MPS磨煤机防爆措施

MPS磨煤机防爆措施

沈重设计院

张涛

2001,3

前言

MPS中速磨煤机是目前世界各国普遍,大量采用的磨煤机之一。我国自八十年代中期在山西神头电厂和辽宁朝阳发电厂首批采用MPS型中速磨煤机以来，由于该类型磨煤机所具有的独特优点，使其应用量迅速增加，使用范围不断扩大。

目前国内已有百余台MPS型磨煤机在电力，冶金，建材等行业应用。

MPS中速磨煤机粉磨易爆炸煤种的系统防爆问题是一种带有普遍性的重大问题。但目前国内还没有此方面的规范式标准，本文分析总结了煤粉爆炸产生的原因和特点，结合国外有关制粉系统防爆的有关规范，总结了有关的防爆措施，望与同行及有关专家共同探讨。

一、MPS中速磨煤机制粉系统煤粉爆炸的主要因素及特点

造成MPS磨煤机制粉系统煤粉爆炸的原因很多，主要有如下因素：

1.煤的挥发份。

煤的挥发份主要是由碳氢化合物、氢、一氧化碳、硫化氢等可燃气体组成，也有少量氧、二氧化碳、氮等不可燃物。煤的挥发份燃点较低，遇明火极易燃烧。

当煤的挥发份较高时，是导致煤粉爆炸的重要原因之一。通常条件下，煤的可燃基挥发份〈8%时可认为无爆炸危险。煤的可燃基挥发份〉40%时煤粉具有强爆炸危险性。

2.磨煤机出口气粉混合物的温度。

该气粉混合物的温度对煤粉爆炸影响很大。当其温度过高时，将增加煤粉爆炸的可能性。因此，当粉磨爆炸危险性大的煤种时应尽量降低磨煤机出口温度。

但如果温度过低，煤粉中水份易在管道中结露，造成煤在磨煤机内部和管道某些部位集存，造成自然而成为爆炸发生的引火源。

3.输粉气体的氧含量。

煤粉发生爆炸的重要条件是气体中含有足够量的氧。如氧含量过低，则可有效地防止爆炸。对烟煤来说，氧气的体积含量〈14%可以认为无爆炸危险。对褐煤氧气体积含量〈12%可认为无爆炸危险。

4.煤粉细度。

煤粉越细，可爆性越大。对于烟煤煤粉，当其粒径大于100μm时，几乎不会发生爆炸。对任意煤种，极限粒径大于400μm一般不会爆炸。但粗粉中所含可爆炸细粉数量超过爆炸下限时，还是有爆炸危险的。在电站制粉系统中，尽量减少燃料不完全燃烧损失的条件下，降低煤粉细度，可使爆炸危险性大为下降。

但在有些情况下，如国外普遍采用的低氧燃烧锅炉的制粉系统和高炉喷粉系统中，要求煤粉细度很细时，其爆炸的危险性会大为增加。这时也应按防爆系统设计。

5.其它因素。

如制粉系统运行条件及方式，磨机入口热风温度，磨机起动，运行，停机控制方式，系统惰化方式，输粉管道布置形式和风门设置方式等，均对制粉系统煤粉爆炸危险性有很大影响。

综上所述，制粉系统煤粉爆炸问题是一个复杂的综合性问题。对一特定煤种和特定制粉系统采取何种防爆手段应视具体情况灵活应用。如采用的防爆措施过于完备和繁杂将导致工程投资的大幅增加，反之将会留下事故隐患而造成设备及人身事故。

一、国外主要国家对制粉系统问题的有关规定

目前国外各主要工业国大多已正式制定了制粉系统国家级防爆规范，其具体规定虽不尽相同，但总的设计原则基本一致。其中最大的差异是系统按防爆型设置，还是按抗爆型设置。按防爆设置的方式主要采取一系列措施防止制粉系统煤粉爆炸。这种观念认为不论何种强度的爆炸均会对设备造成不同程度的损害，特别是一些密封部件，爆炸所产生的高温高压将很容易使其损伤。另外经一段时间运行后，原始可达到规定抗爆等级要求的部件（如管道、弯头等）可能失去原有的抗爆能力，并且也很难进行有效的当期抗爆能力鉴定。因此实用中尚有一定问题。按抗爆型设置的方式是将煤粉爆炸将波及到的范围内设施的壳体部分均按规定的最高爆炸压力设置，一但煤粉发生爆炸不会对设备造成永久性变形性的损害。本文重点介绍防爆型制粉系统。

三、MPS磨煤机防爆的主要措施

MPS磨煤机防爆方法很多，制粉系统采用一种或同时采用几种防爆方法应根据具体制粉系统和煤种参数来确定。目前世界各主要工业国大多已制定了国家级的防爆规范，但我国目前尚无完善的防爆规范。这就给具体制粉系统防爆设计带来很大困难。从德国TRD413规范来看，其控制原则为“防爆”。因为体制粉系统尽管可以按抗爆设计，但系统中产生的任何爆炸均会给设备带来不利影响，或造成一定的损害。因此，如何避免体制粉系统产生爆炸是防爆型体制粉系统首先要解决的关键问题。

1.磨煤机启动时的防爆控制

根据德国Babcock公司统计，在MPS磨煤机制粉系统中所发生的爆炸有90%以上的情况发生在磨煤机启动或停机时。因此MPS磨煤机起动和停机时是防爆的一个重要环节。

MPS磨煤机正常运行时一次风的调节制度通常为一次热风调节磨煤机所需流量,一次冷风调控磨煤机一次风温度。从图3可以看出，磨煤机起动时的主要控制方式为出、入口温度控制方式。对粉磨易燃易爆煤种的制粉系统，满足这一起动控制要求是至关重要的。磨煤机起动时，分离器出口和一次风入口的温度调节器（冷风回路）有三种工况：

最小流量控制方式：在大部分情况下，磨煤机是在磨内残存有煤及煤粉状态下起动的。磨机起动前以所需的最小风量（约为最大风量的75%）对磨内残粉和水蒸气（在此之前为降低磨内氧含量和暖磨而通入的）进行吹扫，并满足磨煤机所需的最小流量。

磨煤机入口温度控制方式：在磨煤机以最小流量控制方式操作的同时，应控制磨煤机入口风量，使磨煤机入口一次风温度〈130℃这样可减少磨内着火的危险性。

磨煤机出口温度控制方式：磨煤机分离器出口温度应控制在T1以下，但最低温度应高于露点5℃以防止磨煤机和管道内结露。磨煤机起动程序的设置应使磨机入口温度控制方式自动转换为分离器出口温度控制方式。分离器出口温度控制由调节冷风调节档板的开度来控制。由于MPS磨煤机分离器出口温度是磨煤机控制的最重要控制点之一，因此建议在分离器出口（或煤粉管道入口）处装设三只测温元件，用于对该处温度的监测、控制和比较，并控制磨煤机入口一次冷风调节档板的开度。

以上三种起动控制方式在磨煤机起动程序中的位置、顺序和其它起动条件的关联，可参阅MPS磨煤机控制逻辑图。

磨煤机在起动时防止煤粉爆炸采取的另一重要措施是磨煤机入口档板开启之前通入消防蒸汽或其它惰性气体。这可在磨内创造出惰化气氛。图4为通入惰性气体后磨内气体含氧量的变化曲线。磨煤机每次通入惰性气体的时间约为8~12分钟，每次通入的蒸汽量及其它参数可参阅相应规格磨煤机的说明书。

2. 磨煤机运行中防爆控制

磨煤机运行中应连续监控分离器出口温度，分离器出口温度应控制在60~65℃范围内。当磨煤机分离器出口温度高于设定值10℃时，应发出报警信号。这时应采取相应措施使磨煤机分离器出口温度迅速降至运行温度区间。当采取的各种降温措施失败时，分离器出口温度继续上升达超出设定值20℃时，系统应能按快速停机方式将磨煤机停下来，然后检查制粉系统的升温原因。当分离器出口温度高于运行温度30℃时，应以紧急停机方式停下磨煤机。

磨煤机一次风量的控制应与给煤机相适应，这时的一次风是由一次风热风档板来调节，温度由一次冷风档板控制。一次风量不能过低，一般不低于相应风量的10%。因磨煤机和输粉管道的各通风截面均由设计时给定，风速过低会造成在某此部位的煤粉存积，这样易因煤粉自燃引起爆炸。

中速磨煤机正压直吹式制粉系统大都采用热风干燥，热风中的氧含量即为大气中的氧含量。在此系统中运行的磨煤机一般不需投入惰性气体。只有当分离器出口温度持续快速上升时，且突破快速停机极限时，说明磨内煤粉可能已经着火，应通入惰性气体。因磨内着火的原因极为复杂，故在大多数情况下投入惰性气体仍依赖于操作人员的经验。

在某些情况下，MPS磨煤机制粉系统一次热风也可采用低温烟气做干燥剂。这时煤粉爆炸的危险性随着烟气中氧含量的降低而大大下降。但用户应向磨煤机制造厂提供磨机入口混合烟气的温度（特别是原煤水分较高使一次风入口温度超过400℃时）和一次风中的粉尘含量，以便磨煤机结构作相应修改。

在某些系统中，如高炉喷粉负压中间仓式制粉系统，在一次热风中混入氮气做为惰性气体，可有效地防止制粉系统发生爆炸。

3. 磨煤机停机过程的防爆控制

停机过程中磨煤机出口调节器按最小流量控制方式（见图3））。磨煤机停机指令发出后，给煤机逐渐将给煤量降至最低（约为磨煤机100%负荷的40~60%）。同时一次风量应与之相适应地进行调节。其目的是尽量排空磨煤机内和输粉管道内的煤粉。这是正常停机过程中防止煤粉爆炸的一个重要步骤。磨煤机停机过程中一次冷风应能满足一次风流量的要求。如有可能，应用尽可能多的冷风来吹净磨机内和输粉管道内的残煤，并冷却磨煤机和煤粉管。在磨煤机控制系统的停机控制程序中，应能自动地切换至一次风流控制。

在磨煤机停机过程中通入惰性气体是极为必要的，通入惰性气体的要求同磨煤机起动程序。

对粉磨易燃易爆煤种的系统来说，磨煤机一次风入口设置快速关断挡板是极为重要的，这种快速关断挡板可在1秒钟之内将磨煤机一次风的供应切断，这样可有效地制止磨内燃火的扩大或的发生。这种快关挡板为电动电磁联动结构或气动结构。德国TRD413规范中明确规定了在磨制易燃易爆煤种时磨前一次风入口必须设置快关挡板。由于一次风管道截面较大，我国一些电厂在实际应用中出现磨前快关挡板可靠性较差情况。因此一些电厂采用了磨机出口快关阀，这种快关阀有气动翻板式和气动闸板式两种，也可有效地起到防爆作用。

当磨煤机以紧急停机方式停机时，由于快关阀首先切断了通过磨煤机的一次风，使磨内残粉无法排出，其中大部分落入磨煤机喷嘴环下部的一次风室中。而一闪风室中磨煤机部件的温度很高（接近一次风温度），易引燃煤粉而造成磨内着火。为此，在粉磨易燃易爆煤种时，磨煤机应设置“冷却风系统”。该系统在接到紧急停机指令后立即起动，在20~30分钟内将磨煤机的高热部件冷却至30℃以下，从而可避免由于煤粉过热自燃。在冷却风系统对磨煤机在有关部件进行冷却的同时，起动慢速盘车将磨煤机一次风室中的煤粉排至废料箱中及时清除，以防止在磨煤机再次起动时发生爆炸。

4. 制粉系统防爆门的设置及结构

制粉系统防止煤粉爆炸对设备造成损害的最行之有效的方法之一是设置防爆门。电站制粉系统防爆门结构形式很多，具体设计时主要应注意下列问题：(1) 应有足够的释压面积

释压孔面积如果过小，则有能有效地将爆炸产生的压力迅速释放至大气中去，仍可能造成设备的损坏。如果释压孔面积过大会增加设备制造上的难度，甚至无法布置。根据德国Ciba Geigy公司的试验结果推荐采用的释压孔面积的计算公式：F2= 0.036V22/3(m2)

式中: F2--所需释压孔面积;

V2--磨煤机粉磨腔容积。

上述公式适用于粉磨腔容积＜80M3的情况。当某些条件差距过大时，应通过爆炸试验来确定。

(2)防爆门设置位置

在MPS中速磨煤机正压直吹式系统中防爆门推荐采用的动作压力为P静压=104Pa。

(3)防爆门的动作压力

在MPS中速磨煤机正压直吹式系统中，防爆门一般设置于磨煤机上部的给煤机尾部。这样可便于防爆门的设置和释压管道的布置，同时也能迅速有效地将气体释放出去。但在其释压孔在给煤机上难以设置时，也可将其在磨前一次风道上或分离器上部，但应避开运行和检修人员的工作区域。

(4)释压管道的设置

设置释压管道可将煤粉爆炸压力释压至厂房外部的大气中去，[安装释压管道后磨煤机内将产生较高的压力，在管道设计时应尽可能地缩短长度，增加过流截面和减少弯头。

(5)防爆门应具有防回火功能

简单结构的防爆门一般为破坏式，煤粉爆炸后的气体压力冲破防爆门盖板，达到减压目的。但由于爆炸后大量气体快速从释压孔冲出，会造成磨内瞬时真空状态，导致重新吸入大量空气而引起二次爆炸。因此，新型社爆门应具有释压后可快速关闭的社回火功能。

5. 提高磨煤机的抗爆能力。

磨煤机提高抗爆能力，主要是指磨煤机壳体提高抗爆能力。另外也涉及提高磨煤机内其它部件和与磨煤机相关连的其它设备（如给煤机，管道，阀门和挡板等）的抗爆能力问题。世界上一些国家已制定了本国磨煤机壳体的抗爆能力规范，其中主要国家的具体规定如下：

德国（蒸气锅炉技术规范）0.1MPa

前苏联0.15 MPa

全美流体动力协会(NFPA) 0.35MPa

斯堪的那维亚国家0.8MPa

我国初期引进的粉磨烟煤的MPS磨煤机抗爆等级均匀为0.1MPa。沈阳重型机器厂为满足用户粉磨挥发份较高的烟煤和褐煤的要求，于九二年末从德国Babcock公司引进了抗爆等级为0.35MPa的MPS磨煤机设计和制造技术，这是我国目前采用抗爆等级最高的磨煤机。

当制粉系统采用高于0.1MPa抗爆等级的磨煤机时，应考虑和注意下述问题：(1) 磨煤机按〉0.1MPa抗爆等级设计和选用，是制粉系统防爆的被动措施。按德国TRD413规范定义，磨煤机的抗爆能力是指爆炸的结果不对设备造成不可恢复朔性变形。也就是说，爆炸本身仍可对磨煤机及附属设备造成一定的损害。(2) 虽然大多数中速磨制粉系统是正压运行，但爆炸所产生的压力远高于磨煤机密封风的压力，因此，爆炸后产生的压力可能将煤粉带入各密封点。所以，爆炸发生后应全面检查磨辊等重要密封点是否进入煤粉，防止再次起动以设备有关部件造成的损坏。

(3) 当磨煤机按>0.1MPa抗爆等级设防时，其配套设备和装置。如给煤机，磨煤机入口一次管道，磨煤机出口至燃烧器间的煤粉管道，阀门及挡板等均应按与磨

煤机相同的抗爆等级设置。其中磨煤机入口一次风管道设防围应≥8倍水力直径。因磨煤机、抗爆等级的提高而速带来一第列配套设备抗爆等级的提高，将增加制粉系统设备价格，请用户选用时注意。

(4) 磨煤机和附属设备，特别是煤粉管道上磨损严重的部位（如弯头），因煤粉磨损会降低其抗爆能力。因此在设备运行期间应根据磨损的具体情况，制定有关检查鉴定周期及方法。当磨损至规定壁厚以下时，应及时予以更换，以保证基有效的抗烛性能。