鍋爐在試運(yùn)和運(yùn)行中發(fā)生爐膛爆炸事故是屢見不鮮的，它不僅導(dǎo)致了機(jī)組非計劃停機(jī)，危及機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還會造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和人員傷亡，因此，預(yù)防、減少和杜絕爐膛爆炸事故十分重要。
大港發(fā)電廠二期鍋爐是意大利TOSI鍋爐廠制造的亞臨界、強(qiáng)制循環(huán)、中間再熱、平衡通風(fēng)、燃煤固態(tài)排渣汽包爐。最大連續(xù)蒸發(fā)量1 100 t/h，設(shè)計燃用山西晉中貧煤，實際燃用陽泉無煙煤及貧瘦煤。每臺鍋爐配有4套雙進(jìn)雙出半直吹鋼球磨制粉系統(tǒng)。由于無煙煤及貧瘦煤屬難燃煤種，極易造成鍋爐滅火和爐膛爆炸事故，大港發(fā)電廠對此進(jìn)行了深入的分析，并采取了有針對性的防范措施，有效地杜絕了爐膛爆炸事故的發(fā)生。
1 爐膛的內(nèi)爆和外爆
1.1 爐膛內(nèi)爆
當(dāng)爐膛內(nèi)負(fù)壓過高，超過了爐墻結(jié)構(gòu)所承受的限度時，爐墻會向內(nèi)坍塌，這種現(xiàn)象稱為爐膛內(nèi)爆。隨著大容量機(jī)組的發(fā)展和除塵、脫硫設(shè)備的裝設(shè)及高壓頭引風(fēng)機(jī)的使用，增加了鍋爐內(nèi)爆的可能性。防止?fàn)t膛內(nèi)爆發(fā)生的主要方法是在鍋爐滅火和MFT動作后的初期提高爐膛駐留介質(zhì)的質(zhì)量，通常采取減緩燃料切斷的速度(這與防止?fàn)t膛外爆相反)、增加送風(fēng)量和減少引風(fēng)量等措施。因爐膛內(nèi)爆事故在國內(nèi)發(fā)生得較少，因此下面主要分析爐膛外爆事故。
1.2 爐膛外爆
鍋爐爐膛爆炸是鍋爐爐膛、對流豎井、煙道、引風(fēng)機(jī)等內(nèi)部積存的可燃性混合物突然同時被點(diǎn)燃的結(jié)果，即因爆燃而使煙氣側(cè)壓力升高，造成爐墻結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象，也稱為爐膛外爆。鍋爐爐膛爆炸又可分為點(diǎn)火爆炸、滅火后爆炸和運(yùn)行中爆炸3種情況。
爐膛內(nèi)瞬間的燃料爆燃可視為定容絕熱過程，應(yīng)用能量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程可以推導(dǎo)出爐膛內(nèi)爆炸時介質(zhì)產(chǎn)生的壓力，P2為：
其中，Cv為爐膛介質(zhì)的定容比熱，V為爐膛容積，P1、T1分別為爆炸前爐膛內(nèi)的介質(zhì)壓力和溫度，Vr、Qr分別為積存的可燃混合物的容積和單位容積的發(fā)熱量。
從公式可以看出，爐膛內(nèi)爆炸時產(chǎn)生的壓力P2與可燃混合物積存容積和爐膛容積的比值Vr/V、可燃混合物單位容積發(fā)熱量Qr和爆炸前爐膛介質(zhì)的溫度T1有關(guān)。
從上面的公式可以看出，爐膛溫度T1越低，爆燃后的壓力越大。在鍋爐點(diǎn)火啟動初期，爐膛溫度低，這時爆燃產(chǎn)生的破壞力將最為嚴(yán)重；T1越高，P2越小，當(dāng)溫度超過可燃物的著火溫度時，燃料進(jìn)入到爐內(nèi)即被點(diǎn)燃，不會產(chǎn)生可燃物積存現(xiàn)象。
對于煤等礦物質(zhì)燃料，其著火溫度大多數(shù)不超過650℃，一般認(rèn)為爐膛溫度超過750℃時不容易發(fā)生爐膛爆燃。
2 誘發(fā)爐膛爆炸的主要原因
理論分析和生產(chǎn)實踐表明，發(fā)生爐膛爆炸需要3個必要條件：一是爐膛內(nèi)存有可燃性燃料(可燃性氣體或煤粉顆粒)；二是積存的燃料和空氣混合物是爆炸性的，并達(dá)到了爆炸極限；三是具有足以點(diǎn)燃混合物的能源。3個條件缺一不可，否則不會發(fā)生爐膛爆炸事故。
2.1 爐膛內(nèi)可燃性混合物的積存
運(yùn)行人員操作順序不當(dāng)，設(shè)備或控制系統(tǒng)設(shè)計不合理，或者是設(shè)備和控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都可能發(fā)生大量可燃物聚集在爐膛內(nèi)的情況，當(dāng)遇到符合發(fā)生燃料爆燃的點(diǎn)火能(爐膛溫度)時，爐內(nèi)積存的可燃物會突然被點(diǎn)燃，其火焰的傳播速度很快，積存的可燃性混合物幾乎同時被點(diǎn)燃，生成的煙氣容積突然增大，一時來不及由爐膛排出，使得爐內(nèi)壓力驟增，超過了爐墻所承受的最大壓力時便造成爐膛爆炸。
因此，防止爆燃的主要方法是，防止可燃性混合物積存在爐膛或煙道內(nèi)，而爐膛內(nèi)有可燃性混合物積存時又應(yīng)防止點(diǎn)火能的出現(xiàn)?？梢?，鍋爐滅火時MFT動作，迅速切斷全部燃料，以及鍋爐點(diǎn)火前按規(guī)定程序進(jìn)行爐膛吹掃，是相當(dāng)重要的。
2.2 鍋爐滅火或燃燒惡化 實踐證明，鍋爐滅火是導(dǎo)致爐膛爆炸最常見的原因。鍋爐滅火是指爐內(nèi)燃燒的突然中斷。鍋爐燃燒不穩(wěn)往往是鍋爐滅火的預(yù)兆。在鍋爐輔機(jī)發(fā)生故障突然停運(yùn)、燃燒器切換、爐內(nèi)嚴(yán)重結(jié)焦掉渣、燃料性質(zhì)突然改變或斷煤以及火掃器打閃、爐膛壓力大幅波動、燃燒惡化等工況時，應(yīng)特別引起重視，做到盡早發(fā)現(xiàn)及時處理。
3 大港發(fā)電廠爐膛防爆措施
3.1 設(shè)置可靠的保護(hù)并嚴(yán)禁隨意解除
3.1.1 設(shè)置爐膛吹掃程序 在任何情況下，鍋爐點(diǎn)火前，爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)都必須執(zhí)行爐膛吹掃程序。吹掃時要求吹掃風(fēng)量大于額定總風(fēng)量的30%，吹掃延續(xù)時間為 5 min，以保證對爐膛進(jìn)行3～5次全量換氣，并以此吹掃風(fēng)量作為點(diǎn)火風(fēng)量。因暖爐期間的燃料量一般不超過額定燃料量的10%，這就使?fàn)t膛內(nèi)的空氣與燃料的比例偏高，即使送入的燃料未被點(diǎn)燃，也將被沖淡為不可燃的混合物，從而可以避免爆燃。
此外，當(dāng)鍋爐因總風(fēng)量低于額定總風(fēng)量的25%而跳閘時，爐膛吹掃程序邏輯要求5 min的強(qiáng)迫通風(fēng)時間，只有待5 min的強(qiáng)迫通風(fēng)完成后，才能進(jìn)行爐膛吹掃程序。當(dāng)鍋爐因2臺送風(fēng)機(jī)或2臺引風(fēng)機(jī)停運(yùn)而跳閘時，爐膛吹掃程序邏輯要求15 min的自然通風(fēng)時間，只有待15 min的自然通風(fēng)完成后，才能啟動引送風(fēng)機(jī)運(yùn)行，再進(jìn)行爐膛吹掃程序。
3.1.2 設(shè)置鍋爐滅火保護(hù)
火掃器檢測運(yùn)行油槍無火焰后，跳掉相應(yīng)的運(yùn)行油槍；運(yùn)行磨煤機(jī)層火焰故障后，跳掉相應(yīng)的運(yùn)行磨煤機(jī)。全爐膛滅火邏輯判斷鍋爐滅火后，MFT動作，立即切斷全部燃料供應(yīng)，即停止制粉系統(tǒng)，關(guān)閉磨煤機(jī)入口和出口閘板，關(guān)閉全部油槍的油閥，將引、送風(fēng)量減小至吹掃風(fēng)量并控制好爐膛壓力。
3.1.3 設(shè)置爐膛壓力保護(hù) 鍋爐設(shè)有爐膛壓力高低保護(hù)。當(dāng)爐膛壓力極高(+2 000 Pa)延時1 s或爐膛壓力極低(-2 000 Pa)延時1 s時，MFT動作。該保護(hù)能在鍋爐滅火保護(hù)失靈時，依據(jù)爐內(nèi)可靠的壓力信號及時切斷燃料供應(yīng)。
3.1.4 嚴(yán)禁隨意解除保護(hù) 爐膛壓力高低鍋爐跳閘保護(hù)和火焰故障鍋爐跳閘保護(hù)在鍋爐啟動前應(yīng)投入運(yùn)行。因設(shè)備缺陷需退出保護(hù)時，應(yīng)經(jīng)總工程師批準(zhǔn)并事先做好安全措施，運(yùn)行人員必須做好事故預(yù)想。鍋爐運(yùn)行期間，嚴(yán)禁采用插火焰鑰匙的辦法模擬火焰掃描器的信號，嚴(yán)禁隨意退出火焰探頭或連鎖裝置。運(yùn)行中臨時解除保護(hù)進(jìn)行維護(hù)后，應(yīng)盡快恢復(fù)。
3.2 預(yù)防鍋爐滅火事故的發(fā)生 預(yù)防鍋爐滅火事故的發(fā)生是防止?fàn)t膛爆炸的重點(diǎn)。
3.2.1 加強(qiáng)煤質(zhì)管理和化驗 嚴(yán)格執(zhí)行混配煤規(guī)定，嚴(yán)格控制和化驗煤質(zhì)、煤粉細(xì)度、水分和揮發(fā)分，并將煤質(zhì)情況及時通知主控值長，避免因調(diào)整不及時、燃燒不穩(wěn)定造成鍋爐滅火。
3.2.2 保持鍋爐良好燃燒工況，防止?fàn)t膛結(jié)焦 燃用設(shè)計煤種時煤粉細(xì)度R88控制在15%以下，燃用貧煤與無煙煤的混合煤種時R88控制在10% 以下，R200均控制在0.3%以下。按規(guī)定保持磨煤機(jī)最佳出口溫度、風(fēng)量和運(yùn)行組合方式，避免2臺磨煤機(jī)隔層組合運(yùn)行。
在燃煤揮發(fā)分小于10%或鍋爐燃燒不穩(wěn)時，值長應(yīng)向中調(diào)說明情況，避免深度調(diào)峰，必要時可向中調(diào)申請漲負(fù)荷或投油助燃。燃用灰熔點(diǎn)較高的煤種并保持煤質(zhì)穩(wěn)定，調(diào)整好磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式，組織好鍋爐配風(fēng)燃燒，并加強(qiáng)鍋爐吹灰和看火孔的監(jiān)視。一旦發(fā)現(xiàn)結(jié)焦應(yīng)及時處理，影響鍋爐安全運(yùn)行時應(yīng)立即停爐。
3.2.3 做好監(jiān)盤和操作工作
鍋爐運(yùn)行期間，運(yùn)行人員除根據(jù)有關(guān)表計對燃燒工況進(jìn)行監(jiān)視調(diào)整外，還應(yīng)根據(jù)火焰掃描器和火焰電視的指示，結(jié)合就地觀察，對燃燒情況進(jìn)行綜合判斷，仔細(xì)調(diào)整。尤其是在鍋爐啟動、停運(yùn)和低負(fù)荷運(yùn)行以及煤種改變時，更應(yīng)加強(qiáng)對運(yùn)行工況參數(shù)變化的監(jiān)督，注意燃燒和風(fēng)煤比的調(diào)整。當(dāng)鍋爐燃燒不穩(wěn)時應(yīng)提前投油助燃，但對于已瀕臨滅火的鍋爐嚴(yán)禁投油助燃和采用爆燃法復(fù)燃。
鍋爐停止運(yùn)行后，應(yīng)及時關(guān)閉油槍手動門和點(diǎn)火槍可燃?xì)獾氖謩娱T。
鍋爐點(diǎn)火時要求用點(diǎn)火器點(diǎn)燃油槍，油槍點(diǎn)燃煤粉，禁止采用隔層或隔角引燃的辦法進(jìn)行油槍點(diǎn)火。
投停磨煤機(jī)時必須按規(guī)定投油助燃。啟動磨煤機(jī)時必須進(jìn)行充分暖磨，以免冷粉進(jìn)入爐膛使燃燒不穩(wěn)定或加劇燃燒惡化。啟動跳閘磨煤機(jī)必須按運(yùn)行規(guī)程規(guī)定進(jìn)行抽粉。
當(dāng)鍋爐需要在較低負(fù)荷下運(yùn)行時，可停用部分磨煤機(jī)和燃燒器，使其它運(yùn)行的磨煤機(jī)和燃燒器在高于最低穩(wěn)燃負(fù)荷下運(yùn)行。根據(jù)煤質(zhì)的情況及時控制好煤粉細(xì)度和過磨風(fēng)流量，在磨制陽泉無煙煤等硬質(zhì)煤時過磨風(fēng)流量不能過大，防止在漲負(fù)荷時，突然加大過磨風(fēng)流量，造成煤粉變粗，從而導(dǎo)致燃燒惡化。
避免鍋爐在長期低負(fù)荷下運(yùn)行，或在漲負(fù)荷時煤量加得過快而二次風(fēng)量增加不及時，導(dǎo)致煙道內(nèi)積存可燃物較多。尤其是在鍋爐啟動過程中，應(yīng)根據(jù)鍋爐燃燒情況和機(jī)組啟動的需要投入磨煤機(jī)和增加磨煤機(jī)出力，不要不管爐內(nèi)的燃燒情況而匆忙從下層往上層投磨。
3.3 加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)
加強(qiáng)鍋爐MFT保護(hù)和爐膛吹掃程序的維護(hù)。定期對油槍油閥、點(diǎn)火槍可燃?xì)忾y、燃油跳閘閥、可燃?xì)馓l閥和磨煤機(jī)出入口閘板進(jìn)行試驗，確保閘門動作正確，關(guān)閉嚴(yán)密。發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)應(yīng)及時消除，并定期進(jìn)行油槍的更換和吹掃工作。加強(qiáng)設(shè)備檢修管理，重點(diǎn)解決爐膛漏風(fēng)、一次風(fēng)管不暢、送風(fēng)不正常脈動、磨煤機(jī)堵煤、斷煤和熱控設(shè)備失靈等缺陷。 大港發(fā)電廠根據(jù)鍋爐爐膛的爆炸機(jī)理，分析了誘發(fā)爆炸的主要原因，并通過以上措施，保障了鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，在鍋爐爐膛防爆的工作中取得了滿意的效果。