引进型煤粉锅炉炉膛防内爆设计压力研究

汤晓舒，彭红文，谈琪英

(北京国电华北电力工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

近年来，越来越多的新建机组同步建设脱硝、脱硫装置，部分机组为达到粉尘排放要求，采用了布袋除尘器或电袋除尘器，这些措施使得锅炉烟气系统配置的变化增加，导致烟道阻力增加，引风机压头越来越高。锅炉炉膛防内爆设计压力(即炉膛设计瞬态负压)的选择与引风机的压头有一定关系，目前国内外的相关规程规定存在着一定的矛盾，近年来随着烟气系统总阻力的增加，各工程在锅炉炉膛设计瞬态压力的选取上不尽统一，且有不断升高的趋势。因此，研究炉膛承压能力取值，对规范设计、合理控制工程造价有着重要的意义。

根据目前锅炉机组的应用情况，本文对引进型煤粉炉的锅炉炉膛防内爆设计压力进行研究。

1 锅炉炉膛防内爆压力选取现状分析

国内现行的锅炉炉膛防内爆压力选取的相关规程有：DL/T5121—2000《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（以下简称《烟规》）[1]和DL/T435—2004《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》（以下简称《炉膛防爆规程》）[2]。

上述规程均参考了美国NFPA8502《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆标准》。目前最新版本为NFPA85 2007 Edition《Boilerand Combustion Systems》[3](NFPA85《锅炉和燃烧系统》2007年版)，以下简称NFPA85-2007。

1.1 国内现行技术规程的规定

（1）按《烟规》9.5.7条说明，引进型锅炉炉膛防爆设计压力按NFPA8502《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆规程》规定应满足下列要求：a）瞬态负压按环境温度下吸风机试验台风压确定，但不必要求低于-8.7 kPa（通常取-8.7 kPa）。b）当锅炉尾部采用的烟气净化设备阻力较大，环境温度下吸风机试验台的风压低于-8.7 kPa时（如-10 kPa），必须考虑增大的设计负压。

（2）按《炉膛防爆规程》3.2.1条炉膛结构设计说明：a）炉膛结构应能承受非正常情况所出现的瞬态压力。在此压力下，炉膛不应由于任何支撑部件发生弯曲或屈服而导致永久变形。b）炉膛设计瞬态压力不应低于±8.7 kPa，有关说明见附录B。c）无论由于什么原因使引风机选型点的能力超过-8.7 kPa时，炉膛设计瞬态负压都应考虑予以增加。

1.2 NFPA85-2007的规定

NFPA85-2007关于炉膛设计瞬态负压取值的规定如下：

当炉膛压力控制系统依照6.5.2时，炉膛设计瞬态负压取值为-8.7 kPa，不必要求高于此值。当环境温度下引风机TB点能力低于-8.7 kPa，如-6.72 kPa，炉膛设计瞬态负压可按环境温度下引风机TB点能力选取，不必高于此值。

其附录中对此给予了说明：由于空预器下游风压损失较大或其他原因（如风机试验台裕度过大）而导致引风机压头增加，当引风机试验台能力高于-8.7 kPa较多时，应考虑增加设计负压。例如，环境温度下引风机TB点能力为-3.7 kPa，最小的设计瞬态负压为-3.7 kPa；环境温度下引风机TB点能力为-9.9 kPa，最小的设计瞬态负压为-8.7 kPa。

1.3 锅炉炉膛防内爆压力选取现状

锅炉炉膛防内爆压力（炉膛设计瞬态负压）的选择与引风机的压头有一定关系，由于脱硫装置、脱硝装置、布袋或电袋除尘器的设置，使得锅炉烟道阻力有所增加，当同时采取上述措施时，引风机压头大幅提高，造成引风机环境温度下的TB点压头高于或远高于8.7 kPa。

随着烟气系统配置的多样化以及对国内外标准的不同解读，目前工程中对炉膛防内爆压力的选取不尽统一。一些工程将炉膛设计瞬态压力提高至±9.8 kPa或±9.9 kPa、±9.98 kPa，甚至更高，但也有部分工程仍采用±8.7 kPa。

炉膛设计瞬态压力的提高，一方面提高了锅炉设备的造价，另一方面也受炉膛结构设计的限制。对于大容量高参数机组，炉膛截面较大而水冷壁管径较细时，带来的问题会更加严竣。在设计配合中，各锅炉厂均表示对于大机组炉膛设计瞬态压力±9.98 kPa已基本上达到炉膛结构设计的极限，且国外锅炉在增加脱硫系统和脱硝系统后，炉膛设计瞬态压力并没有增加。

参数越高的锅炉，提高炉膛设计压力在结构上实现的难度越大。对于超超临界锅炉的刚性梁间距更小，如防爆压力再增加，炉膛结构将难以实现。

综上所述，对炉膛设计瞬态压力应进行深入的分析，合理选取，不宜一味增加炉膛设计瞬态压力的取值。

2 锅炉炉膛内爆分析

炉膛内爆是由于烟气侧压力过低而造成的。当送、引风机运行不正常导致炉膛处于过高的引风压头下，或者由于燃料输入量迅速减小，或总燃料跳闸（MFT）导致烟气温度和压力急剧降低（会引起使炉膛负压（绝对值）大幅增加），以及这2种恶劣工况的组合会极易导致炉膛内爆。

在NFPA85-2007标准中，按引风机在环境温度下的试验台（TB点）能力作为炉膛内爆时的瞬态承压能力，为不使锅炉造价过高，将承压能力限制在-8.7 kPa的范围内。

目前，我们遇到的问题是引风机在环境温度下的试验台（TB点）能力超过了8.7 kPa，根据可能发生内爆的情况来看，引风机的影响在于如果全部的送风机调节挡板或风门关闭，而引风机又在调节挡板或风门开启的情况下运行，此时烟道所产生的阻力很小，使炉膛承受的压力几乎是引风机所产生的压头。由于在环境温度下，引风机的压头高于在运行温度下所产生的压头，因此冷态启动时，如发生上述的问题，就会出现炉膛内爆。

因此，对于高压头引风机一个值得讨论的关键问题是，是否需要考虑烟道通路的关闭。

3 炉膛压力控制策略分析

NFPA85-2007标准[3]中不仅强调足够的结构强度，还强调正确的操作和维修顺序、燃烧和送风控制设备和安全连锁、报警、跳闸对锅炉安全运行必不可少的其他控制设备的重要性。

文献[2]和文献[4]的炉膛压力控制策略均与NFPA85-2007的要求一致，制定了防止炉膛内爆的保护，包括相关连锁动作和操作顺序的要求。

3.1 防内爆保护系统

炉膛压力控制系统（内爆保护）的系统要求见图1。

图1中：（A）炉膛压力控制子系统需控制风压调节设备的位置，以保持炉膛压力在要求的定值点上；（B）、（C）压力变送器及监控系统使机组在炉膛压力测量有故障的情况下安全运行；（D）前馈指令信号代表锅炉需要风量的指令信号，尽量减小炉膛压力调节的波动；（F）自动/手动切换站后，总燃料跳闸信号，触动前馈动作（G），尽量减小压力波动；（E）炉膛负压偏差大时，控制系统实现风机超驰动作或直接闭锁，即引风机的控制装置向减少偏差的方向返回或对所有能引起炉膛负压偏差增大的相关终端控制元件进行方向闭锁，禁止其向可能会增加偏差的方向移动；（H）负压调节控制部件，指炉膛压力控制执行元件，如风机入口挡板的调节装置、风机转速的调节装置、轴流风机叶片节距的调节装置等。

另外，使用轴流风机时，须避免风机在喘振状态下运行，以避免空气或烟气不可控的变化。

3.2 风机启停顺序控制的要求

风机启停顺序控制要求在所有运行工况下，确保从送风机入口到烟道有1个通畅的气流通道。最小空气通道断截面须不小于风机运行时吹扫空气流量需求的面积。例如：（1）在引风机启动前，从送风机入口一直到引风机入口的整个通道内，所有风量调节挡板及关断挡板均应开启，还须打开足够的隔离挡板、风箱挡板、调节器以及其他控制挡板，以确保气流通道畅通。（2）当配有多台送、引风机时，停运风机的所有流量控制装置和关断挡板均应打开，直到第1台引、送风机投入运行来维持炉膛压力以及有通畅的流量通道后，才可关闭停运的送、引风机的控制装置和关断挡板。（3）启动时，先启动引风机，后启动送风机。停运风机的操作顺序与启动操作顺序相反。（4）启、停风机时所用的方法以及有关控制设备的操作都应尽量减少炉膛压力和风量的波动。一旦情况允许，应尽快投入炉膛压力控制系统，使炉膛负压保持在自动控制下。（5）无论是什么原因，在停最后1台送风机或引风机时，其调节挡板应在风机停后经过一段时间的延迟再开启，或调节板的开度能受到控制，以避免由于风机惰走使炉膛风压出现大的波动。

炉膛控制策略还应包括设置必要的报警和连锁保护，例如，应设置炉膛压力高连锁保护、炉膛压力低连锁保护、送引风机事故跳闸连锁保护、方向闭锁或风机控制装置超驰动作报警、炉膛压力变送器故障报警等。

3.3 锅炉厂推荐的炉膛压力保护定值

根据NFPA85-2007，炉膛压力控制系统(内爆保护)必须控制炉膛压力在要求的定值点上。文献[3]和文献[4]等均与NFPA85要求一致。

因此，各锅炉厂都据此制定了炉膛压力的报警、保护定值。以下对国内四大锅炉厂的炉膛保护定值数据进行了收集和整理，详见表1。

由表1可知，由于引进技术不同、炉型不同、锅炉结构不同，炉膛压力保护条件也有所不同，但均设有报警值和主燃料跳闸（MFT）值，部分工程设有风机跳闸值和延时动作值。

表1 部分工程锅炉炉膛保护定值汇总表Tab.1 Boiler furnace protection setting summary

炉膛压力正常运行的高、低限值都比较小，当炉膛负压超过了正常运行的高、低限值而达到高Ⅰ值、低Ⅰ值时，首先报警，提示运行人员注意并及时进行运行调整；当炉膛负压继续变化达到高Ⅱ值、低Ⅱ值时，MFT动作；一些工程当炉膛负压继续变化达到高Ⅲ值、低Ⅲ值时，跳闸送风机和引风机。

三菱公司的炉膛压力MFT保护定值显著高于其他公司的定值，哈锅解释炉膛压力控制的原则时说明三菱公司的锅炉在其控制逻辑中可以将炉膛压力控制在一个有限的范围内，当锅炉压力变化趋势将要超出限制范围时，控制逻辑会调整送、引风机的调节叶片（方向闭锁），控制炉膛压力在限定的范围内。在1991年版NFPA第5章炉膛内爆保护5-4.2.2节中论证了当炉膛内压达到一定值后，风机解列。在2002年版后的NFPA中，关于炉膛内爆保护的章节中，无风机解列的论证。因此三井巴布科克公司的炉膛保护方式是按1991年版NFPA标准，而三菱公司的炉膛压力保护方式是按2002年版NFPA标准。

虽然保护定值有所不同，但引发MFT动作解列锅炉以及解列风机的炉膛正、负压值，一般均低于炉膛设计压力，更低于炉膛防爆压力，因此，可以作为有效保护锅炉炉膛的手段之一。

3.4 炉膛压力控制策略分析

从上述炉膛压力控制策略中可以看出，保证从送风机入口至烟囱的通风通道畅通是炉膛压力控制策略的重要内容之一，当炉膛压力控制系统符合NFPA炉膛防内爆的有关规定，风机启动、运行、停机的各工况下均应保持烟风道的通畅，不得关闭。

NFPA85-2007标准指出，没有一个标准可以保证消除炉膛内爆，其标准提供了设备加固和操作步骤、控制系统以及联锁系统的限制和可靠性间的一种平衡，以使导致炉膛内爆的条件发生的概率最小。如果引风机压头增加太大，应当对引风机的特性做特殊考虑，或特殊烟道设计、或特殊仪表或控制系统，而非单方面一味地靠增加设备强度来解决。

《锅炉炉膛防爆规程》[2]中对炉膛设计瞬态承压能力，即防爆压力进行了说明，其中提到将此压力定为±8.7 kPa，虽然比以往国产锅炉炉膛设计压力提高了2～3 kPa，但在承受内爆方面也只能承受总燃料跳闸后炉膛内所出现的负压，而不能承受引风机在环境温度下选型点的压力超过-8.7 kPa（绝对值），同时冷态启动又发生误操作或在炉膛全部灭火时发生误操作所出现的严重内爆。因此，防止炉膛内爆的安全保护系统是不可缺少的。同时运行人员也应十分清楚可能发生内爆的各种原因，熟悉锅炉的特点以及所采用的安全保护系统的功能，即使如此，仍有可能出现意外，因此，运行人员只能充分利用已有的安全保护系统，而不能完全依赖它。运行人员仍应随时注意运行状况的各种变化，一旦出现危险状况，应及时主动处理。

防止炉膛爆炸的要求涉及到火力发电厂工程的设计、设备的选型和制造，以及安装和运行各个环节。要求各有关部门紧密配合，按规程的要求，对设备做出正确的选择，特别是业主单位应及早参与有关建设的全过程，掌握和熟悉各设备的配置情况和性能，配备能胜任设备的运行与维护工作的人员，并编制出相应的运行及维护规程。

当采用完善的控制系统时，烟道系统设计压力可不考虑烟风道通路关闭的情况，但应重视设计保护措施的严谨性、可用性，严格按规程要求设置可靠的炉膛压力保护系统并严禁随意解除，保护系统在锅炉启动前应投入运行，防止锅炉调试、运行期间误操作引发炉膛内爆事故的发生。

4 风机形式对锅炉炉膛防爆的影响

近年来，国内大型机组引风机大多采用轴流风机，也有部分机组采用离心风机。图2为离心风机与轴流风机的性能特性曲线示例，从风机特性曲线可以看出，在流量为0时离心风机压头较高，轴流风机相对低一些。

就系统阻力特性而言，当介质流量越大时，炉膛承受的压力相对于引风机入口的吸力衰减越多，流量较小时，炉膛承受的压力与引风机入口吸力越接近；从特性曲线对比可以看出，轴流风机即使在风机叶片开度较大而烟气通道出现问题时，其失速曲线决定了小流量时压头降低，而离心风机则会在小流量下压头较高。因此，就防止炉膛内爆的角度而言，采用轴流风机较为有利。

5 锅炉炉膛设计瞬态负压选取

综上所述，对于锅炉，尤其是超临界、超超临界的大型锅炉，不能单纯提高锅炉炉膛瞬态压力承受值，而要综合考虑锅炉安全、结构合理性、工程造价等因素，依靠完善保护控制措施，保证锅炉安全。

从NFPA标准看，引进型锅炉炉膛设计瞬态负压与标准值-8.7 kPa（-35"水柱）和引风机在环境温度下的选型点（TB点）能力有关，当锅炉按防爆要求设置控制保护系统时，最小的设计瞬态负压允许值为两者的较小值，即锅炉炉膛设计瞬态负压标准值为-8.7 kPa，最小允许值为：（1）若引风机在环境温度下的TB点能力低于-8.7 kPa（绝对值），例如为-6.72 kPa时，则炉膛最小设计瞬态负压为引风机TB点能力（-6.72 kPa）。（2）若引风机在环境温度下的TB点能力高于-8.7 kPa（绝对值），例如为-9.9 kPa时，则炉膛最小设计瞬态负压仍可取为-8.7 kPa。

如引风机在环境温度下的TB点能力显著高于-8.7 kPa（绝对值）时，也可与锅炉厂协商确定炉膛设计瞬态负压取值。

对锅炉炉膛保护措施而言，根据锅炉防爆要求，炉膛压力达到一定值时，设炉膛负压力报警、停炉（MFT）保护。由于2002年前、后版的NFPA标准中，在炉膛内爆保护的章节中，关于是否设风机解列的条款有一些调整，因此，目前锅炉厂在炉膛压力保护中对是否设解列风机的措施并不统一。对于引风机在环境温度下的TB点能力高于-8.7 kPa时，建议设炉膛压力报警、停炉、解列风机3段保护，充分考虑锅炉炉膛压力保护措施。

对于解列风机的保护，需与锅炉厂充分协商，合理设置压力定值，并要求压力取样、检测、输出通道和接线均可靠，减少误动和拒动的可能，保证保护动作的可靠性。例如，可以要求锅炉厂在锅炉本体设置3个单独的取样孔，并装设单独的炉膛负压检测仪表（三重冗余），信号送入FSS控制系统（控制器），用于触发解列引风机的保护，并通过三重冗余的输出通道，直接硬接线至引风机跳闸回路。

总之，当引风机选型点的能力超过-8.7 kPa（绝对值）时，单纯提高锅炉防爆压力不尽合理，应该合理选择引风机形式，采用相适应的炉膛压力控制系统，最终选取合理的防爆设计压力。

[1]DL/T 5121—2000火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程[S].

[2]DL/T 435—2004电站煤粉锅炉炉膛防爆规程[S].

[3]NFPA85—2007 Edition Boiler and Combustion Systems[S].

[4]DL/T 1091—2008火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统技术规程[S].

[5]NFPA 8502—1995多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆标准[S].电力工业部热工自动化标准化技术委员会.

[6]杨诗成，王喜魁.泵与风机[M].3版.北京：中国电力出版社，2007.

[7]DL 831—2002大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则[S].

[8]NDGJ 116—1993火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统设计技术规定[S].

[9]陈模嘉，杨永德.调试阶段预防锅炉受热面爆漏的对策[J].电力建设，2007，28（7）：24-27.

[10]陈彦其，刘云.华能玉环电厂1000 MW机组锅炉爆管预防分析[J].电力建设，2007，28（8）：38-41.