600MW机组锅炉掉焦灭火原因分析及对策

600MW 机组锅炉掉焦灭火原因分析及对策

李向云 朱志刚

华能沁北发电有限责任公司 河南济源 459000

摘要：本文通过分析600MW机组锅炉掉焦前后炉内运行工况，对比湿式捞渣机锅炉与干式排渣机锅炉掉焦后火检以及炉膛负压变化状况，得出锅炉掉焦灭火的本质原因，有针对性的提出解决办法，对于大型电站锅炉防灭火及防爆燃研究提供有益借鉴。

关键词：掉焦 灭火 气体状态方程 缓冲带 火检装置

一、引言

随着机组容量增大，目前大型电站锅炉一般采用煤粉锅炉。燃煤锅炉根据设计设计煤种不同又分为前后墙对冲旋流燃烧器、四角切圆直流燃烧器锅炉、W型火焰等燃烧器布置方式。无论式何种形式锅炉都存在灭火后掉焦以及掉焦后灭火事件，分析掉焦与灭火的关系对提高锅炉燃烧稳定性有非常重要的意义，为锅炉深度调峰时稳定燃烧提供安全保证。

二、锅炉灭火理论分析

1、锅炉掉焦前后燃烧要素变化分析

燃烧的必需条件有：可燃物、助燃风、点火源。

1.1可燃物是煤粉

由于掉焦瞬间制粉系统状态未发生明显变化，因此掉焦时燃烧器区域煤粉状况也不会发生变化。故燃烧第一要素可燃物状况没有发生变化。

1.2助燃风是二次风、三次风以及部分一次风。

由于掉焦前后瞬间内整个系统内风机状态以及各风门挡板状态未发生变化，因此燃烧的第二要素没有发生变化。

1.3点火源是高温烟气

掉焦瞬间炉内高温热烟气温度不会突然发生根本性变化，因此燃烧的第三要素点火源—高温烟气温度没有变化。由于焦块为固体，其体积相对于炉膛空间来说比较小，因此不会造成烟气总量瞬间扩张。同时由于系统各风机及阀门状态没有变化，因此炉内空气动力场没有变化。高温烟气温度及空气动力场没有发生改变，因此喷燃器口附近煤粉点燃条件没有发生变化。故燃烧第三要素点火源没有发生改变。

综上所述由于掉焦前后构成燃烧的基本要素没有发生变化，所以锅炉的实际燃烧状况不会发生变化。

2、锅炉掉焦后火检摆动情况分析

2.1锅炉掉焦后在焦块未掉进捞渣机之前火检摆动情况分析

此过程火检摆动过程如下：锅炉掉焦→焦块在下落经过喷燃器口→焦块遮挡火检或者由于焦块引起喷燃器口局部空气动力场发生偏移造成火检装置检测不到火检。这个过程火检信号不摆动，或者火检信号摆动顺序应该是自上而下的摆动。更多的情况下由于焦块从上至下依次经过不同喷燃器口，因此火检摆动是同一列的火检信号从上至下发生摆动。此过程持续时间较短，焦块经过的面积较小，因此火检信号摆动相对较弱。

2.2锅炉掉焦进入捞渣机后火检信号摆动轨迹分析

对于湿式捞渣机锅炉焦块进入捞渣机后火检信号摆动过程如下：焦块掉进捞渣机水封槽后产生水蒸汽，水蒸气自下而上上升，水蒸汽经过喷燃器口遮挡火检信号引起火检信号摆动。火检信号摆动为自下而上摆动。

火检信号摆动由以下原因造成：

2.2.1由于水蒸汽原因引起喷燃器口局部空气动力场改变引起火检信号跑偏造成测量失准引起火检信号摆动。

2.2.2水蒸汽遮挡火检探头。

2.2.3水蒸汽使得喷燃器口附近烟气温度下降引起烟气黑体辐射频率及强度下降造成火检信号消失。由于温度下降将会使得喷燃器口附近的煤粉失去复燃能力，这造成喷燃器真正灭火。

2.2.4火检信号摆动的频率以及持续的时间与焦块掉进捞渣机时产生的水蒸汽量有较大关系。

焦块较小时，产生的水蒸汽较少因此影响较小。焦块较大时，产生的水蒸汽较多对机组安全影响较大。焦块进入捞渣机产生水蒸气遮挡火检信号造成火检信号摆动其规律是火检信号摆动为自下而上大面积闪烁摆动。对于干式排渣机由于没有水蒸气产生过程因此掉焦过程不会出现火检信号反复摆动过程。

3、掉焦过程炉膛负压摆动趋势分析

3.1炉膛负压摆动的理论基础

正常锅炉处于平衡通风状态，即进入炉膛的空气与燃料燃烧产生的烟气量与引风机抽走的烟气量处于平衡状态，锅炉维持微负压运行状态。

炉膛内燃烧生成物主要是气态物质，为便于简化分析可以用理想气体模型进行状态分析（实际气体模型与理想气体模型有差异，工程计算要求精度不高时理想气体模型精度基本满足工程计算需要。

理想气体状态方程如下：

PV=nRT （1）

P为气体压力，n气体物质的量，V气体体积，T气体的绝对温度，R是气体状态常数。

对式（1）两边采取全微分得到下式

（2）

将式（2）除以式（1）可以得到

（3）

掉焦前的瞬间状态为初始状态，初始参数为 、 、 、

将 、 、 、 代入式（3）得到

（4）

掉焦瞬态风机挡板未发生变化，故可以将锅炉空间视为封闭空间则

则式（4）式可以变化为

（5）

由式（5）可知系统发生扰动时系统空间结构未发生变化时炉膛压力的变化主要取决于炉膛温度变化及炉内气体物质的量的变化。

3.2掉焦前后炉膛压力分析

在 的情况下炉膛负压分析：

3.2.1掉焦未产生水蒸气产生气体增量时炉膛压力分析：

此过程焦块尚未掉进捞渣机内炉膛内烟气尚未有增量，因此 所以 。

此过程中炉膛压力变化主要由 决定。

由于掉焦瞬间前后构成燃烧的要素未发生变化，因此 。所以 。

也就是说燃烧基本不变，负压也基本不变。

干排渣机锅炉掉焦锅炉炉膛负压基本不变就是这个原因。

如果火检摆动同时伴随着炉膛负压及氧量摆动，说明局部喷燃器熄火后又再燃烧。

具体过程如下：

如果喷燃器熄火，则氧量将上升。同时由于部分能量消失炉内平均温度T将下降，也就是 为负值。所以 将为负值。炉膛负压将向负的方向变化。

如果燃烧器处煤粉能立即再次恢复燃烧（此处燃烧恢复指的是不依靠油枪投运而自行燃烧）此时炉膛负压及氧量将自行恢复到喷燃器熄火前的值。

如果复燃时间较长，则由于燃料积累产生热量将引起T的变化，故将会引起负压变正。同时由于燃烧需要消耗氧量，因此氧量将变小。（此过程与随后分析的投油枪过程类似。）

3.2.2锅炉掉焦后焦块掉进湿式捞渣机产生水蒸气时炉膛压力变化分析

3.2.2.1不投油枪的过程分析：

由于油枪没有投运，因此系统内内有新增能量注入所以 。

（5）式变为 。

所以炉膛负压变化由 变化决定。

由于 ，

所以炉膛负压向正的方向变化。同时由于燃烧平衡因此氧量没有变化。

对于 值可以通过实测来获得。

锅炉正常运行时 。

由观察得出一般为0.3～0.4 。

。

3.2.2.2投油枪的过程分析

锅炉掉焦除了因为产生水蒸汽引起烟气增量以外还包括油枪投运后引起的能量增量以及燃油燃烧产生的烟气增量。

即油燃烧引起的 的改变及油燃烧引起 附加增量的改变。

1）油燃烧产生烟气引起的 附加增量的变化：

油燃烧的产物主要为 和 （其它微量元素可以不考虑）。

由于 中O的消耗与空气中的氧气一致，因此 对对 的变化不产生影响。同时由于总的油量消耗较少因此 引起烟气量的增量（有效增量仅为 的 ）也较小，相对于捞渣机内水蒸汽的生成量可以忽略不计。

因此可以认为 。

因此 。

由于炉膛负压保护动作值为3Kpa，所以可以将 的取值取为3 。所以可以取

因此在 中

取值应为2.6%～2.7%

2）油燃烧引起的 的改变量：

下面通过分析 的变化来分析最大值投油量。

锅炉燃料所含的热量应当为投入系统的总能量。这些能量将会加热烟气，同时烟气会把能量传递给锅炉管壁产生蒸汽。高温烟气处在空气动力场中其温度分布是随烟气流程变化而变化，在炉膛烟气温度最高，随着烟气向尾部运动烟气被受热面冷却逐渐降温。我们所讨论的气体不是局部的气体，而是整个炉膛空间的全部气体。所求得的温度T指得是整个炉内的平均温度T。此平均温度T，可以用能量平衡法来求得。

假设锅炉燃烧充分，锅炉效率为η则锅炉燃料中剩余能量将体现在烟气平均温度T上。由于锅炉剩余能量还有其它损失，因此用于计算烟气平均温度T上的能量只占其中一部分，我们设定比例系数为K。假定掉焦前烟气流量为Q，掉焦时的锅炉给煤量为 ，煤的低位发热量为 , 为烟气比热系数,环境温度为 。

则由能量平衡可知：

所以

设定投油量为 ,燃油的低位发热量为

所以

为便于分析取

可知

以上分析是在系统空间结构未发生变化情况下进行讨论。实际中由于引风机的调节作用，燃油油量可以适当扩大一些。因此建议投运油枪除保证必要的稳燃数量需要外，还应注意油枪投运时间间隔，以使得引风机有足够的时间进行负压调节满足锅炉平衡通风需求。

油枪投运后由于送风调整的滞后性因此氧量会减小。

实际上由于引风机会根据炉膛负压的变动情况来调整炉膛负压的变化，因此 。

此时

调整得到

反映的引风机动叶调节对负压的影响。一般来说由于引风机动叶调节的作用会削弱负压变化的趋势，但不会从根本上改变负压变化的趋势。

由于 的存在将会影响

其中 的值，从上述变化趋势来看将会使α增大从而使得可以投运的油量增大。

三、锅炉掉焦灭火原因结论

1、锅炉掉焦喷燃器存在部分熄火现象。

炉膛负压先下降，随后由于引风机调整后逐渐恢复正常。同时由于实际着火的燃料量减少炉膛氧量将会升高。此时应适当投入油枪进行燃烧稳燃。为防止投运油量引起炉膛压爆燃，要控制启动有枪投油数量及间隔防止炉膛爆燃。

2、锅炉掉焦喷燃器不存在部分熄火现象。

对于湿式捞渣机锅炉捞渣机内水蒸汽引起炉膛负压将升高。引风机调节作用使炉膛负压下降。炉膛负压变化趋势是先正向变动然后再逐渐回复至正常曲线。炉膛负压变动的首变趋势反映出炉膛内部实际燃烧情况，是判断锅炉掉焦与灭火先后关系的重要指标。

3、湿式捞渣机与干排渣机锅炉运行状况比较

湿式捞渣机锅炉：锅炉掉大焦时火检摆动剧烈，大焦块容易造成炉膛负压大幅摆动引起炉膛内部空气动力场大幅摆动造成煤粉燃烧不问。投油较多时容易引起炉膛压力高保护造成锅炉灭火。因此需要燃用挥发分高的燃煤提高锅炉燃烧稳定性。

干排渣机锅炉：由于掉焦造成炉膛负压摆动因素小，锅炉掉焦对锅炉燃烧稳定性影响较小。因此锅炉煤种适应性较强可以适应负荷宽幅变化及媒质的宽幅变化。运行时可以把重心放在如何提高制粉稳定性上。制粉的稳定性基本决定了锅炉燃烧的稳定性。

四、防范措施

1、对湿式捞渣机式锅炉可以在在捞渣机内部增加缓冲带避免锅炉掉大焦直接砸进捞渣机。

在捞渣机内部加装缓冲带后大焦掉进捞渣机后首先将会被缓冲带阻挡，然后变成小焦掉进捞渣机。由于焦块变小对水封产生的冲击力将减小。一方面可以避免捞渣机水封被砸坏。另一方面由于渣块动量下降产生的蒸汽波能量将会大幅下降，产生的水蒸气量将减少，这将大大提高锅炉燃烧稳定性。具体的作法是在捞渣机水槽中间位置水封板下方用槽钢焊接一个网状结构如下图：

缓冲带最好能够拆除以便方便机组检修时进入捞渣机。

2、对于底层喷燃器设置两套不同原理的火检，提高火检信号的稳定性。

火检检测角度范围要宽广，能够适应因为风压变化引起火焰大角度变动的需求。由于掉焦后，焦块经过喷燃器口时或多或少会对喷燃器附近的空气动力场产生扰动。此时火焰中心可能会离开火检探头视角范围引起火检探头检测不到火焰信号。因此建议再增加一套独立电源的近距火检装置，以观测近处火检。

3、对于底层燃烧器增加油枪自动投入及快速投入功能避免值班员操作不及时或者投油过多引起炉膛正压保护动作扩大事故。

由于投油过多后容易造成锅炉炉膛压力高而造成炉膛压力高保护动作。为避免人为投枪造成投油量大或者投枪不及时，建议对底层油枪加装自动投枪功能。

4、对喷燃器进行必要改造增加预热或预燃措施提高锅炉煤种适应性。

提高差煤燃烧稳定性的重要方法便是将煤粉进行预加热或者进行预燃。

五、结束语

QB厂采用上述防止锅炉灭火措施，经过实践运行观察锅炉稳定燃烧稳定性有了较大幅度提高。600MW锅炉煤种从单一贫瘦煤种到掺烧煤泥等各种劣质煤，煤电比由3.6逐渐至5.5，煤种适应性大幅变宽，机组深度调峰能力由50%额定负荷逐渐适应至30%额定负荷，机组调峰适应能力大幅增强，这些理论方法值得同行借鉴。

参考文献：

[1]徐甲强,邢彦军，周义锋. 工程化学.科学出版社，2019.6

[2]周强泰.锅炉原理.中国电力出版社，2009.9

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