干熄焦鍋爐爆管故障快速診斷和處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃增榮，段敦兵，李志偉

(廣東韶鋼松山股份 煉鐵廠焦化作業(yè)區(qū), 廣東 韶關(guān) 512123)

干熄焦鍋爐在干熄焦工藝中起著回收能源、產(chǎn)生蒸汽同時(shí)冷卻循環(huán)氣體的作用。在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下，循環(huán)氣體在干熄爐內(nèi)與焦炭進(jìn)行熱量交換，循環(huán)氣體溫度被加熱到880～960 ℃，經(jīng)過一次除塵后，進(jìn)入干熄焦鍋爐，與鍋爐內(nèi)的熱水進(jìn)行熱交換，溫度降至160～180 ℃，經(jīng)過二次除塵、熱管換熱器后再進(jìn)入干熄爐循環(huán)利用。經(jīng)過除氧的鍋爐給水經(jīng)省煤器加熱進(jìn)入汽包，汽包里面的飽和水通過下降管、強(qiáng)制循環(huán)泵、上升管在蒸發(fā)器中與循環(huán)氣體進(jìn)行熱交換產(chǎn)生飽和蒸汽回到汽包，飽和蒸汽經(jīng)過一次過熱器、二次過熱器，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽，減溫器將過熱蒸汽溫度控制在450 ℃，通過蒸汽管送往發(fā)電廠。

鍋爐作為干熄焦裝置最重要的部分之一，爆管事件時(shí)有發(fā)生,是干熄焦鍋爐發(fā)生的嚴(yán)重生產(chǎn)事故之一，爆管故障快速診斷和處理對(duì)干熄焦安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。本研究通過設(shè)計(jì)爆管故障樹，并在控制系統(tǒng)中嵌入故障樹，在HMI監(jiān)控畫面上顯示爆管類型，以實(shí)現(xiàn)爆管故障的快速診斷和處理。

1 干熄焦鍋爐爆管故障樹的設(shè)計(jì)

1.1 鍋爐煙氣流程和水汽流程分析

鍋爐本體煙氣系統(tǒng)流程。吸收了紅焦顯熱的循環(huán)氣體從干熄焦冷卻室出來，經(jīng)過一次除塵器除去粗顆粒焦粉后從鍋爐入口進(jìn)入，垂直往下先后流經(jīng)二次過熱器、一次過熱器、光管蒸發(fā)器、鰭片管蒸發(fā)器、省煤器，最后從鍋爐底部引出。

鍋爐本體汽水系統(tǒng)流程。鍋爐給水由多級(jí)離心泵升壓后向鍋爐供水，除鹽除氧純水經(jīng)省煤氣預(yù)熱后進(jìn)入鍋筒。鍋筒爐水分為強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)部分(圖1). 兩部分產(chǎn)生的汽水混合物在鍋筒中進(jìn)行汽水分離，飽和蒸汽由鍋爐上部導(dǎo)出，經(jīng)一次過熱器升溫后，進(jìn)入減溫器噴水降溫，然后進(jìn)入二次過熱器繼續(xù)升溫，從二次過熱器引出的蒸汽即為外供主蒸汽[1].

圖1 鍋爐本體汽水系統(tǒng)流程圖

1.2 鍋爐爆管故障主要原因分析

鍋爐爆管主要是指受熱面管子(過熱器管、蒸發(fā)器管、省煤器管、水冷壁管)的爆管事故。當(dāng)受熱面管子爆漏時(shí)，高溫高壓汽水噴出，不但需要停爐，影響生產(chǎn)，而且容易造成人員的傷亡。鍋爐爆漏的主要原因見表1.

1.3 鍋爐爆管故障現(xiàn)象分析

干熄焦鍋爐爆管后的異常現(xiàn)象，主要是根據(jù)以下8種異?，F(xiàn)象進(jìn)行判斷[2]：

1) 循環(huán)氣體中的H2含量突然急劇升高。

2) 鍋爐蒸汽發(fā)生量明顯下降或鍋爐給水量明顯上升，而且給水量明顯大于蒸汽發(fā)生量。

3) 預(yù)存室壓力調(diào)節(jié)放散閥的出口有明顯的蒸汽冒出。

4) 鍋爐底部、循環(huán)風(fēng)機(jī)底部有明顯的積水現(xiàn)象。

5) 二次除塵器的排灰閥有水跡或排出濕灰。

6) 其他循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)阻力明顯變大，系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)差壓發(fā)生明顯變化，循環(huán)風(fēng)量明顯降低。

7) 干熄爐預(yù)存室壓力大幅度波動(dòng)。

8) 鍋爐外壁有表皮剝落或變色現(xiàn)象。

以上總結(jié)了干熄焦鍋爐爆管后的異?，F(xiàn)象，對(duì)判斷爆管有較強(qiáng)的指導(dǎo)性，但是實(shí)際生產(chǎn)中，不同部位的爆管呈現(xiàn)出的現(xiàn)象有較大的差別，爆管的嚴(yán)重程度不同，故障現(xiàn)象也不同。根據(jù)鍋爐原理，結(jié)合工作實(shí)際，不同部位的爆管所表現(xiàn)出的主要故障現(xiàn)象[3]見圖2.

表1 受熱面管子爆管的主要原因表

圖2 鍋爐不同受熱面爆管的主要故障現(xiàn)象圖

1.4 鍋爐爆管故障樹

故障樹又稱為錯(cuò)誤樹，是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，主要通過事件符號(hào)、邏輯門符號(hào)以及轉(zhuǎn)移符號(hào)，表示事故或者故障事件發(fā)生的原因及其邏輯關(guān)系的邏輯樹圖。故障樹具有表達(dá)直觀、易于建模的優(yōu)勢(shì) ,利用故障樹表示干熄焦余熱鍋爐受熱面爆管的故障規(guī)則 ,并在故障樹中融入人工經(jīng)驗(yàn)，在故障樹的基礎(chǔ)上進(jìn)行故障診斷和故障排查。以鍋爐爆管為總目標(biāo)(頂事件)，依據(jù)系統(tǒng)原理找出導(dǎo)致故障發(fā)生全部因素(中間事件)，再尋找中間事件發(fā)生的全部因素，按照此方式一直追溯到引起爆管的全部原因，將爆管故障與中間事件和底事件之間的邏輯關(guān)系用邏輯門聯(lián)系起來，形成樹形圖。干熄焦鍋爐爆管故障樹見圖3.

圖3 鍋爐爆管故障樹圖

2 故障樹的應(yīng)用

2.1 將故障現(xiàn)象嵌入控制程序，用程序判斷故障爆管的類型

根據(jù)鍋爐不同受熱面爆管的主要故障現(xiàn)象，將儀表能檢測(cè)的參數(shù)用程序來判斷爆管的類型(表2)，并在監(jiān)控畫面顯示。監(jiān)控人員根據(jù)監(jiān)控畫面的爆管類型及故障樹(圖4)，進(jìn)行相應(yīng)的操作、檢查和確定故障部位。

表2 程序判斷故障爆管的類型示例表

圖4 蒸發(fā)器爆管故障排查圖

2.2 利用故障樹程序和畫面快速處理爆管故障

2.2.1 爆管故障現(xiàn)象及分析判斷

2021年5月25日9：50，韶鋼1#CDQ循環(huán)氣體畫面報(bào)警，氫氣(H2)濃度異常升高，最高至6.25%(正常0.3%以下)，監(jiān)控畫面“蒸發(fā)器爆管”閃爍，檢查預(yù)存室壓力調(diào)節(jié)放散管，發(fā)現(xiàn)有大量蒸汽冒出。蒸發(fā)器爆管漏出的水或汽隨循環(huán)氣體進(jìn)入干熄爐，與紅焦發(fā)生水煤氣反應(yīng)，造成循環(huán)氣體中的H2與CO含量急劇上升，導(dǎo)致氫氣(H2)濃度達(dá)到6.25%.

2.2.2 快速處理方法及步驟

步驟1：干熄爐操作處理。加入氮?dú)?，充氮? 000 m3/h；風(fēng)機(jī)設(shè)置38%:關(guān)閉平板閘門，振動(dòng)給料器內(nèi)焦炭排空;關(guān)閉主蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥前手閥、各疏水、取樣閥，開飽和蒸汽排空閥和汽包排空閥，為打壓做準(zhǔn)備；降低爐壁溫度在200 ℃以下，停止循環(huán)風(fēng)機(jī)，打開鍋爐各級(jí)人孔檢查。

步驟2：根據(jù)故障樹檢查除塵器熱電偶、強(qiáng)制循環(huán)水泵流量、循環(huán)水量和蒸汽量、除鹽水站工作情況，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水量下降、蒸汽下降。

步驟3：檢查鰭片管蒸發(fā)器。在鰭片管蒸發(fā)器人孔處發(fā)現(xiàn)鰭片管蒸發(fā)器有3根管泄漏。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在鰭片管損壞不超過20%的情況下，其換熱效果不會(huì)受到影響；通過軸流風(fēng)扇對(duì)鰭片管蒸發(fā)器處人孔通風(fēng)降溫至50 ℃后對(duì)泄漏管進(jìn)行堵管作業(yè)。

作業(yè)區(qū)于5月27日3：09鰭片管3根管堵管順利完成。5月27日19∶56 1#CDQ開始裝入第一孔紅焦，標(biāo)志該次檢修作業(yè)完成，整個(gè)檢修工作僅用時(shí)52小時(shí)，創(chuàng)造了該廠處理同類鍋爐爆管事故時(shí)間最短記錄。恢復(fù)生產(chǎn)后氫氣(H2)正常運(yùn)行曲線見圖5.

圖5 恢復(fù)生產(chǎn)后氫氣(H2)正常運(yùn)行曲線圖

3 處理效果分析及預(yù)防措施

3.1 處理效果分析

1#CDQ鍋爐于2008年10月投入生產(chǎn)，干熄焦鍋爐在長(zhǎng)期使用過程中，由于處于干熄焦循環(huán)氣體通道中央位置，長(zhǎng)期受到循環(huán)氣體中焦粉磨損而變薄，易穿孔導(dǎo)致鍋爐水汽泄漏，造成爆管事故；另外驟變的T6溫度對(duì)于鍋爐設(shè)備的熱膨脹性能有較大影響。從2015年起至今1#CDQ鍋爐省煤器共爆管4次，鍋爐吊頂管共爆管2次，蒸發(fā)器爆管1次。使用故障樹方法進(jìn)行爆管處理，加快了處理的整個(gè)過程。

3.2 預(yù)防措施

設(shè)備超期服役及長(zhǎng)期惡劣的使用環(huán)境是干熄焦鍋爐爆管的主要原因，對(duì)于已經(jīng)超過使用期限的干熄焦鍋爐需要加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)管，做好現(xiàn)場(chǎng)特別對(duì)關(guān)鍵參數(shù)氫氣(H2)濃度的監(jiān)測(cè)，及時(shí)報(bào)警發(fā)現(xiàn)事故。另外，采用智能干熄爐控制系統(tǒng)，即通過自動(dòng)控制排焦、預(yù)存室壓力、CO濃度、循環(huán)風(fēng)量，減少人工操作帶來爐況波動(dòng)，提供穩(wěn)定爐況特別是T6溫度將對(duì)干熄爐保護(hù)有顯著效果。

4 結(jié) 語

通過設(shè)計(jì)干熄焦鍋爐爆管故障樹，并在控制系統(tǒng)中嵌入故障樹，同時(shí)在HMI監(jiān)控畫面上顯示爆管類型，協(xié)助操作人員用程序判斷故障爆管的類型，利用故障樹程序和畫面快速處理爆管故障。經(jīng)過韶鋼1#干熄焦一起鰭片蒸發(fā)器爆管事故的處理驗(yàn)證，表明用故障樹系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)爆管故障快速處理的目的。