帶式剛性梁等發(fā)生嚴重變形。該鍋爐為單汽包、無中間再熱裝置、自然循環(huán)、帶雙高溫絕熱旋風(fēng)分離器的高溫、高壓循環(huán)流化床鍋爐，爐膛為單爐膛、膜式水冷壁結(jié)構(gòu)形式，水冷壁管材質(zhì)20G，規(guī)格?60 mm×5 mm。 爐膛寬13 400 mm、深7 340 mm、頂部標高39 000 mm，鋼 架 為M 型 露 天 布 置［1-2］。 鍋 爐 正 式啟用約3 a， 運行約12 000 h。 文中分析了鍋爐爆燃原因，并對爐膛水冷壁修復(fù)情況進行介紹。

1 鍋爐爆燃過程

鍋爐啟動點火前， 操作人員依次啟動一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、高流風(fēng)機和A 引風(fēng)機，并完成各風(fēng)機順控聯(lián)鎖保護試驗以及鍋爐總?cè)剂咸l保護（MFT）聯(lián)合動作試驗，試驗合格后重新依次啟動上述各臺風(fēng)機。 調(diào)節(jié)一次風(fēng)量為96 000 m3/h（達到流化所需最低風(fēng)量），二次風(fēng)壓約4 kPa，爐膛壓力-0.2 kPa，鍋爐水位到達正常水位，具備鍋爐點火條件。 鍋爐點火流程見圖1。

圖1 鍋爐點火流程圖

鍋爐點火時， ①自動順控啟動1#點火燃燒器，但順控啟動不成功，退出燃燒器后改為手動操作，1#點火燃燒器油槍點火，未檢測到火焰，1#點火燃燒器遂立即停止點火。 ②順控啟動4#點火燃燒器，也不成功，改為手動操作，4#點火燃燒器成功點燃，但燃燒產(chǎn)生的火焰很不穩(wěn)定，調(diào)整二次風(fēng)量后，油槍自動退出并滅火。 之后4#點火燃燒器又自動進入并點火， 但火焰依然不穩(wěn)定， 退出4#點火燃燒器。 ③啟動2#點火燃燒器，發(fā)現(xiàn)2#點火燃燒器油槍后部絲扣有漏油現(xiàn)象。 經(jīng)檢修處理并未改善，遂立即退出2#點火燃燒器。 ④退出2#點火燃燒器的同時投入啟動3#點火燃燒器，其火焰信號良好，燃燒穩(wěn)定，可以維持運行。

在點火過程中，1#點火燃燒器火焰不穩(wěn)定，火檢信號時有時無， 小油槍過于頻繁地自動進、退，導(dǎo)致二次風(fēng)機的軸承溫度過高，引發(fā)風(fēng)機軸承溫度保護聯(lián)鎖動作，二次風(fēng)機發(fā)生跳閘，于是手動停止點火燃燒器。 但鍋爐MFT 未動作， 燃燒器點火程序仍在執(zhí)行，油槍仍然自動進入并點火。此時將一次風(fēng)量調(diào)大，調(diào)小引風(fēng)機風(fēng)量，來補充二次風(fēng)量的缺失，待二次風(fēng)機問題解決后恢復(fù)正常啟動。維持運行約1 h 后引風(fēng)機跳閘，鍋爐發(fā)生爆燃。

2 鍋爐爐膛變形情況

鍋爐爆燃只發(fā)生在爐膛內(nèi)， 尾部煙道未發(fā)生任何異常。 對爐膛進行檢查發(fā)現(xiàn)，①爐膛左側(cè)、右側(cè)爐墻在前后方向發(fā)生不同程度的位移， 兩側(cè)各6 道剛性梁發(fā)生彎曲變形，變形量約35 mm。 ②前側(cè)、 后側(cè)爐墻各8 道梁發(fā)生彎曲變形， 變形量約280 mm。③部分吊桿發(fā)生變形，承重柱未見明顯異常。 鍋爐爐膛水冷壁變形情況見圖2。

圖2 鍋爐爐膛水冷壁變形情況

水冷壁管沒有發(fā)生彎折、起槽及褶皺等現(xiàn)象，沒有發(fā)生塑性變形。 水冷壁管測厚最小值為4.8 mm，未見明顯減薄。 對水冷壁管割管取樣進行金相組織分析，發(fā)現(xiàn)金相組織為鐵素體+ 珠光體（圖3），組織均勻正常，沒有裂紋。

圖3 矯正前水冷壁管金相組織（500×）

3 鍋爐爐膛爆燃原因分析

3.1 MFT 聯(lián)鎖保護存在問題

鍋爐點火之前已經(jīng)對各項MFT 進行試驗，并未發(fā)現(xiàn)異常。一次風(fēng)機、二次風(fēng)機和引風(fēng)機額定電壓均為7 kV，產(chǎn)生電流較大，如果頻繁啟動會對設(shè)備產(chǎn)生較大損害。故采用一種優(yōu)化的試驗方式，即停引風(fēng)機， 同時聯(lián)鎖停其它各風(fēng)機的順控聯(lián)鎖與MFT 同時動作的聯(lián)合試驗， 此方式在鍋爐點火前驗證是可靠的。 但在二次風(fēng)機跳閘后，MFT 聯(lián)鎖保護回路出現(xiàn)故障， 導(dǎo)致MFT 沒有動作， 輸油系統(tǒng)沒有關(guān)閉，依然繼續(xù)向爐膛投送燃料。

3.2 點火燃燒器火檢靈敏度存在問題

在鍋爐點火過程中，火焰信號較弱時，因點火燃燒器火檢靈敏度存在問題， 點火燃燒器沒有檢測信號，程序自動默認點火失敗，點火燃燒器會非正常停止程序。點火燃燒器啟動程序混亂，頻繁地自動投入與退出，會導(dǎo)致點火失敗，只能手動停止點火燃燒器。而燃燒器點火程序比較復(fù)雜，即使手動操作退出油槍后，點火程序仍在運行，油槍一直重復(fù)點火程序，點火燃燒器風(fēng)門相應(yīng)打開和關(guān)閉。對點火燃燒器風(fēng)門的要求是全關(guān)與全開， 打開與關(guān)閉都需要一定的時間，造成風(fēng)量負荷變化較大，此時爐膛溫度只有200 ℃左右，存在部分油霧未燃燒或未燃燒完全的現(xiàn)象。

3.3 二次風(fēng)機和引風(fēng)機存在故障

二次風(fēng)機的軸承溫度過高跳閘后， 點火燃燒器助燃風(fēng)量嚴重不足，使燃燒更加不穩(wěn)定，爐膛積存大量未燃盡油霧。當(dāng)引風(fēng)機發(fā)生故障后，油霧不能及時排除，達到爆炸極限時發(fā)生閃爆［3-6］。

4 鍋爐爐膛水冷壁修復(fù)

4.1 矯正裝置及原理

通過對爐膛爆燃原因、 水冷壁變形和材質(zhì)的分析［7］，決定先拆除剛性梁進行應(yīng)力釋放，然后利用滑輪、倒鏈、千斤頂和支撐件等部件組成一種簡單的機械矯正裝置（圖4）［8-9］，對變形的水冷壁管屏整體進行修復(fù)。

圖4 水冷壁變形矯正裝置

水冷壁變形矯正原理見圖5。 在膜式水冷壁內(nèi)側(cè)鰭片上焊接焊耳作為牽引點， 并將倒鏈和鋼絲繩與對應(yīng)的焊耳連接， 在倒鏈的作用下形成牽引力F。 同時在與焊耳相對應(yīng)的水冷壁外側(cè)使用千斤頂調(diào)施加推力T， 在牽引力F 和推力T 的共同作用下，將變形的膜式水冷壁緩慢校平。

圖5 水冷壁變形矯正原理

4.2 矯正修復(fù)過程

對左側(cè)、右側(cè)爐墻水冷壁和前側(cè)、后側(cè)爐墻水冷壁分別進行矯正，以前側(cè)、后側(cè)爐墻水冷壁矯正為例介紹整個矯正修復(fù)過程。

4.2.1 第1 步

在鍋爐8 m 平臺爐膛左右側(cè)位置各布置1 臺卷揚機，用于變向起吊和臨時吊掛剛性梁。在對前側(cè)、后側(cè)爐墻水冷壁校正及拆除剛性梁前，應(yīng)從左側(cè)、 右側(cè)爐墻水冷壁剛性梁前后兩端分別引出加固槽鋼，并將其固定于鋼架或剛性平臺上，用于提高左側(cè)、右側(cè)爐墻剛性梁的強度。

4.2.2 第2 步

按剛性梁彎曲量由大到小依次進行拆除。 ①將變形剛性梁的角部裝置銷軸拆除， 使剛性梁脫離兩端角部裝置后， 利用倒鏈臨時牽引剛性梁兩端部， 并用卡環(huán)將吊耳與左右側(cè)卷揚機鋼絲繩連接。 ②將變形剛性梁在鍋爐中心線處固定點的焊縫切開，打磨干凈剩余的切割焊縫。③將剛性梁夾銷由鍋爐中心線向兩側(cè)依次抽出， 緩慢釋放牽引倒鏈直至鋼絲繩成垂直狀態(tài)， 利用鍋爐兩側(cè)卷揚機將拆除的剛性梁放置在鍋爐旁以便后續(xù)安裝。

4.2.3 第3 步

依據(jù)具體變形情況，在離鍋爐中心線兩側(cè)3 m內(nèi)，采用氣割方法將變形的前側(cè)、后側(cè)爐墻水冷壁管屏鰭片割開約4 m 長度， 用來釋放爆燃造成的彎曲應(yīng)力。切割過程中應(yīng)避免割傷水冷壁管。在前側(cè)、 后側(cè)爐墻膜式壁鰭片上焊接鋼絲繩焊耳作為牽引點，并用倒鏈和鋼絲繩連接對應(yīng)的牽引點。調(diào)節(jié)各牽引倒鏈的受力，緩慢校平變形膜式壁，并及時檢測水冷壁平整度情況。對局部不平處，可以適當(dāng)割開部分管屏鰭片，利用千斤頂緩慢調(diào)平。水冷壁矯正現(xiàn)場見圖6。

圖6 水冷壁矯正現(xiàn)場

4.2.4 第4 步

初步校平后， 對水冷壁管屏進行可靠加固，按照圖樣要求安裝各道重新加工的剛性梁。 將剛性梁夾銷自鍋爐中心線向兩側(cè)依次穿入， 對膜式壁進行整體調(diào)整校平，并保證鍋爐、剛性梁及水冷壁管屏各中心線相對偏差在允許范圍內(nèi)。

4.2.5 第5 步

對爐膛整體尺寸進行復(fù)核， 尺寸合格后用槽鋼將各層剛性梁和水冷壁加固焊接［10］。

4.2.6 第6 步

按照圖樣要求對水冷壁四角及部分鰭片進行密封焊接。 對無法形成膜式壁的部位， 采用特殊的密封塊、 密封板和梳型板與內(nèi)護板相互焊接的全密封結(jié)構(gòu)。 矯正完成后的水冷壁管屏平整度不大于15 mm，對角線偏差不大于17 mm，長度偏差不大于20 mm，整體效果見圖7。

圖7 水冷壁矯正整體效果

4.3 修復(fù)后的驗證

對矯正修復(fù)后的水冷壁管進行磁粉檢測［11］，水冷壁管表面及近表面未發(fā)現(xiàn)裂紋。 對水冷壁管表面進行硬度檢查， 布氏硬度值基本在112 HB 左右，符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》［12］中對管子硬度的要求。 對水冷壁管材質(zhì)進行金相組織分析，組織均勻正常，未見晶間裂紋，見圖8。

圖8 矯正后水冷壁管金相組織（500×）

對水冷壁管進行力學(xué)性能試驗， 測得其抗拉強度為434 MPa，下屈服強度為259 MPa，縱斷、橫斷后延伸率分別為24.8%、22.3%，縱向、橫向沖擊吸收能量分別為41.6 J、28.5 J， 各項力學(xué)性能完全符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》［13］中對20G 鋼管的要求。最后，對矯正后的水冷壁管按照鍋筒壓力的1.25 倍進行整體水壓試驗，未發(fā)現(xiàn)水冷壁管有滲漏、褶皺、彎曲和變形等現(xiàn)象， 滿足TSG G7002—2015 《鍋爐定期檢驗規(guī)則》［14］以及TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)范》［15］中的相關(guān)要求。

5 結(jié)語

鍋爐啟停過程是鍋爐運行中最危險的階段，任何一項保護措施和部件發(fā)生故障或失效， 都有可能引發(fā)爐膛爆燃。 分析了爆燃導(dǎo)致某410 t/h電站鍋爐爐膛發(fā)生變形的原因。 根據(jù)力學(xué)和機械學(xué)原理，采用合理的矯正裝置，將變形后的水冷壁修復(fù)到可正常安全使用的狀態(tài)。 到目前為止，該電站鍋爐已安全運行約半年， 并未出現(xiàn)水冷壁爆管、 開裂等現(xiàn)象。 證明采用的矯正裝置和修復(fù)方法簡單、安全、可靠，能極大縮短檢修時間并節(jié)約大量維修成本，值得推廣應(yīng)用。