鍋爐在試運和運行中發(fā)生爐膛爆炸事故是屢見不鮮的，它不僅導致了機組非計劃停機，危及機組的安全經(jīng)濟運行，還會造成嚴重的設(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、強制循環(huán)、中間再熱、平衡通風、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
當爐膛內(nèi)負壓過高，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。隨著大容量機組的發(fā)展和除塵、脫硫設(shè)備的裝設(shè)及高壓頭引風機的使用，增加了鍋爐內(nèi)爆的可能性。防止爐膛內(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(這與防止爐膛外爆相反)、增加送風量和減少引風量等措施。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、引風機等內(nèi)部積存的可燃性混合物突然同時被點燃的結(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火爆炸、滅火后爆炸和運行中爆炸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重；T1越高，P2越小，當溫度超過可燃物的著火溫度時，燃料進入到爐內(nèi)即被點燃，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，并達到了爆炸極限；三是具有足以點燃混合物的能源。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
運行人員操作順序不當，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，當遇到符合發(fā)生燃料爆燃的點火能(爐膛溫度)時，爐內(nèi)積存的可燃物會突然被點燃，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)防止點火能的出現(xiàn)。可見，鍋爐滅火時MFT動作，迅速切斷全部燃料，以及鍋爐點火前按規(guī)定程序進行爐膛吹掃，是相當重要的。
2.2 鍋爐滅火或燃燒惡化 實踐證明，鍋爐滅火是導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。在鍋爐輔機發(fā)生故障突然停運、燃燒器切換、爐內(nèi)嚴重結(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)置可靠的保護并嚴禁隨意解除
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。吹掃時要求吹掃風量大于額定總風量的30%，吹掃延續(xù)時間為 5 min，以保證對爐膛進行3～5次全量換氣，并以此吹掃風量作為點火風量。因暖爐期間的燃料量一般不超過額定燃料量的10%，這就使爐膛內(nèi)的空氣與燃料的比例偏高，即使送入的燃料未被點燃，也將被沖淡為不可燃的混合物，從而可以避免爆燃。
此外，當鍋爐因總風量低于額定總風量的25%而跳閘時，爐膛吹掃程序邏輯要求5 min的強迫通風時間，只有待5 min的強迫通風完成后，才能進行爐膛吹掃程序。當鍋爐因2臺送風機或2臺引風機停運而跳閘時，爐膛吹掃程序邏輯要求15 min的自然通風時間，只有待15 min的自然通風完成后，才能啟動引送風機運行，再進行爐膛吹掃程序。
3.1.2 設(shè)置鍋爐滅火保護
火掃器檢測運行油槍無火焰后，跳掉相應(yīng)的運行油槍；運行磨煤機層火焰故障后，跳掉相應(yīng)的運行磨煤機。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)閉磨煤機入口和出口閘板，關(guān)閉全部油槍的油閥，將引、送風量減小至吹掃風量并控制好爐膛壓力。
3.1.3 設(shè)置爐膛壓力保護 鍋爐設(shè)有爐膛壓力高低保護。當爐膛壓力極高(+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。該保護能在鍋爐滅火保護失靈時，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 嚴禁隨意解除保護 爐膛壓力高低鍋爐跳閘保護和火焰故障鍋爐跳閘保護在鍋爐啟動前應(yīng)投入運行。因設(shè)備缺陷需退出保護時，應(yīng)經(jīng)總工程師批準并事先做好安全措施，運行人員必須做好事故預(yù)想。鍋爐運行期間，嚴禁采用插火焰鑰匙的辦法模擬火焰掃描器的信號，嚴禁隨意退出火焰探頭或連鎖裝置。運行中臨時解除保護進行維護后，應(yīng)盡快恢復。
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)生是防止爐膛爆炸的重點。
3.2.1 加強煤質(zhì)管理和化驗 嚴格執(zhí)行混配煤規(guī)定，嚴格控制和化驗煤質(zhì)、煤粉細度、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，防止爐膛結(jié)焦 燃用設(shè)計煤種時煤粉細度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)定保持磨煤機最佳出口溫度、風量和運行組合方式，避免2臺磨煤機隔層組合運行。
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)申請漲負荷或投油助燃。燃用灰熔點較高的煤種并保持煤質(zhì)穩(wěn)定，調(diào)整好磨煤機運行組合方式，組織好鍋爐配風燃燒，并加強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，影響鍋爐安全運行時應(yīng)立即停爐。
3.2.3 做好監(jiān)盤和操作工作
鍋爐運行期間，運行人員除根據(jù)有關(guān)表計對燃燒工況進行監(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，對燃燒情況進行綜合判斷，仔細調(diào)整。尤其是在鍋爐啟動、停運和低負荷運行以及煤種改變時，更應(yīng)加強對運行工況參數(shù)變化的監(jiān)督，注意燃燒和風煤比的調(diào)整。當鍋爐燃燒不穩(wěn)時應(yīng)提前投油助燃，但對于已瀕臨滅火的鍋爐嚴禁投油助燃和采用爆燃法復燃。
鍋爐停止運行后，應(yīng)及時關(guān)閉油槍手動門和點火槍可燃氣的手動門。
鍋爐點火時要求用點火器點燃油槍，油槍點燃煤粉，禁止采用隔層或隔角引燃的辦法進行油槍點火。
投停磨煤機時必須按規(guī)定投油助燃。啟動磨煤機時必須進行充分暖磨，以免冷粉進入爐膛使燃燒不穩(wěn)定或加劇燃燒惡化。啟動跳閘磨煤機必須按運行規(guī)程規(guī)定進行抽粉。
當鍋爐需要在較低負荷下運行時，可停用部分磨煤機和燃燒器，使其它運行的磨煤機和燃燒器在高于最低穩(wěn)燃負荷下運行。根據(jù)煤質(zhì)的情況及時控制好煤粉細度和過磨風流量，在磨制陽泉無煙煤等硬質(zhì)煤時過磨風流量不能過大，防止在漲負荷時，突然加大過磨風流量，造成煤粉變粗，從而導致燃燒惡化。
避免鍋爐在長期低負荷下運行，或在漲負荷時煤量加得過快而二次風量增加不及時，導致煙道內(nèi)積存可燃物較多。尤其是在鍋爐啟動過程中，應(yīng)根據(jù)鍋爐燃燒情況和機組啟動的需要投入磨煤機和增加磨煤機出力，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 加強設(shè)備維護
加強鍋爐MFT保護和爐膛吹掃程序的維護。定期對油槍油閥、點火槍可燃氣閥、燃油跳閘閥、可燃氣跳閘閥和磨煤機出入口閘板進行試驗，確保閘門動作正確，關(guān)閉嚴密。發(fā)現(xiàn)泄漏點應(yīng)及時消除，并定期進行油槍的更換和吹掃工作。加強設(shè)備檢修管理，重點解決爐膛漏風、一次風管不暢、送風不正常脈動、磨煤機堵煤、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)定運行，在鍋爐爐膛防爆的工作中取得了滿意的效果。