磨煤機(jī)惰化系統(tǒng)防爆燃及對爆燃火焰淬熄影響分析

王 建，關(guān) 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(xiàn)役燃煤電廠煤質(zhì)波動較大，部分煙煤揮發(fā)分高，甚至接近褐煤水平。高揮發(fā)分煙煤在磨煤機(jī)啟?；驍嗝哼^程中，若出口溫度控制不當(dāng)，極易發(fā)生制粉系統(tǒng)爆燃事故。針對缺少惰化系統(tǒng)的制粉系統(tǒng)，在磨煤機(jī)啟停、斷煤等非正常工況下，即使運行人員及時監(jiān)視到磨煤機(jī)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(guān)閉熱風(fēng)門、開大冷風(fēng)門等措施，危急時需停止磨煤機(jī)運行，造成爐膛燃燒大幅擾動。

目前，磨煤機(jī)爆燃研究多集中于磨煤機(jī)室內(nèi)積粉引發(fā)的爆燃，而忽視了因磨煤機(jī)長期運行或者燃燒器處氣流倒卷導(dǎo)致磨煤機(jī)出口煤粉管內(nèi)煤粉大量積存而引發(fā)煤粉管內(nèi)爆燃；關(guān)于惰化介質(zhì)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(lǐng)域，爆燃火焰則以低速擴(kuò)散火焰或?qū)恿骰鹧嫜芯繛橹?，但針對燃煤電廠磨煤機(jī)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(yīng)用分析，自動控制邏輯也未見有效優(yōu)化。

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

1 機(jī)組概況

該電廠二期3、4號機(jī)鍋爐為BABCOCK (英國)亞臨界350 MW、單鼓、一次中間再熱、自然循環(huán)燃煤鍋爐，鍋爐蒸發(fā)量為1 162 t/h，設(shè)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(fēng)，固態(tài)排渣，半露天門型布置。

鍋爐配有4臺中速MPS-89G型磨煤機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)、冷熱一次風(fēng)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(zhì)成分分析結(jié)果見表1。

表1 入爐煤質(zhì)成分分析

2 磨煤機(jī)爆燃事件

根據(jù)3號爐磨煤機(jī)惰化蒸汽系統(tǒng)運行規(guī)定，磨煤機(jī)運行時，當(dāng)磨煤機(jī)出口溫度高于90 ℃時，該磨煤機(jī)惰化蒸汽汽源門(氣動)自動開；當(dāng)磨煤機(jī)出口溫度低于80 ℃時，惰化蒸汽汽源門(氣動)自動關(guān)閉，在此期間若磨煤機(jī)跳閘，則惰化蒸汽汽源門(氣動)自動關(guān)閉。事發(fā)當(dāng)天3B磨煤機(jī)發(fā)生爆燃后，由于設(shè)定開啟溫度(90 ℃)離磨煤機(jī)跳閘溫度(100 ℃)較近，導(dǎo)致惰化蒸汽投入時間較短，未能發(fā)揮惰化系統(tǒng)全部功效。

09：50：20，3B磨煤機(jī)一次風(fēng)流量從73 t/h快速下降至63 t/h。熱風(fēng)擋板開度由27.3 %開至34.0 %，風(fēng)量恢復(fù)正常。

09：50：30，3B磨煤機(jī)出口溫度從69.1 ℃上升，一次冷風(fēng)調(diào)節(jié)擋板由之前的6.5 %直至全開，熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板由34.0 %關(guān)至全關(guān)位。一次風(fēng)壓力波動最高7.9 kPa、最低6.4 kPa。

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

09：50：51，該磨煤機(jī)出口溫度100.0 ℃，磨煤機(jī)跳閘，3B給煤機(jī)停止，磨煤機(jī)惰化蒸汽電動門關(guān)。

09：51：38，磨煤機(jī)出口門自動關(guān)閉，熱風(fēng)關(guān)斷擋板自動關(guān)閉。

3 磨煤機(jī)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(jī)為鍋爐燃燒過程提供合格的煤粉，煤粉屬易燃易爆物，當(dāng)煤粉在磨煤機(jī)內(nèi)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(fā)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(guān)，但主要取決于煤粉爆炸反應(yīng)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(jī)內(nèi)風(fēng)溫過高時，就可能發(fā)生爆燃。

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

3.2 煤質(zhì)爆炸指數(shù)分析

煤質(zhì)爆炸指數(shù)是指煤中含有的揮發(fā)分占可燃物質(zhì)的百分?jǐn)?shù)，是確定煤質(zhì)爆炸危險性的一個重要參數(shù)。煤質(zhì)爆炸指數(shù)越高，則煤質(zhì)爆炸性越強(qiáng)。煤質(zhì)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(zhì)的細(xì)度等。一般通過煤質(zhì)的爆炸指數(shù)Kd來衡量煤的爆炸特性。

式(1)～(5)中：Kd為煤粉爆炸性指數(shù)；Vd為煤粉干燥基揮發(fā)分，%；Vvol，que為燃燒所需可燃基揮發(fā)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(fā)分的下限，%；Qvol為煤粉揮發(fā)分熱值，kJ/kg；Qnet，v，daf為煤粉干燥無灰基低位發(fā)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(fā)分含量，%。

煤質(zhì)爆炸指數(shù)Kd與爆炸特性關(guān)系表現(xiàn)為：Kd＜1.0時，屬難爆炸危險性煤質(zhì)；1.0≤Kd＜3.0時，屬中等爆炸危險性煤質(zhì)；Kd≥3.0，屬易爆炸危險性煤質(zhì)。典型煤質(zhì)爆炸性分析結(jié)果見表2。

表2 典型煤質(zhì)爆炸性分析

綜上所述，褐煤或高揮發(fā)分的煙煤爆炸感度與自燃傾向性高。

4 惰化系統(tǒng)設(shè)置及優(yōu)化

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

4.1 惰化系統(tǒng)防爆燃機(jī)理

磨煤機(jī)惰化系統(tǒng)防爆燃機(jī)理是利用鍋爐輔汽充當(dāng)惰化介質(zhì)，通過稀釋磨煤機(jī)內(nèi)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(jìn)行有效抑制，減小磨煤機(jī)爆燃可能性和危害程度。

4.2 惰化系統(tǒng)對爆燃火焰淬熄機(jī)理

磨煤機(jī)惰化系統(tǒng)對爆燃火焰淬熄機(jī)理的具體表現(xiàn)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(dá)到抑制燃燒的目的。例如當(dāng)運行磨煤機(jī)內(nèi)突然發(fā)生爆燃時，通入惰化磨煤機(jī)風(fēng)粉混合物氣流，停止供煤，排空磨煤機(jī)內(nèi)燃料，切除并隔離磨煤機(jī)，切斷一次風(fēng)，使磨煤機(jī)跳閘，隔離并惰化制粉系統(tǒng)，在不擾動制粉設(shè)備積粉情況下，進(jìn)行爆燃火焰淬熄，直至各處溫度降到環(huán)境溫度。當(dāng)正在運行且存煤較少的磨煤機(jī)發(fā)生著火時，切斷熱風(fēng)，在磨煤機(jī)不超載的條件下，盡量加大給煤量，并使用調(diào)溫風(fēng)繼續(xù)運行，進(jìn)行爆燃火焰淬熄。又如當(dāng)備用磨煤機(jī)內(nèi)有燃燒或自燃情況時，在惰性氣氛下，利用惰化介質(zhì)作為一次風(fēng)，按運行規(guī)程啟動磨煤機(jī)，將磨煤機(jī)及系統(tǒng)內(nèi)的殘留煤粉吹入爐膛并通過石子煤系統(tǒng)清除殘余燃料。在磨煤機(jī)本體及其內(nèi)部物料冷卻到環(huán)境溫度前，不應(yīng)打開和清掃磨煤機(jī)。

2) 磨煤機(jī)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(nèi)煤粉大量積存引發(fā)煤粉管爆燃。此時，啟動磨煤機(jī)惰化系統(tǒng)，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(yīng)變?nèi)酰蓟鹧嬖诿悍酃軆?nèi)傳播過程中不斷與壁面進(jìn)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(zhì)選取

褐煤或高揮發(fā)分煙煤，一般采用空氣作干燥劑難以達(dá)到惰性氣氛。目前，國內(nèi)燃煤電廠或磨煤機(jī)廠家配套的惰化系統(tǒng)多采用蒸汽作為惰化介質(zhì)；惰化蒸汽允許注入量大，來源廣泛，成本低，抑爆性能優(yōu)良，且對環(huán)境無污染、無毒，對磨煤機(jī)殼體熱沖擊較小，因此被廣泛應(yīng)用。氮氣及二氧化碳制取較復(fù)雜，設(shè)備初期投資大、廠用電高、占地廣，且若制取設(shè)備發(fā)生故障，惰化系統(tǒng)則無法正常投運，使惰化介質(zhì)來源可靠性降低。因此，雖其惰化效果較好，但實際應(yīng)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(lián)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(lián)箱蒸汽引入磨煤機(jī)機(jī)殼或進(jìn)口風(fēng)道中。

由于機(jī)組采用的是正壓直吹式制粉系統(tǒng)，按DL/T 5203《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防暴設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，在設(shè)備內(nèi)或設(shè)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(yīng)大于“惰性氣氛的最高允許氧含量”，即煙煤、褐煤在磨煤機(jī)內(nèi)的最高允許氧含量分別為14 %和12 %。

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

4.4 CO在線監(jiān)視裝置

該機(jī)組采用先進(jìn)的CO在線監(jiān)測技術(shù)，以CO探頭輔助檢測分析，實現(xiàn)鍋爐燃燒多變煤種實時、準(zhǔn)確的煤質(zhì)CO濃度監(jiān)測，并將在線CO數(shù)據(jù)用于DCS系統(tǒng)的安全預(yù)警及控制優(yōu)化，大大提高了現(xiàn)有系統(tǒng)的安全程度和控制品質(zhì)。采用PLC程序控制，在每臺磨煤機(jī)上裝設(shè)CO監(jiān)測裝置和混合物溫度變化梯度測量儀表，可以實時監(jiān)測出磨煤機(jī)(煤粉分離器)內(nèi)的混合物中的CO含量和溫度變化情況。通過分析磨煤機(jī)中CO濃度，可以得到磨煤機(jī)防爆監(jiān)測溫度與CO濃度的匹配關(guān)系。

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

4.5 自動控制邏輯優(yōu)化

通過上述爆燃事故的分析，可以發(fā)現(xiàn)原磨煤機(jī)惰化系統(tǒng)投入較為遲緩，在事故發(fā)生初期自動控制響應(yīng)速度較慢，錯過了消滅事故的最佳時機(jī)，故對磨煤機(jī)自動控制邏輯提出幾點優(yōu)化，以提高惰化系統(tǒng)的可靠性。

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

2) 增加磨煤機(jī)入口一次風(fēng)壓力變化速率大于0.15 kPa/s且爐膛負(fù)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(shè)置，可提前25 s啟動惰化系統(tǒng)。

3) 磨煤機(jī)冷風(fēng)調(diào)節(jié)擋板比原來提前1 s開啟至100 %。

5 結(jié)束語

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