火电厂炉膛燃烧不稳定预判研究.pdf

第 3 O卷第 6期 湖南电力 HU N A N E L E C T R I C P O WE R 2 0 1 0年 1 2月 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 1 9 8 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 0 8 火电厂炉膛燃烧不稳定预判研究 刘文丰，李劲柏 ，陈思铭 湖 南省 电力公 司试验研 究院 ，湖 南 长 沙 4 1 0 0 0 7 摘要 基于火电厂因煤质变化等因素 引起的燃烧不稳定现状 ，分析典型炉膛燃烧方式 下锅炉不稳定燃烧时负压、火检等各种表征参数的变化特性，对相关理论进行深入研 究，设计 出炉膛燃烧不稳的预判模型和判据，提醒运行人 员对燃烧及时干预 ，减轻劳动 强度 ，减少电厂锅炉的灭火机率，提 高火电机组运行的经济性和电网运行 的稳定性。 关键词炉膛燃烧 ；不稳定 ；预判 ；煤质 中图分类号 T M 6 2 1 ． 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 8 - 0 1 9 8 2 0 1 0 0 6 - 0 0 2 7 - 0 4 Th e s t ud y o f a n t i c i pa t i o n f o r t he u n s t a b l e c o mbu s t i o n i n t he f u r na c e o f t he r ma l po we r p l an t L I U We n - f e n g ，L ／J i n - b o，C HEN S i mi n g H u n a n E l e c t r i c P o w e r T e s t ＆R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h a n g s h a 4 1 0 0 0 7 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e i n s t a b i l i t y c a u sed b y t h e c h a ng e o f c o a l q u a l i t y，t h e c h a ng i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f n e g a t i v e p r e s s u r e a n d fi r e d e t e c t i n g u n d e r u n s t a b l e c o mb u s t i o n w e r e r e s e a r c h e d and t e l a t e d t h e o rie s we r e s t u d i e d i n d e pt h ． F u r t h e r mo re，a n u n s t a b l e c o m b u s t i o n p r e j u d i c a t i o n mo d e l a n d c ri t e ri o n o f u n s t abl e c o mb u s t i o n w e re d e s i g n e d ．I t C an r e mi n d t h e w o r k e r s o f i n t e r v e n i n g t h e c o mb u s t i o n p r o mp t l y， an d r e d u c e l ab o r i n t e n s i ty an d t h e p o s s i b i l i t y o f fla meou t ． I t a l s o C a ll i n c rea s e t h e e c o n o mi c al e ff i c i e n c y o f t h e t h e rm al p o we r g e n e r a t i n g u n i t s a nd i n c r e a s e t h e s t a b i l i t y o f p o w e r n e t w o r k o p e rat i o n ． K e y wo r d s f u ma c e c o m b u s t i o n ；u n s t abl e ；p r e j u d i e a t i o n ；c o a l q u a l i ty 燃煤锅炉灭火事故一直是困扰火电机组安全生 产的老大难 问题 ，锅 炉运行 中，往往 由于煤质下 降、煤种变化、给粉不稳定、炉内掉焦、设备异常 或运行操作等因素 ，引起燃烧不稳定 ，造成炉膛突 发性灭火事故 ，给机组的稳定 、经济运行带来了严 重威胁 。 近年来 ，因燃煤质量普遍下降，锅炉灭火事故 明显增多 ，稳燃能力较强 的大容量锅 炉也时有发 生。为此 ，如何减少因炉膛燃烧不稳导致 的锅炉灭 火问题 ，已成为火电机组燃煤锅炉的当务之急。而 炉膛燃烧是否稳定需要监视大量运行参数 ，目前均 靠运行人员 自行监视 ，并根据经验进行判断 ，很容 易出现误判、漏判 ，且易造成运行人员精神疲劳 。 收稿 日期2 0 1 0 - 0 7 - 0 6 1 课题研 究的意义 锅炉炉膛燃烧不稳定是直接或间接造成锅炉异 常灭火 、火电机组非停的重要原因，随着燃用煤种 多变、煤质较差的火电机组的增加 ，有必要分析炉 膛燃烧不稳定 的各种表征现象 ，对各燃烧不稳定工 况的特性及控制难点进行研究。 针对各种典型炉膛燃烧方式的火电机组，对炉 膛燃烧不稳定 的情况进行研究 ，将 火焰强度信号 、 炉膛负压等关键参数全面、综合分析作为判断炉膛 燃烧是否稳定的评估手段， 并依据实际情况设计出 相应的监控策略。当出现燃烧不稳 的工况时，进行 预警或采取联锁控制措施 ，减轻运行人员的劳动强 度，直接减少火电厂的灭火、非停机率，减少锅炉 2 7 第 3 O卷第 6期 湖南电力 2 0 1 0年 1 2月 重新点火的燃油等消耗，减少机组非停损失，提高 火电机组运行的安全性和经济性，同时提高电网运 行的稳定性 。 2 锅炉燃烧表征参数特性分析 2 ． 1 炉膛负压特性 炉膛负压模拟量参数是锅炉稳定运行的一个重 要控制变量，其开关量定值动作信号也是锅炉 MF F主保护条件 。对多个火 电厂大量 的锅炉 灭火 案例 进行搜 资整理后，发现绝大 多数 高参数 3 0 0 MW及 以上的锅炉 MF T首出原因为炉膛负 压开关 三取二动作；部分灭火后 M F T首出为 全炉膛丧失火焰，这种情况在低参数 2 0 0 M W及 以下锅 炉中常见 ；还有些锅炉灭火案例 中，由 于炉膛负压测点取样存在漏风现象，或者 D C S组 态中全部火焰丧失 MF I 逻辑 比较苛刻 ，导致在锅 炉燃烧濒临灭火时全炉膛 M F T条件提前动作。 湖南省某电厂 3 0 0 M W机组采用 D G 1 0 2 5 ／ 1 8 ． 2 一 I I 1 5型锅炉 ，设计 燃用无烟煤 ，采用 “ w 型” 火焰燃烧 ，1 8个双旋风煤粉燃烧器分前后墙布置 ， 制粉系统采用双进双出钢球磨煤机正压冷一次风机 直吹式系统 ，每 台锅炉配 3台磨煤机。F S S S系统 采用 Ma x D N A分散控制系统。 。 2 o o 9年 7月 2 5日，电厂应调度要求将 1 号机 组停机 ，对锅炉采用逐步减少燃料的方法 ，最后炉 膛压力低二值 M F I “ 保护动作停炉，过程曲线如图1 所示。图1中，曲线①为炉膛负压，曲线③为M F T 动作 ，可以看 出锅炉在缺燃料的情况下 ，燃烧极 不稳定，炉膛负压波动逐步放大的趋势明显。 2 8 2 0 0 9年 8月 3 13，1 号机组维持高负荷正常运 行过程中，因电气故障致汽机跳闸，机跳炉 M F T 保护联锁锅炉灭火，动作过程 曲线如图2所示。图 2中，曲线 ①为炉膛 负压 ，曲线③ 为 MF I 动作。 由图 2与图 1曲线 比对可看 出锅炉在 MF T动作 前燃烧稳定 ，炉膛负压平稳 ，无大的扰动。 图 2 机 跳 炉 MF T灭 火曲线 贵 州 某 电厂 2 0 0 MW 机 组 工 程 9号 炉 为 WG Z 6 7 0 ／ 1 3 ． 7中间再热、 自然循 环煤粉炉 ，采用 中间储仓热风送粉系统 ，采用上面 2层四角切圆直 流燃烧器 ，下面 2层水平浓淡型煤粉燃烧器。F S S S 系统采用 X D P S一 4 O O分散控制系统。 2 0 0 9年 1 O月 6日，9号炉 因燃烧不稳定 ，全 炉膛灭火 M F r 保 护动作停炉 ，过程 曲线如图 3所 示。图3 中，曲线③为 M F I 动作，曲线④为煤火 图 1 锅炉主动减燃料灭火曲线 图3 不稳定燃烧全炉膛灭火 M F T曲线 第3 0 卷第6 期 刘文丰等火电厂炉膛燃烧不稳定预判研究 2 0 1 0 年 1 2月 焰信号，曲线⑥为炉膛负压。由图 3可以看出，在 锅炉不稳定燃烧灭火前 ，炉膛负压和火检均有较大 的波动情况。 从锅炉运行经验和几种不同方式的灭火案例综 合数据看出，炉膛负压对锅炉燃烧波动有 比较强 的 敏感性。在燃烧受到扰动时 ，负压 的模拟量参数会 有明显 的波动现象，这也是运行人员感观判断炉膛 燃烧情况 的一个重要依据。在分 析锅炉燃烧过程 时 ，适 当地分析出负压参数的变化特性，有利于运 行人员适时了解锅炉燃烧状况 ，及时对有不稳定趋 势的燃烧情况进行调整。 2 ． 2 火检参数特性 锅炉火检模拟量、开关量参数变化也是表征锅 炉燃烧状况的重要指标。经验丰富的运行人员 ，一 般会观察炉膛火焰 电视以及 D C S操作员站 画面上 火检模拟量闪烁情况 ，综合锅炉相关参数来判断炉 膛燃烧是否稳定 。 湖 南 某 电 厂 2 1 0 MW 机 组 工 程 2号 炉 为 H G 6 7 0 ／ 1 3 ． 7 2一WMI O型 自然循环煤粉炉 ，采用 四 角切圆燃烧系统和中间储仓式热风送粉制粉系统 ， 配 4台 D T M3 5 0 ／ 6 0 0型钢球磨煤 ，燃烧器设计采用 一 次风相对集 中、二次风分级送入的无烟煤燃烧器 布置方式。F S S S系统采用 XD P S一 4 0 0分散控制系 统。 2 0 1 0年 4月 1 0日，2号炉炉膛燃烧波动 ，导 致全炉膛火焰丧失 M F T灭火保护动作，过程曲线 如图4 所示。图4中，曲线①为炉膛负压，曲线④ 为其中一个煤火焰信号，曲线⑤为氧量信号，曲线 ⑦为全部火焰 丧失 S O E信号 ，曲线⑧ 为 MF T动 作。由图4可以看 出在锅炉不稳定燃烧灭火前 ， 炉膛在投运的煤火检均有较大的波动情况 。 统计历史数据表明，2号炉灭火 2 0 mi n 前 ，燃 烧显示正常的煤火检模拟量每分钟闪烁 振幅大 于某定值次数均小于 1 0次，在 M F T动作前 1 ra in闪烁次数增加到 1 5 次左右。说明锅炉煤火检 模拟量信号在表征炉膛燃烧稳定性方面，有一定的 参考价值。此外，将设置了合理参数的火检开关量 信号综合计算会发现 ，在燃烧不稳定濒临灭火状态 下 ，火检开关量消失的速率会显著加大 ，这在预判 锅炉不稳定上也有实际操作意义。所以，如果使用 合理的逻辑运算公式 ，计算 出模拟量数据波动趋 势，结合开关量变动速率，能适度提醒运行人员干 ⋯s ⋯ 。1 h ‘ -’， B⋯r 、 ， I - 】 ～’ l ⋯ 。 ’ n h ● _ ， E ⋯● ‘ ’ l ⋯{ t R ’ ； ， | 嚣 ； ；0 ￡ 赫 f * 舯 ／ ／ l l 豳 衄 J I l 一 ＼ ⋯ ． ． ⋯。 、 口t 、 ⑤氧 量 幽 、 一 、 一 I ④ 火检 I 厂 _ 、、 _ 、 ～ ． 、 ① 负 U D4月 lo 日 图 4全 炉膛 火焰 丧失 MF r曲 线 预炉膛燃烧 。 2 ． 3 氧量、 汽包压力等参数特性 与前面介绍的炉膛负压和火检响应明显的参数 不 同，在炉膛燃烧波动情况下 ，烟气氧量和锅炉汽 包压力的响应不会有那么剧烈。但司炉人员在调整 燃烧过程 中，不同的燃烧状态下 ，一般都会配置 自 己认为合理的空预器后烟气氧量 ，使锅炉燃烧达到 最佳状态 。因此 ，燃烧变化过程中，合理的氧量变 化趋势对炉膛燃烧的稳定性有帮助 。 实际应用 中发现 ，在锅炉灭火前短时间内，汽 包压力变化趋势的波动 比较明显 ，利用它在逻辑中 及时动作 ，在屡 次锅炉灭 火 燃烧 波动 或掉焦 处理中有 比较成功的避免灭火经验。 在协助锅炉燃烧方面 ，也可通过分析锅炉壁温 等燃烧辅助参数的变化趋势，研究其在燃烧不稳定 工况下的特性 ，为预判燃烧不稳定提供判定支持 。 3 锅炉燃烧不稳定预判实现 3 ． 1 “ 全炉膛” 火焰概念建立 针对 目前 国内火 电机组 F S S S炉膛火焰管理一 般只对锅炉燃烧各油、煤火检单独考虑的现状 ，本 课题首次提出大炉膛火焰概念。即综合考虑锅炉燃 烧过程所有在投运煤嘴火焰强度、频率 稳定燃 烧工况下 ，暂不考虑油火检 ，不论锅炉所带 的热 负荷大小及煤质等如何变化 ，均能全局分析整个炉 膛火焰燃烧品质。研究设计全炉膛火焰参数动态模 型，用于表征整个炉膛燃烧实时状态 ，既方便运行 人员随时了解锅炉运行过程的健康状态，也为不稳 2 9 第 3 O卷第6期 湖南电力 2 0 1 0年 1 2月 定燃烧工况提供判定依据。 3 ． 2 燃烧监测与报警 对 电厂锅炉实际灭火情况 ，充分研究参数变化 特性资料，不断比对改进 D C S内燃烧不稳定预判 计算组态公式；另外，机组开机后， 结合各参数实 际运行特点 ，进行反复运行试验，得出适应于本锅 炉燃烧特点的全炉膛燃烧 “ 大火焰 ”合理模 型计 算公式，经改进后的组态下装后， 供运行人员监控 使用 ，最终得出燃烧不稳定预控指标。 依据国家能源局发布的 D L ／ T 5 4 2 8 2 0 0 9 火 力发电厂热工保 护系统设计技术 规定第 6 ． 2 ． 4 条第2款规定，锅炉安全监控系统中具有 “ 临界 火焰”监视逻辑时，在没有取得经验前，可只作 为报警信号。因此 ，在使用炉膛燃烧预判特性参数 指标 ，特别是利用全炉膛 “ 大火焰 ”模型时 ，可 以设置适度的报警值 ，提醒运行人员干预燃烧 。如 需使用其达到联锁设备 如紧急投油 保护锅炉 的目的，一定要有确保锅炉系统安全的前提 ，设置 安全、合理的定值指标 ，禁止临界灭火状态下紧急 投油促燃。 4 结束语 对煤种多变、煤质较差的火电机组 ，火电厂炉 膛燃烧不稳定预判研究成果分析出各种典型炉膛燃 烧方式的火 电机组炉膛燃烧不稳定 的各种 表征现 象 ，为炉膛燃烧不稳定时果断采取有效控制措施指 导、协助锅炉稳燃 ；而对煤质相对较好的火 电机组 也能起到预警和帮助 ，应用前景 良好 。 参考文献 [ 1 ]王春昌．燃煤锅炉常见灭火事故分类研究 [ J ] ．中国电力， 2 0 0 7 ，4 0 5 3 9 - 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