高爐煤氣燃燒器燃氣泄漏安全控制常見問題分析及安全切斷閥切斷時間計算方法

單天禹劉 峰

（1.黑龍江省八一農墾大學信息技術學院 大慶 161139）

（2.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

高爐煤氣燃燒器燃氣泄漏安全控制常見問題分析及安全切斷閥切斷時間計算方法

單天禹1劉 峰2

（1.黑龍江省八一農墾大學信息技術學院 大慶 161139）

（2.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

高爐煤氣燃燒器燃氣泄漏的常見問題是無安全切斷閥、安全切斷閥數量不夠和用手/電動調節閥代替安全切斷閥等并加以了分析。同時，還介紹了一種高爐煤氣燃燒器安全切斷閥切斷時間計算方法。

高爐煤氣 燃燒器 泄漏 安全切斷 時間

鋼鐵企業是能源消耗非常大的企業，在鋼鐵企業生產過程中，消耗大量的煤炭、燃油和電力等能源的同時，還產生了大量的高爐煤氣[1]。對于高爐煤氣鍋爐燃燒器，一般有兩種燃氣泄漏情況：一是燃氣通過管路向環境泄漏（也稱外泄露），二是燃氣通過電磁閥閥芯端面向爐內泄漏[2]。環境泄漏可能導致人員中毒、工作現場爆炸等事故的發生；而爐內泄漏可能引起爐膛爆炸，影響設備安全。

高爐煤氣燃燒器發生燃氣泄漏時，其自動快速切斷閥會切斷供給燃燒器的燃氣。如果自動快速切斷閥沒有立即切斷繼續進氣，就可能產生“熄火爆炸”事故。反之，高爐煤氣鍋爐如果通風吹掃時間不足，再次點火將會引起“點火爆炸”事故。尤其在高爐煤氣鍋爐運行過程中突然停電，自動快速切斷閥未及時切斷燃氣，更易發生爆炸事故。例如邯鄲75t/h高（焦）爐煤氣鍋爐，調試期間在點火瞬間，爐膛及排煙系統發生爆炸，設備嚴重損毀，死亡13人，傷8人。經過事故調查及分析，發現鍋爐燃燒未設置自動點火程序、未執行吹掃、電動閘閥/安全切斷閥控制混亂。

因此，安全切斷閥對燃燒器及鍋爐的安全運行尤為重要。下面介紹高爐煤氣燃燒器燃氣泄漏安全控制常見問題分析及安全切斷閥切斷時間計算方法。

1 常見問題

1.1 無安全切斷閥

安全切斷閥主要是指快開快切，或慢開快切的電磁閥或氣動閥等（除具有控制關閉功能以外還需要實現掉電關閉功能）在燃燒器燃氣主管道上不允許只存在慢切的閥，因為在運行中因為火焰熄滅，會立刻切斷主管道的閥門，若因閥的問題沒有快速切斷，那會導致大量的可燃氣體集聚爐膛，當第二次點火時，沒有吹盡的可燃氣體在爐膛內仍有達到爆炸濃度的可能性，危險性相當大。這種現象在工業爐窯中比較常見，基本上沒有安裝自動安全切斷閥，通常安裝一只手動閥，而且該閥還不一定是能快速切斷的手動球閥，存在極大的安全隱患。

1.2 安全切斷閥數量不夠

燃氣主管道中需要至少2只串聯的安全切斷閥，如果只有一個安全切斷閥，一旦閥損壞，發生內部泄漏，可燃氣體進入爐膛，吹掃換氣不充分，點火時極易發生爆炸。在鋼鐵廠的高爐和焦爐煤氣鍋爐中，大多數燃燒器采用四角布置，為了節省成本，一些用戶在每只燃燒器的管道上只安裝一只安全切斷閥、一只流量調節閥和一只手動球閥。在燃氣母管上安裝一只安全切斷閥（一根母管上有兩根支管，配置兩臺燃燒器），這樣的布置由于安全切斷閥數量不足，一旦存在泄漏，不可避免造成事故。主要通過串聯的兩級燃氣切斷閥同時動作斷燃料，可以保證在一只切斷閥意外關閉不嚴時，另一只仍可切斷燃氣，提高安全系數； （燃用氣體燃料的爐子點火時爆炸。其中半數是由于停爐時可燃氣體泄漏造成的，其余一半是由于操作人員為了省事在關閉主燒嘴的閥門時，沒有同時關閉主管的安全切斷閥而引起的。）通過兩只串聯的安全切斷閥，可以有效的減少燃料泄露的風險，減少因閥門工作不可靠造成的設備安全風險。

1.3 用手/電動調節閥代替安全切斷閥

因為手動閥不受自動控制，在緊急情況下無法及時切斷燃氣主管道。電動調節閥主要起流量調節作用，是慢開慢關的閥，在緊急情況下也無法及時切斷燃氣主管道。在正常燃燒時火焰突然熄滅，此時會立刻切斷主管道的閥門，若因閥的問題沒有快速切斷，那會導致大量的可燃氣體集聚爐膛，當第二次點火時，沒有吹盡的可燃氣體在爐膛內仍有達到爆炸濃度的可能性，危險性相當大。在鋼鐵廠的高爐和焦爐煤氣燃燒器上，我們發現有的廠家用電動蝶閥作為安全切斷閥，這是非常危險的，因為電動閥的開啟和關斷時間很長，沒有快速切斷的功能，而且一旦掉電，電動閥將失去關斷功能手/電動調節閥代與安全切斷閥有本質的區別，主要是自動控制關閉和掉電關閉功能。

1.4 無閥門檢漏裝置或用壓力表指示代替

閥門檢漏裝置用于檢測安全切斷閥是否有內漏，在燃燒器啟動前或點火前，內漏檢測是必要條件，否則燃燒器不允許點火。因此無閥門檢漏裝置的控制系統存在嚴重的安全隱患，如有閥門有內部泄漏而無法做出停止指令，燃燒器在點火的時候很可能會發生爆炸。在鋼鐵廠的高爐和焦爐煤氣燃燒器上，甚至在燃燒氫氣的燃燒器用戶上，沒有安裝閥門檢漏裝置，有的在兩只安全切斷閥之間僅安裝了一只壓力表，有的連壓力表也沒有，用戶沒有閥門檢漏的意識，一旦閥門泄漏嚴重，點火時將發生爆炸。閥門檢漏裝置是對閥門在運行前進行的安全風險的識別和判定。通過與否關系到閥門是否符合安全標準，是否可以使用。

1.5 無手動快速切斷閥

雖然燃氣主管道上已經安裝了2只串聯的安全切斷閥，但是這兩只閥若損壞了，發生泄漏等緊急情況，這時就需要在安全切斷閥上游安裝手動的快速切斷閥，一方面為了快速切斷主管道燃料供應，另一方面可以保障管道安全，在燃燒器出現意外時可以迅速切斷手動快切閥，還有就是對于長期停用的燃燒器，關閉手動快切閥是必要的。無論是燃油還是燃氣設置快速手動切斷閥的目的就是有效的隔離燃料。

2 安全切斷閥切斷時間計算方法[3]

安全閥允許切斷時間的確定對于燃氣鍋爐供氣系統快速切斷閥的選擇至關重要。下面介紹一種計算切斷時間的方法。

1）工程上使用的燃氣，幾乎都是數種可燃氣體的混合物，其爆炸極限可用勒.查特列（Le Chatelier）公式計算：

當燃氣中不含惰性氣體時：

當燃氣中含有惰性氣體時：

式(1)、式(2)中：

Xi——燃氣中各可燃組分的體積百分數，%；

Li——燃氣中各可燃組分爆炸極限（上限或下限），%；

X——惰性氣體的體積分率。

（2）快速切斷閥關閉過程的流量特性如圖1所示。

圖1 快速切斷閥關閉過程的流量特性圖

由圖1可知，快速切斷閥開始關閉時間為T0時，燃氣流量為Q0；當快速切斷閥關閉后時間為T1時，燃氣流量為0（不計泄漏量）。因此在時間間隔ΔT=T1-T0內，進入鍋爐爐膛的燃氣體積（即圖中陰影部分的面積）為：

3）當進入鍋爐爐膛的燃氣體積Vd與爐膛內空氣體積（其數值等于爐膛容積Vl）混合后的體積含量小于燃氣的爆炸極限（下限）Ldx，那么就可以避免發生爆炸危險：

進入爐膛的燃氣體積Vd，為了使選擇的快速切斷閥更安全可靠，計算中忽略了燃氣擴散、爐膛中滯留煙氣、引風機倒轉、煙囪抽力及爐膛泄漏等因素對Vd的微小影響。將式（3）代入式（4）得：

式中：

ΔT——快速切斷閥的允許切斷時，s；

Ldx——燃氣爆炸濃度下限，%；

V1——鍋爐爐膛容積，m3；

Q0——額定工況下進入鍋爐的燃氣流量，m3/s。

由此，可根據式（5）計算快速切斷閥允許切斷時間。選擇切斷時間小于ΔT，泄漏率較小的閥門作為快速切斷閥。

3 總結

必須對燃氣泄漏加以高度重視，應確保管路密封，定期對管路檢漏。對于內漏一般應采取如下幾種方法加以預防和控制：

1）高爐煤氣鍋爐應保證足夠的吹掃時間和吹掃風量，使爐內燃氣濃度在爆炸極限以下；

2）安裝管路泄漏檢測裝置，在點火前對燃氣管路進行泄漏檢測，若燃氣泄漏達到一定數值就立即鎖定燃燒器的工作；

3）應選擇切斷時間小于式（5）計算出的快速切斷時間ΔT且泄漏率小的切斷閥。

4）提高高爐煤氣鍋爐系統的安全性，在燃氣管路上可采用兩個切斷閥串聯結構。

[1] 安悅,張智羽.燃煤鍋爐改燃高爐煤氣時燃燒器的選擇[J].內蒙古科技與經濟,2008(12).

[2] 童敏.燃氣燃燒器安全控制技術探討[J].中國石油和化工標準與質量,2012(01).

[3] 李佳良,趙寶林.燃氣鍋爐供氣系統快速切斷閥的選擇[J].本鋼技術,2008(03).

[4] 孫琦,等.關于安全閥整定壓力判定方法的討論[J].中國特種設備安全，2014，30（5）30—32.

[5] 廖曉煒,等.燃燒器吹掃過程理論分析及數值模擬[J].中國特種設備安全，2011，27（11）6—9.

Common Problems Analysis of Gas Leakage Safety Control and Shut-off Time Calculation Method of Safety Shut-off Valve for Blast Furnace Gas Burner

Shan Tianyu1 Liu Feng2
(1.College of Information Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University Daqing 161139)
(2.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

The gas leakage common problems of the blast furnace gas burner were lack of safety shut-off valve, not enough safety valve or hand / electric regulating valve instead of the safety shut-off valve and analyzed.At the same time, it also introduced a kind of Shut-off Time Calculation Method of Safety Shut-off Valve for Blast Furnace Gas Burner.

Blast Furnace Gas Burner leakage Safety Shut-off time

X933.4

B

1673-257X(2015)06-76-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.017

單天禹(1993～), 女,本科，從事工業儀器儀表自動化控制研究工作。

2015-04-30）