W火焰锅炉火焰中心对运行的影响.doc

W火焰锅炉火焰中心对锅炉运行安全的影响
华能珞璜电厂 周刚
【摘要】：介绍了华能珞璜电厂W型火焰锅炉在燃烧劣质煤时候火焰中心偏移带来的问题，加于分析并提出防止措施
【关键词】： W型火焰 火焰中心 冷灰斗水冷壁横裂爆管 冷灰斗结渣 冷灰斗被砸损伤

华能珞璜电厂现有4台360MW机组，全套发电设备从法国ALSTHOM公司引进，锅炉及其附属设备由法国STEIN公司制造，锅炉型式为W型火焰、亚临界参数、中间再热、强制循环、双拱炉膛、固态排渣、燃煤汽包炉。锅炉系统和其附属设备参照法国的BOUCHAIN电厂燃煤机组设计。制粉系统采用两套中间仓储式钢球磨煤机，闭式布置，干燥介质为烟气和热风混合物，分别从两侧的冷灰斗上部抽出，乏气从前后墙送入炉内。
燃烧器采用直流缝隙式燃烧器，布置在炉膛前后拱上。每台锅炉配置有18台给粉机，36个煤粉燃烧器，每台给粉机输出的煤粉供给2个燃烧器。一次风、二次风从双拱顶垂直向下喷入炉膛，一、二次风喷口交错平行布置。这种排列有利于保证炉膛出口烟气温度和气流分布的均匀性，并形成双流程使煤粉在炉内停留时间增加，有利于无烟煤的缓慢燃烧提高了燃烬度。锅炉设计煤种为松藻无烟煤 挥发份9.31%，低位发热量21.604 MJ/kg，应用基灰30.45%。
图一 W火焰锅炉炉内空气动力场

自从2003年煤质变化以来，燃煤质量不断恶化。灰份从21%上升到35%，挥发份从10%左右下降到8～9%，热值从21MJ/KG左右下降到15～18MJ/KG，各项指标都超出锅炉燃烧的设计下限，锅炉燃烧稳定性大大减弱，安全经济性受到很大影响，除了一般的锅炉熄火，四管磨损加重外，还带来了很多原来没有遇到的问题和事故。
这些问题中比较典型的有：2004年年9月#2炉发生炉冷灰斗堆渣结焦事故；2005年2月#3炉冷灰斗前墙较大面积的水冷壁横裂爆管；2005年底#1机组负荷经常连续高负荷运行，炉底靠近右侧墙处冷灰斗后墙水冷壁管砸漏而被迫停炉事故。燃烧异常造成的锅炉事故严重威胁着全厂的安全经济运行，其危害性超过一般意义上的爆管和熄火。燃烧劣质煤如何保证锅炉安全运行已经成为摆在我们专业技术人员面前的首要问题。为此，我们从锅炉燃烧入手深入调查研究，通过分析发现，造成以上比较严重事故的共同原因就是煤质变化，锅炉火焰中心偏移正常位置造成的。
#2炉炉底冷灰斗堆渣结焦：
2005年9月10日，发现#2炉捞渣机不出渣，检查发现捞渣机顶部已经被渣、焦堵起。停炉后观察，除＃1捞渣机上部未堵死，#2、#3、＃4捞渣机上部焦渣呈钟乳石状，完全堵死。7.5M人孔观察，焦渣齐平A侧人孔。炉水冷壁四周无大量厚焦附挂现象，喷燃器无挂焦现象。
经过检修和运行及专业人员多次分析，还邀请了四川中试所搞燃烧的有关人员参加，从管理和设备及技术上深入分析了结焦的原因。
结焦的主要原因分析：
1．煤质差，灰份大部在35%左右；灰含量增加，产生的大渣量多，#1捞渣机停运检修时间过长，导致#1捞渣机上首先堆渣。
2、＃2炉燃烧特性不好，在煤质变差的情况下，着火推迟，并且进入下炉膛，一次风粉气流在向下流程中燃烧不好，加上制粉系统的工况极差，乏气风带粉多，很多未燃烧的煤粉掉下到渣斗,正遇#1捞渣机堵塞,煤粉在焦渣上燃烧(部分仍未燃烧), 逐渐产生结渣。
#3炉冷灰斗水冷壁横裂爆管
2005年2月#3炉冷灰斗水冷壁发生爆管。进入炉膛内检查发现冷灰斗水冷壁部分地方覆盖有炉渣，覆盖有焦渣的水冷壁有横向裂纹。进一步检查有裂纹管子发现，管子表面上有黑色熔融物和白色的垢层。裂纹沿管子表面横向开裂且均由外壁向内壁发展，损伤管子表面有较为严重的机械损伤麻点。
对管子上覆盖的不同形态的焦渣的能谱分析表明：覆盖在管子表面上的熔融物和黑灰色粉末主要含AI 、Si 和Fe 元素。管壁上的白色垢物主要含S 、Si、Ca、 AI,其中S元素含量高达25%（重量百分比）。沉积在管子表面的垢层中的硫及碱性物，在一定条件下形成复合硫酸盐，硫酸盐在高温下是不稳定的，发生分解而造成管子外壁的高温腐蚀。
开裂管裂纹的金相组织观察和扫描电镜观察表明：裂纹为穿晶断裂，裂纹尖端为圆钝，断裂面上有清晰的相互平行的弧行疲劳条纹，为典型的热疲劳特征。
原来肉眼观察不到的裂纹样管，拉裂后试样向火面显露出明显的宏观裂纹，其深度为1mm，表明损伤管上已经产生肉眼观察不到的微裂纹。
锅炉启动后就地观察燃烧发现，捞渣机处观火孔微微发亮，并且时亮时暗。7.5米处观火孔温度在800℃～900℃。其它正常锅炉捞渣机处观火是黑色，没有亮光，7.5米处观火孔温度的只有600℃～700℃。
产生裂纹原因分析：通过金相分析和燃烧分析，造成裂纹的主要原因是锅炉着火不稳定，燃烧推迟，燃烧不好时候一次风粉气流下冲接近冷灰斗后才开始燃烧，造成火焰冲刷冷灰斗，使此区域处于高温状态。由于燃烧处于波动状态，造成火焰时而下舔冷灰斗水冷壁，时而又上移，产生了交变热应力引起热疲劳。加上由于结渣后硫酸盐腐蚀速度非常快，在短时间内就会给管子造成严重损害，所以在有焦渣堆积的地方首先出现裂纹。
而裂纹只在前墙冷灰斗水冷壁产生的原因是在实际运行中后墙燃烧器的粉管布置过长，转向多，容易发生堵管，运行人员习惯把前墙给粉机转速加大，前墙给粉量相对较多造成火焰偏向前墙。
#1炉冷灰斗爆管事故
2005年12月18日，正值电网负荷紧张，电厂开足马力连续高负荷，为完成全年发电任务冲刺时候， #1炉多次出现运行中炉内掉大焦、大渣故障，造成捞渣机、碎渣机多次停运，更为严重的是，12月18日，在吹灰时候炉膛内落下巨大焦块，将冷灰斗水冷壁砸坏。锅炉停运后进入炉内检查，发现后墙冷灰斗水冷壁爆管从左侧开始第三根泄漏，泄漏的高压水还冲伤了前墙及侧墙水冷壁23根。第一个爆口在焊口位置，经过分析是在外来力量冲击下焊口处爆管。在冷灰斗水冷壁处没有发现吹灰枪或其它异物，故应是大焦落下造成的。
造成结大焦的原因分析：从12月1日开始以来，#1机组连续高负荷运行，锅炉热容量增加造成着火提前。后来在同等条件和燃烧工况下检查发现在离燃烧器1.7米处的28米层观火孔处火焰发白，测量后记录最高温度高达1300℃以上，其它正常运行锅炉为1100℃～1200℃，证实了着火提前火焰中心过高。另外在爆管前一段时间煤质变化大，灰份含量12月18日达到37.78%，导致锅炉容易结焦。
以上事故发生都在冷灰斗水冷壁，分析其原因主要就是火焰中心偏移正常位置。煤质不好就出现燃烧着火推迟，火焰下冲冷灰斗；在连续高负荷、热负荷高、燃烧好的锅炉则造成着火提前，结大焦砸伤冷灰斗水冷壁。
根据了解，近几年有很多燃烧劣质煤的W火焰锅炉都发生过严重的炉底结渣、横裂爆管、和其它燃烧异常引起的类似事故。为什么会造成这些事故呢？主要原因有：
28米 观火孔
捞渣机观察孔
图二W火焰正常火焰中心
1、 W型火焰锅炉的特性是火焰中心容易上下波动。W火焰锅炉炉内煤粉与一次风气流向下喷进炉膛后起初向下流动，在二次风的伴行下渐渐弯曲上升而在炉膛中形成大W型火炬。从炉内流动图谱的正确组织来看，W型火炬应该把大部分炉膛容积充满而加以利用。在着火距离发生变化时候，火焰中心就会容易发生向上、向下偏移。如果着火提前，火炬转向太早，W型火炬很短，那样炉膛充满不良，炉膛上部靠近燃烧器处附近和四个墙角部位容易结焦；如果着火推迟，火炬转弯过晚，W型火炬就会冲击炉墙下部。火焰中心不正常短时也许不会带来太大问题，但长时间运行就会给锅炉安全运行带来极大的威胁。我厂锅炉正常火焰中心和几次事故火焰温度场及火焰中心变化简图如下所示：
正常火焰中心正常火焰中心，燃烧器出口观火孔处为金黄色火焰，温度在1000℃～1200℃炉底捞渣机处观火孔看不到亮光，温度低，测不到温度。
28米观火孔
煤粉气流
捞渣机观察孔
图三 #2炉燃烧异常火焰中心

#2炉着火推迟严重，在煤粉气流下冲阶段没有燃烧，在转向后才开始燃烧，造成炉底堆渣。燃烧器出口观火孔处看不到连续火焰，温度在700℃～1000℃。炉底捞渣机处观火孔看不到亮光，经常看到未燃完的煤粉，温度低，测不到温度

捞渣机观察孔
图四 #3炉燃烧异常火焰中心
28米观火孔

28米观火孔
捞渣机观察孔
图五 #1炉燃烧异常火焰中心
#3炉着火推迟，火焰直接冲刷冷灰斗造成炉底水冷壁横裂。燃烧器出口观火孔处看不到连续火焰，温度在900℃～1100℃。炉底捞渣机处观火孔可以看到亮光。

#1炉着火提前，火焰上移造成结大焦砸伤冷灰斗水冷壁。燃烧器出口观火孔处火焰明亮，部分呈刺眼白色，温度在1200℃～1400℃。
2、 对W火焰锅炉运行的特性了解不足。W火焰锅炉在国内运行时间只有十多年，国内外对于W型火焰锅炉的炉内动力场缺乏系统的理论研究，没有指导W型火焰锅炉运行的成熟理论，特别是没有在煤质大幅变化下运行经验。大家对这种炉型对煤质变化的适应性了解还不够清楚，对火焰中心变化带来的危害性估计不足。
3、 运行人员和管理人员对燃烧的判断过于依赖炉膛负压、水位和炉膛温度监视。但是W火焰锅炉下炉膛布置大量的卫燃带，基本上是绝热燃烧，虽然燃烧器出口着火推迟但是火焰转向后仍能稳定燃烧，火焰的稳定性很好，炉膛负压、水位、和炉膛温度监视并不能真实反应炉内火焰的分布和充满度，这几次着火距离发生虽然发生变化，炉膛负压和水位却能保持相对稳定。加上由于火焰中心变化的幅度不大，对主汽、再热汽温也没有造成明显影响，没有引起运行人员和技术人员的重视。
结论和措施：
煤质变化会对锅炉着火发生很大影响，引起W型火焰上移或者下移，如果不重视就会造成很多严重的事故。为此需要采取以下措施：
1、 加强对锅炉着火情况和火焰中心的巡视检查。改变原来认为只要锅炉炉膛负压稳定、炉膛温度稳定燃烧就正常的观念。要求运行巡视人员每班至少到锅炉观火孔检查火焰四次，特别是28米层观火孔和捞渣机观察孔，发现结焦或者火焰上移或者下移都要及时通知机组人员和值长，机组人员根据火焰和燃烧情况，及时调整。
2、 进行混煤燃烧。由于单纯松藻无烟煤挥发份降低，热值降低，灰份增加超过锅炉的稳燃极限。为了保证让煤粉着火正常，我们在无烟煤中掺入20%～30%的贫煤，把挥发份提高到10%。采取混煤燃烧后燃烧大大好转，火焰也很少发生偏移现象。
3、 运行中加强配风工况调整，调整拱顶二次风A、B、C的开度，使火焰不贴壁；调节二次风使其提供充足的氧量保证煤粉的充分燃烧；调节一次风，使火焰长度合适；控制氧量在4%-6%之间，严防缺氧燃烧，在缺氧状态的还原性气氛中灰熔点会大幅下降，诱发严重的结焦、积渣。
4、 在发现火焰下移时候要立即减少拱顶风，开大靠近炉膛中心的C排风，开大减小一次风压，开大侧墙三次风，抬高火焰。如果着火推迟严重以上调整没有改观时需要暂时投油助燃。
5、 发现着火提前，火焰偏高则要开大拱顶风，增加贴壁风A、B排风量，增加一次风压，关小侧墙风把火焰下压。
6、 根据煤种的变化情况及时进行燃烧调整，避免大起大落，幅度太大。
7、 坚持锅炉定期吹灰工作，根据汽温变化、减温水量变化锅炉垮灰、垮焦情况可适当增加吹灰次数。
8、 燃料上煤煤质发生变化时，要及时向值长汇报清楚。值长要通知到机组长及值班人员，并做好记录，以便值班人员提前做好预想。
通过采取以上措施后锅炉运行的稳定性好转，没有发生因为燃烧问题引起的爆管，但是对W火焰锅炉燃烧劣质煤的安全问题仍然需要专家和专业人员不断探索和实践。
结束语：W火焰锅炉火焰中心长期偏离正常位置，会给锅炉安全运行带来极大的隐患，如爆管、结焦、积渣等，必须引起W火焰锅炉运行人员和技术人员的重视。在当前煤质恶化的情况下，要加强燃烧调整、采取混煤燃烧等措施保证锅炉安全稳定。

参考文献：
【1】 《2027t/h“W”火焰型锅炉结焦、积渣原因分析》作者：秦占峰　黄贵臣　李道波
全国火电大机组（600MW级）竞赛第9届年会
【2】 《“W”火焰型锅炉及其应用现状》作者：车刚 郝卫东 电站系统工程 第20卷 第一期