锅炉灭火与炉膛压力变化分析

　　锅炉灭火是火电厂的常见故障。锅炉灭火时，往往伴随着炉膛压力的巨幅波动，若此时未及时采取紧急保护措施，而仍让燃料继续进入炉膛，则有可能使燃料在不受控制的再点燃条件下瞬间爆燃造成炉膛外爆，这就是通常所说的"锅炉灭火放炮"。防止锅炉灭火放炮事故的发生和将可能出现的事故损害减小到zui低限度，一直是火电机组头等的反事故重点要求。
　　
　　从六十年代起，中外火电机组就采用并推广了一系列火焰检测装置和炉膛安全保护系统，并制定了有关的安全规程，如美国国家燃烧保护协会（NFPA）标准。
　　
　　从七十年代起，我国从国外引进的大型火电机组配套有炉膛安全监控系统（FSSS），其运行效益证明FSSS已成为现代电站锅炉安全运行*的重要监控手段。为此，原水电部、能源部、电力部和现在的国家电力公司都把防止锅炉炉膛爆炸事故单列为一项防止电力生产重大事故的重点要求。与此同时，锅炉灭火保护技术也得到了迅猛的发展，从1988年专题研讨会对50～75MW机组要求的"炉膛压力简易保护"到简易型、普通型、过渡型，直到包含BMS的FSSS即*型。但是不论哪一种类型，都把炉膛压力保护与锅炉灭火保护紧密相连，都离不开炉膛压力保护，灭火保护与压力保护都很重要。但在实际应用中，还有不少人甚至是老热工专业人员，仍把炉膛压力保护等同于锅炉灭火保护，在概念上甚至用炉膛压力保护取代锅炉灭火保护，有的还提出用炉膛负压信号确认（串联）锅炉灭火的锅炉灭火保护方案。
　　
　　一、锅炉灭火和炉膛压力变化的原因及分析
　　
　　1锅炉灭火原因及分析
　　
　　锅炉运行中，燃料特性、运行参数等决定着煤粉着火和灭火的关系以及火焰特征。炉膛热状态下爆炸主要与燃料的热解可燃气体有关，如能配煤合理、风煤比例调整得当，一般是不会发生灭火、放炮的。在锅炉启、停过程及低负荷或变动负荷运行中，运行参数变动较大，常因进入炉内的燃料与风量控制不当而发生燃料不稳及至锅炉突然熄火。若此时未察觉濒临灭火前的燃烧不稳，又未及时采取紧急保护措施，继续让燃料进入炉膛，有可能造成炉膛外爆，即"锅炉灭火放炮"。
　　
　　通常，锅炉灭火的具体情况有以下几种：
　　
　　●变负荷运行时，由于风粉配合不当，引起燃烧不稳灭火；
　　
　　●由于低负荷运行时，容易产生下粉不均、风粉配合不协调，引起燃烧不稳灭火；
　　
　　●煤质突变，打破风粉平衡的燃烧格局，引起燃烧不稳灭火；
　　
　　●由于锅炉燃烧设备损坏，如燃烧器的磨损等，使燃烧火焰切圆，火焰中心不稳定，容易灭火；
　　
　　●由于锅炉结焦，炉膛掉大焦，冲击火焰而灭火。
　　
　　2炉膛压力变化原因及分析
　　
　　炉膛压力是表征燃烧状况的重要参数。锅炉一旦燃烧系统发生故障，zui先反映的就是炉膛压力的变化，然后才是汽包水位、蒸汽流量等参数的变化。一般，引起炉膛压力变化的原因分为送引风原因和燃烧原因两类，压力变化又分为正压、负压两种。送引风原因直接影响炉膛压力，这是比较直观并容易理解的。燃烧状况与炉膛压力变化的关系较复杂，在锅炉运行中，特别是锅炉在全炉膛灭火前，局部灭火和局部爆燃是经常发生的。局部灭火时，炉膛内出现负压；局部爆燃时，则炉膛内出现正压。这就是为什么灭火前和低负荷时炉膛正、负压急剧波动的原因，若调整不当，将导致炉膛灭火。
　　
　　炉膛灭火后炉膛温度迅速下降，炉膛内燃烧产物的容积突然减小，导致炉膛内产生较大的负压。这从理想气体状态方程式PV/T=R（R为气体常数）可知，当炉膛内烟气容积V不变时，炉膛压力P将随炉内温度T的下降而降低，炉内将出现较大的负压。加之炉内燃烧是急剧的化学变化过程，燃烧后的烟气中除包括一、二次风外，还包括燃烧时产生的CO2和水蒸汽等。当锅炉灭火时，CO2和水蒸汽大大减少，使烟气的质量流量大大减少。如果此时引风机挡板仍保持原来的开度，势必造成很大的炉膛负压，如不采取措施，则锅炉将有产生"内爆"的危险。
　　
　　炉膛内较大的负压主要在以下情况下出现：
　　
　　●锅炉灭火后，炉膛内负压增大；
　　
　　●送风机故障或挡板关闭，引风机仍运行，造成炉膛内出现较大负压；
　　
　　●MFT跳闸后，炉膛压力大幅度下降；
　　
　　●炉膛局部灭火，特别是在压力测点附近。
　　
　　炉膛内出现较大正压的原因如下：
　　
　　●锅炉灭火未能及时发现，仍有燃料送入炉膛而造成爆燃，俗称"放炮"；
　　
　　●发生炉膛灭火，用"爆燃法"点燃；
　　
　　●锅炉虽未灭火，但燃烧不稳，投入油枪助燃而造成较大正压波动；
　　
　　●引风机故障或挡板关闭，送风机仍在运行，造成炉膛产生较大的正压；
　　
　　●大块掉焦，造成较大的正压。
　　
　　3锅炉灭火时炉膛压力变化的实况分析
　　
　　锅炉灭火后产生的zui大负压与锅炉负荷、煤质情况、漏风情况等多种因素有关，每一次灭火都有不同的zui大负压。下面是某台125MW机组锅炉灭火的实况。
　　
　　（1）锅炉灭火保护装置开环运行的实况
　　
　　该锅炉在加装灭火保护装置之前，设有炉膛正、负压过大保护，整定值为正压+1200Pa和负压-1000Pa（三选二），且延时2秒MFT跳闸。在机组投产第二年，该炉灭火12次，其中就有5次未能跳闸；第三年灭火15次，8次未能跳闸。此后，加装了灭火保护装置，在开环运行的一年中，因各种原因引起锅炉灭火19次，灭火时产生的正负压保护达整定值（+1200Pa,-1000Pa）的只有8次，且达整定值的时间也长短不一。
　　
　　（2）燃烧过程自然灭火炉膛压力的变化
　　
　　锅炉灭火保护装置投闭环运行中的4次锅炉灭火实况对比如下表。　　
　　从以上4次跳闸情况可以看出，锅炉灭火后MFT跳闸前4秒（灭火后3秒跳闸）压力都向负压偏大，达到的负压值都不很大（zui大的属第4次-600Pa，小的-180Pa），未达保护整定值。4次MFT跳闸后炉膛负压都有较大的变化，两次满负荷跳闸后都超过-1000Pa,其中一次不超过-2000Pa,两次低负荷也达-1000Pa左右。这除了灭火后炉膛温度迅速下降、炉膛内燃烧产物的容积突然减少使得产生较大负压的原因外，还有一个主要的原因是MFT跳闸后跳掉了排粉机，使一次风中断，减少送风所致。从两次低负荷跳闸来看，都出现了正压，说明有局部爆燃。
　　
　　（3）运行中中断给粉后炉膛压力的变化
　　
　　下表是锅炉给粉先跳闸后的两次灭火保护跳闸情况。　　
　　从以上两次给粉跳闸中断后的炉膛变化情况看出，给粉中断后锅炉并未马上灭火（锅炉灭火后3秒钟不恢复则灭火保护动作）。炉膛负压达跳闸值所需时间分别为15秒和12秒（压力为三选二，有二点达跳闸值时延时2秒跳闸），都需时间较长，而到灭火保护动作时间分别为18秒和14.5秒，说明在负压达跳闸值前炉膛未灭火，达跳闸值时伴随着灭火或者是仍未灭火。从这两次记录看，给粉中断后能引起较大的炉膛负压变化，一般均能达到跳闸值，但需时间较长（十几秒），恢复到稳定值时间也较长（分别是33秒和20秒），而且达到跳闸值时炉膛还不一定灭火。
　　
　　4分析结论
　　
　　从以上分析可见，锅炉灭火往往伴随着炉膛负压的增大，锅炉灭火后所达到的zui大负压与锅炉负荷、煤质情况、燃烧情况、送引风及漏风情况等多种因素有关，并且在灭火后3秒钟内，负压变化往往不足以达到保护动作整定值，甚至有的灭火在停炉跳闸后仍这不到跳闸值（也有的能达到）；而炉膛负压达到跳闸值时，也并不一定意味着炉膛已灭火，尽管多数情况下，负压过大是因灭火而起。锅炉灭火与炉膛压力的变化情况，关系复杂，结果多变，灭火后所能达到的负压值、zui大值以及到达的时间，也并无一成不变的一一对应关系，而是关系复杂的变量关系，灭火时负压未改很大，负压很大时也未必灭火。
　　
　　二、锅炉灭火与炉膛压力变化关系的应用
　　
　　1锅炉灭火保护设置中应注意的问题
　　
　　（1）炉膛灭火跳闸条件的设置
　　
　　锅炉灭火后不迅速切断进入炉膛的燃料，是造成锅炉灭火放炮的主要原因。因此，在设置锅炉灭火保护时，是否灭火的判断一定要根据火检信号及相应逻辑（如每层3/4火检灭火等）来进行，切忌串入炉膛负压确认信号，否则会造成保护拒动，后果不堪设想。因为锅炉灭火时（3秒内），炉膛负压值并无定数，有的甚至变化不大。
　　
　　（2）炉膛正负压过大跳闸条件的设置
　　
　　从以上分析可见，炉膛正负压过大时，锅炉燃烧状况已大大恶化，且会危急炉墙及锅炉的钢结构等，但这时锅炉仍在运行，火焰仍在燃烧，显然此时亦是非常危险的。因此，在灭火保护中设置炉膛正负压过大跳闸保护是非常必要的。不能因为设置了火焰火跳闸保护而轻视或取消炉膛正负压过大跳闸保护，因为正负压过大时炉膛未必就已灭火了。
　　
　　（3）燃料中断跳闸条件的设置
　　
　　从前面分析可见，有两次给粉跳闸后，10秒内锅炉并未灭火，正负压也未达到跳闸整定值。但此时锅炉已处在一个非常危险的运行状态，特别是在燃料又不*中断的情况下更加危险。因此，要设置燃料中断跳闸保护，使MFT动作，立即切断所有燃料。
　　
　　2在事故分析中要重视炉膛压力变化的分析
　　
　　实践表明，锅炉一旦燃烧系统发生故障，zui先反映的就是炉膛压力的变化。从前面的分析可知，锅炉灭火与炉膛压力的变化虽然没有固定的一成不变的一一对应关系，但也可得出一些在一定条件下的灭火对应一定的炉膛压力的变化规律，它有助于进行有关锅炉的事故分析。这些规律性的关系如下表所示。　　
　　三、结论
　　
　　锅炉是火电厂的动力之源，锅炉也是火电厂的老大难（故障及事故多），而锅炉灭火及放炮则是锅炉zui常见的故障和事故，只有掌握锅炉运行的规律，特别是锅炉灭火与炉膛压力的变化规律，正确设置含有燃料中断、炉膛正负压过大和锅炉灭火等跳闸条件在内的炉炉膛安全监视保护系统，才能有效防止锅炉灭火放炮。同时，掌握锅炉灭火与炉膛压力的变化规律，就能识别明了各种锅炉灭火故障，使锅炉灭火不再那么神秘，这有利于更好地驾驭燃烧的锅炉，为电力事业的安全稳定做出更大的贡献。
　　
　　[参考文献]
　　
　　［1］嘉陵成都电厂2142MW供热机组热控培训教材上、下册，嘉陵成都电厂、武汉水利电力大学，1999-10
　　
　　［2］锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）调研综述，江苏省电力试验研究所，江苏省电力系统发电科技情报网，1995-01
　　
　　［3］防止锅炉灭火放炮研讨会纪要,［急件］电技［1989］71号，能源部电力司