肖 杰，高爱民

（江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211188）

江苏某电厂2号锅炉运行中塌焦引起汽包水位高动作，锅炉主燃料跳闸（MFT）。当时机组处于自动发电控制（AGC）方式，机组状态稳定。主要参数为：机组负荷220 MW，机前压力16.4 MPa，给水流量671 t/h，主蒸汽流量 668 t/h，总煤量 102 t/h，炉膛压力-35 Pa，汽包水位-7.8 mm。锅炉出现塌焦引起炉膛负压波动，给水流量增加，燃煤量增加以及汽包水位先下降再上升。约65 s后，由于汽包水位达高Ⅲ值，锅炉MFT保护动作，机组跳闸。该锅炉系直流炉改造，改造后为上海锅炉厂产SG1025/16.81型亚临界压力一次再热控制循环锅炉，采用中速磨正压直吹式制粉系统，单炉膛倒U型露天布置，后烟井双烟道，四角切圆燃烧，再热汽温挡板调节，平衡通风，全钢架悬吊结构，固态排渣，燃用烟煤。改造后燃烧器射流切圆布置改造为AA二次风、A、B、C、D、E一次风对冲；AB、BC、DE顺时针旋转，射流中心与对角线呈7o；CD顺时针旋转，射流中心与对角线呈15o；EF、OFA二次风反切，逆时针与对角线呈20o；燃烧器顶部布置分离式OFA风。改造后锅炉汽包内径D1 743×135 mm，直段长度13 108 mm，汽包总长度15 240 mm，汽包水容积36 m3，水冷壁水容积120 m3。江苏电厂发生了不少次因塌焦导致锅炉MFT动作，MFT动作原因大部分是炉膛负压波动大，全炉膛灭火，塌焦引起汽包水位高动作是第一次发生。

1 事故过程

该锅炉在改造后运行时经常发生塌焦现象，塌焦过程中炉膛负压出现较大波动，汽包水位产生波动。电厂其他改造过的锅炉发生锅炉塌焦的频率更高，炉膛负压波动的幅度也更大。由于看火孔设置，运行不能确定确切的结焦位置和结焦状况；锅炉停炉后也没有观察到大块结焦的痕迹。但在锅炉进行炉膛吹灰时对蒸汽温度影响很大，特别是燃烧器上部吹灰器吹到一半数量时蒸汽温度下降30℃以上，说明燃烧器上部区域存在较严重的结焦。

1.1 炉膛负压波动

事件发生时机组采用炉跟机（BFT）自动模式。在此过程中，机组燃烧系统、给水系统、风烟系统等均维持自动控制。锅炉热量与机组负荷、给水流量与蒸汽流量维持平衡。炉膛压力从20 min 1 s开始出现大幅波动，先从-169 Pa上升到376 Pa，持续时间为9 s，后从-166 Pa上升到435 Pa，持续时间为8 s。此后，炉膛压力恢复至正常值。

1.2 汽包水位波动

汽包水位在炉膛负压波动约8 s后出现下降，在25 s左右下降到最低-196 mm，然后上升，30 s后汽包水位275 mm，引发汽包水位高Ⅲ值动作。在汽包水位降低时，汽包压力与主汽压力开始降低，机前压力从16.4 MPa降低到最低15.8 MPa，随燃烧恢复较快上升到最高17.0 MPa；机组负荷同时从221 MW降低到214 MW，负荷下降延续40 s。汽包水位降低引起机组自动增加给水流量，从671 t/h上升到最高834 t/h，再恢复到正常，延续时间约30 s，加水曲线按三角函数估算共多加水约0.86 t。

1.3 燃料控制

锅炉燃烧控制基于DEB策略，调节机前压力。主汽压力降低导致磨煤机给煤量上升，从102 t/h最高达到139.4 t/h，再恢复到正常，持续时间约25 s，估算共多加煤量0.17 t。燃烧控制调节方向正确。机组在平时运行时，能正常参与AGC的调节，燃烧自动调节是稳定的，但存在进一步优化的要求。

1.4 汽包水位调节

机组汽包水位自动调节系统在高负荷段采用典型的“三冲量”调节原理，汽包水位采用3只独立的差压式单室平衡容器进行测量。3个汽包水位差压信号在分散控制系统（DCS）中进行补偿后得出汽包实际水位。在本次事件中，2台汽泵参与给水控制，MEH处于“遥控”方式。汽包水位始终处于自动调节方式。在炉膛负压出现大幅波动时（塌焦），汽包水位迅即出现快速下降，从-8 mm下降到-196 mm，并在炉膛压力趋于稳定后，汽包水位出现快速上升。整个过程中，蒸汽流量从668 t/h下降到648 t/h，变化量很小。因此，汽包水位自动调节系统主要对汽包水位的偏差产生响应，蒸汽流量的前馈作用未发生变化，近似为单回路调节作用。在汽包水位出现负偏差时，主调节器快速增加给水流量指令，在汽包水位下降趋势结束并出现上升时，也能快速减小给水流量指令。给水自动调节作用正确，未发生异常。

2 原因分析

2.1 锅炉结焦

分析锅炉容易结焦的原因主要是燃烧器射流布置存在缺陷，起旋二次风布置在CD层，当投用下层燃烧器时下部一次风与二次风旋流强度较低，燃烧火焰切圆过小；特别是投用AB层时，靠AB层二次风无法使燃烧气流形成正常切圆，有时出现反向切圆。这与锅炉炉渣含碳量较高是吻合的。由于无法形成正常的切圆，下部火焰可能存在反切的现象，与上层射流发生碰撞会使部分燃烧煤粉粒子飞溅到水冷壁上。上部CD层起旋风投用后，会使上部烟气切圆过大，存在烟气刷边的可能，燃烧煤粉粒子可能黏结到水冷壁上。由于下层射流旋流强度低，烟气总体旋流强度摩擦衰减减少，燃烧器上部旋流强度大，与反切风碰撞更加强烈，碰撞后会有更多的燃烧煤粉粒子飞溅到水冷壁。这都会导致炉膛严重结焦。

锅炉引风机出力裕量偏低，在机组300 MW时，引风机静叶已经基本开足，炉膛出口烟气含氧量只有2.61/1.62%，运行氧量低会使炉膛局部出现较强的还原性气氛，有利于生成低熔点灰，使煤灰更容易黏结在水冷壁上，加剧了锅炉结焦状况。

2.2 炉膛负压变化

从1.1节中看出锅炉塌焦后，炉膛负压出现了二次波动。其中第一次波动幅度稍低，波幅为-134～411 Pa；二次波动幅度稍大，波幅为-142～512 Pa。这种炉膛负压的波动具有典型的塌焦后炉膛负压先负后正的变化特征，大焦块脱落下降过程引起炉膛压力降低；大焦块落到渣斗后又激发大量水汽，使炉膛压力上升，同时引风机在炉膛压力增高时会增大出力，综合作用使炉膛压力升高。其中压力下降时间短，幅度小，主要波动时段在压力上升过程。

在炉膛压力上升时，一次风管压差降低，磨煤机出口风速降低，携带的煤粉减少，大量煤粉短暂积存在一次风管内，喷入炉膛的煤粉量减少，炉膛热负荷下降。由于热负荷下降主要是一次风量减少所至，增大给煤机给煤量不能被一次风带入炉膛；由于磨煤机一次风量自动未投，给煤量增加时没有伴随增加一次风量，增加的给煤反而可能引起磨煤机阻力增加，进一步降低磨煤机出口风量，从而减少喷入炉膛煤粉量。当炉膛负压正常后一次风速恢复正常，沉积在煤粉管中的煤粉被吹扫到炉膛内，磨中煤粉也会被携带到炉膛内，形成较大的瞬间热负荷波动，造成炉膛压力升高。此次炉膛负压的第二次波动不能排除是煤粉大量吹入炉膛导致燃烧波动（类似爆燃）引起的压力升高。

2.3 水位变化

由于炉膛波动导致喷入炉膛煤粉减少，锅炉热负荷降低，蒸汽压力下降。随着炉膛热负荷降低，水冷壁单位吸热量降低，水冷壁上升管水段升高，增加部分贮存水，使汽包水位下降；同时出口饱和水含汽量降低，增加了水冷壁蒸发段存水量，也使汽包水位下降。由于汽包压力降低是热负荷下降所至，因此一般不会引起汽包与下降管内未饱和水沸腾，只会导致饱和水焓值下降，抵消部分水位下降影响。

当炉膛负压恢复正常时，磨煤机出口风速也恢复正常时，积存在一次风管内的煤粉被逐步吹扫到炉膛内，由给煤量增加积存在磨内的煤粉也被带到炉膛内，加剧了炉膛内热负荷的增加。虽然给煤机出力增加阶段只增加煤量0.17 t，但占同时段正常给煤量的23%，在短时间带入炉膛对锅炉热负荷影响很大。

锅炉热负荷降低时，由于机组控制采用BFT自动方式，为维持负荷稳定，自动增大汽机调门开度；同时为稳定机前压力，锅炉增加给煤量。进入炉膛煤粉减少与调门开度增加表现出汽包压力下降，22 s内汽包压力降低约0.7 MPa；在水位快速升高时汽包压力升高约0.1 MPa，约10 s后汽包水位高Ⅲ值动作。机组负荷与主汽流量基本在汽包压力开始升高时出现升高趋势。

炉膛热负荷增加时，水冷壁单位吸热量增加，水冷壁上升段内水段降低，减少水储存量；出口饱和水含汽率增加，减少了蒸发段内水量储存，共同作用使汽包水位升高。再加上汽包压力处于最低状态，使得饱和水焓值最低，汽包水欠焓低，使得蒸发水增加，进一步加剧了汽包水位升高的趋势。

由于汽包容积有限，如新设计的上海产300 MW机组锅炉，汽包水容积36 m3，水冷壁系统144 m3，过热器水容积220 m3；而汽包正常波动（低Ⅲ～高Ⅲ值）水容积变化仅14 m3，汽包最大横截面面积约25.8 m2，汽包水位变化300 mm，水容积变化仅7.5 m3；上海锅炉厂产锅炉汽包水容积较其他厂产锅炉小，锅炉水位变化更难控制。

2.4 其他原因

对于自然循环的锅炉，热负荷的变化影响到水冷壁上升管中的饱和水含汽率，会引起循环倍率的变化来抑制汽包水位的变化，具有负反馈作用。而该锅炉采用控制循环，循环压头主要由炉水循环泵提供，降低了水冷壁管含汽率对循环倍率的影响，抵消了水冷壁饱和水含汽率对汽包水位的负反馈作用，使汽包水位波动进一步加剧。

对于给水量增加时多加入汽包的0.86 t水，影响汽包水位约35 mm，对水位影响不大。

因此锅炉塌焦导致水冷壁波动过大的原因有，塌焦后炉膛负压波动导致进入炉膛煤粉量波动，引起炉膛热负荷波动导致了汽包水位波动；调整过程中磨煤机给煤量增加的调整加剧了炉膛热负荷波动；调整过程中汽机调门增加，使得炉膛热负荷快速增加时，汽包压力处于最低，加剧了汽包水位波动；采用控制循环抑制了水冷壁内饱和水含汽率变化对循环倍率的负反馈作用也是汽包水位波动过大的一个原因。

2.5 机组热控调节分析

2.5.1 水位测量

电厂锅炉汽包水位测量装置为3只单室平衡容器，独立布置，差压经汽包压力修正后得出汽包水位，进行“三取中”后作为汽包实际水位用于自动调节。计算原理如下：

式中：ρa为参比水柱（P+侧水柱）的密度；ρw为汽包内饱和水密度；ρs为汽包内饱和蒸汽密度；H为汽包内实际水位。

2.5.2 水位补偿

汽包水位显示值是以汽包零水位为基准表示的，因此有H=H0+ΔH，H0为零水位，ΔH为水位计显示值。利用汽包压力计算水位计内水柱、汽包内水与饱和汽密度差进行补偿。

2.5.3 水位快速下降

在水位下降前，水位自动调节系统中的水位、给水流量、蒸汽流量处于平衡状态，系统稳定，水位的快速下降是由于炉膛热负荷变化而致。从动态过程分析，水位下降是对汽包中实际水位的真实反映；而从稳态过程看，水位的下降可认为“虚假水位”。因在事发前，煤量、给水流量、蒸汽流量均未出现较大的变化。水位的下降是在炉膛热负荷变化时，汽包压力下降和锅炉循环回路中贮存水量变化的综合作用。

（1）汽包压力变化的影响

在炉膛压力波动开始约30 s的时间里，汽包压力下降了约0.7 MPa。这将导致汽包以及整个循环回路中的水下汽容积增加，使得汽包水位出现正向的虚假水位。在水位上升阶段起到了加剧水位上升的恶化作用。

（2）锅炉循环回路中贮质量变化的影响

在炉膛发生塌焦后，炉膛内瞬时热负荷降低，工质的单位吸热减少，使得炉水开始蒸发时间延迟，热水段高度增加；吸热减少还引起含汽段饱和水的含汽率降低，故上升段内的工质平均密度变大，贮水质量增加；与热水段高度的升高贮水质量增加共同作用，上升管贮水质量明显增加，导致汽包水位快速下降。

在本次事件中，锅炉发热量的减小对水位的影响占主导作用，汽包水位出现大幅快速下降。

2.5.4 水位快速上升

在炉膛压力趋于稳定后（塌焦过程结束），汽包水位开始快速回升。在30 s内，汽包水位从-196 mm急剧上升至275 mm（高Ⅲ值），锅炉MFT。锅炉水位的上升主要由以下因素产生。

（1）燃烧恢复及热量急剧增加

锅炉塌焦过程结束，炉膛压力稳定后，进入炉膛的燃料量快速增加，锅炉的热负荷快速上升。循环回路内的贮水质量快速减少，汽包水位急剧上升。同时在主汽压力下降以及稳定机组负荷的要求下，锅炉燃烧自动调节的作用将锅炉总煤量从102 t/h上升到139 t/h。这在热负荷增加阶段导致锅炉热负荷进一步增加，在锅炉塌焦过程中，对汽包水位的稳定也将起到不利的作用。

（2）给水流量增加

在锅炉发生塌焦的初期，汽包水位开始下降，给水自动调节作用主要是对汽包水位的偏差做出响应。在本次过程中，给水流量在30 s时间里，从671 t/h上升到834 t/h然后回落至671 t/h，而同时蒸汽流量并未出现大幅度变化，仅从事发前的668 t/h下降到648 t/h，可以认为蒸汽流量未出现变化。估算给水自动调节系统增加的给水流量产生约35 mm的水位变化，对汽包水位的负面影响较小。

3 暴露的问题

（1）炉膛结焦严重，大块焦渣塌落是造成此次事故的首要原因。造成锅炉容易结焦的原因是燃烧器射流切圆设计不合理，起旋风布置在靠上部CD层，下部燃烧器射流切圆直径过小，烟气旋流强度过低，烟气无法建立正常的切圆燃烧；上部烟气旋流强度过大；满负荷时炉膛出口烟气含氧量过低加剧了炉膛结焦。

（2）锅炉结焦不能及时发现与清除，导致结焦连成大块，超重坍塌，引起炉膛负压大幅度波动是导致水位波动过大的直接原因。

（3）汽包水位自动调节系统需进一步优化。改机组汽包水位自动调节系统为常规典型的三冲量自动调节系统，能适应机组的正常运行时的水位控制要求。但对于本台锅炉塌焦较为频繁的现状，自动调节系统应进行特殊工况下的优化工作，以提高给水自动调节系统在锅炉塌焦情况下的适应性。

（4）燃烧调节系统需进行优化调整。从对主汽压力的响应情况来看，煤量作用的幅度偏大，增加的煤量在炉膛负压恢复后对水位快速增加起加剧作用，应进行优化调整，改善控制性能。

（5）机组协调控制方式处于BFT，炉膛负压波动过程中，自动加煤与汽机调门开度增加的调节措施都使热负荷恢复后水位快速上升加剧，恶化了水位波动状况，是引起水位高Ⅲ值动作的重要条件。

（6）汽包水位测量值偏差较大。3只平衡容器差压信号补偿后的汽包水位偏差值在50 mm左右，准确性有待进一步提高，为自动调节系统的控制提供准确可靠的被调参数。

4 处理措施

根据锅炉塌焦引起汽包水位高Ⅲ值动作原因分析，建议电厂采取以下处理措施来控制汽包水位波动过大的状况。

（1）加强燃烧调整，减轻炉膛结焦状况。一是尽量不投用A层燃烧器，减缓底部燃烧器射流无法形成切圆燃烧的状况；二是运行中合理调节CD层起旋风开度，减少燃烧器上部烟气旋流强度。

（2）加强引风机维护，保证引风机出力正常，同时治理锅炉尾部烟道和空预器漏风，适当提高炉膛出口烟气含氧量水平。

（3）运行加强看火、检查炉膛结焦状况，及时对炉膛特别是燃烧器区域进行吹灰，将炉膛结焦及时清除，防止结焦恶化连成片，形成很厚的大块结焦。燃烧器区域吹灰导致蒸汽温度急剧下降的状况可以采取优化吹灰程序，先进行屏过与高过吹灰来减少蒸汽温度波动。

（4）汽包水位自动调节系统增加锅炉塌焦工况时相关闭锁逻辑及变参数控制。分析汽包水位控制在整个过程中的变化情况，需要优化两方面的调节性能。一是弱化汽包水位在下降过程中的水位偏差响应作用，在锅炉塌焦的初期，减小给水主调节器的控制作用或者对主调节器增加“禁增”给水流量的逻辑。二是加强对汽包水位回升的调节作用，在汽包水位回升后，给水主调节器采取变参数控制，加大对汽包水位偏差的响应，抑制汽包水位的上升。

（5）减小水位偏差自动切“手动”功能的定值，在水位偏差过大，超出自动调节的控制范围时，切除水位自动，并增加报警功能，提醒运行人员及时干预。

（6）锅炉塌焦工况下，协调控制方式的切换，机组正常处于BFT协调控制，在塌焦时切换至TBF方式。稳定主汽压力和汽包压力，减少汽包压力的突变对水位的影响；减小给煤量的变化，稳定炉膛燃烧。

（7）加强对锅炉塌焦工况的辨识，改善给水控制，适时进行协调控制的切换。建议按炉膛压力变化幅度及变化速率，结合其他风烟系统参数条件，识别锅炉塌焦工况的发生。

（8）加强汽包水位信号的维护，提高准确性。

（9）最根本的处理措施是防止炉膛严重结焦，电厂应与制造厂讨论，改善对燃烧器布置，可以考虑将CD层起旋二次风移动布置在AB层。