工業燃煤蒸汽鍋爐故障模式分析及事故預防

劉 鐸*

（沈陽特種設備檢測研究院）

0 引言

鍋爐在人民生活中有著巨大的作用，一旦發生事故，產生的危害也是巨大的。近年來，鍋爐技術有了很大的發展，數量也日漸增多，根據不完全統計，我國僅工業鍋爐就有30 余萬臺。鍋爐是一種可承受高壓高溫、具有爆炸危險的特種設備，由于受到運行管理人員和司爐人員的影響，鍋爐事故時有發生，特別是爆炸、爆管、缺水等惡性事故和重大事故還無法徹底避免，可能會危害人民生命財產安全。對近年來的鍋爐事故進行統計后可知，因鍋爐運行、管理及操作不當而發生的鍋爐爆炸事故和重大事故占事故總數的80%以上。鍋爐運行中出現的事故大致可以分為3 類：

（1）爆炸事故是指鍋爐中的主要受壓部件（如鍋筒（殼）、集箱、爐膽、管板等）發生破裂爆炸事故。鍋爐爆炸具有巨大的破壞力，這是由于鍋爐內的高溫高壓蒸汽介質具有巨大的能量，在鍋爐爆炸時瞬間所釋放的能量即為爆炸能量。將歷年來國內外鍋爐爆炸事故進行統計比較后可知，鍋爐爆炸大致可分為超壓爆炸、缺陷導致的爆炸以及嚴重缺水導致的爆炸。鍋爐爆炸事故常會導致設備、廠房損壞和人員傷亡，造成重大損失。

（2）重大事故是指鍋爐無法維持正常運行而被迫停爐，主要有缺水事故、滿水事故、汽水共騰、爐管爆破、過熱器管損壞、省煤器管損壞、水擊、爐膛爆炸、二次燃燒等。這類事故雖然不如爆炸事故嚴重，但也會造成設備損壞和人身傷亡，并使鍋爐被迫停運，造成嚴重的經濟損失。

（3）一般事故是指在運行中可以排除的事故或經過短暫停爐即可排除的事故，其影響和損失較小。

本文根據系統安全的分析方法對工業燃煤蒸汽鍋爐的事故模式進行分析，主要利用預先危險性分析方法分析系統的危險因素，找出導致鍋爐系統發生事故的主要因素。使用故障類型與影響分析方法對鍋爐系統主要部件可能發生的事故、處理辦法及這些故障類型對系統的影響做出分析。最后根據分析結果按照最小風險設計、安全裝置的使用、報警裝置的應用、制定專用規程和進行培訓的順序對鍋爐系統進行事故預防，減小鍋爐事故發生的概率。

1 工業燃煤蒸汽鍋爐事故危險因素辨識與分析

1.1 危險因素辨識

（1）超壓爆炸

運行壓力超過鍋爐最高的允許工作壓力，鋼板（管）應力增高超過極限值，同時安全閥與超壓聯鎖失靈有超壓爆炸的危險性。

（2）缺水事故

由于司爐工誤操作，水位表或自動給水裝置失靈，以及省煤器滲漏大量跑水或排污閥關閉不嚴、止回閥故障等原因造成缺水事故的危險性。

（3）滿水事故

司爐工失職、水位表故障、自動上水失靈有導致滿水事故的危險性。滿水事故會使蒸汽大量帶水會降低蒸汽品質甚至發生水擊，損壞管道，破壞用汽設備。

（4）汽水共騰

水質不符合要求，鍋爐水含量達到臨界值，或超負荷運行，用汽量突然增加，壓力降低過快有造成汽水共騰的危險性。

（5）結垢、腐蝕與結渣

水質不良會使鍋爐結垢、腐蝕；煤質不良，吹灰和鍋爐清理不當會造成鍋爐結渣，有導致鍋爐爐管爆破甚至鍋爐爆炸的危險性。

（6）爐膛爆炸

點火不當，或熄火后爐膛內可燃物未排除，其與空氣混合達到爆炸下限，在點火或遇引爆能量的作用下，有發生爐膛爆炸的危險性。

1.2 工業燃煤蒸汽鍋爐的預先危險性分析

綜上所述，鍋爐的主要危險因素是缺水、鍋爐結垢與腐蝕、焊接缺陷超壓、人員操作不當等。所以根據有害因素分析，該系統可能發生的故障或事故包括水位事故（如缺水、滿水、汽水共騰等）、爆炸事故、設備結垢或腐蝕等，因此可采用預先危險性分析方法分析工業燃煤蒸汽鍋爐的危險因素、后果、危險等級及可采取的預防措施。

2 工業燃煤蒸汽鍋爐的故障類型與影響分析

2.1 工業燃煤蒸汽鍋爐系統分析

鍋爐系統主要由汽水系統、燃燒系統及爐體內相關的部件及安全附件組成。汽水系統包含給水設備、省煤器、鍋筒（殼）、對流管束、水冷壁、過熱器等。燃燒系統包含鼓風機、引風機、煙風管道、給煤裝置、除塵器、煙囪等。安全附件主要包含安全閥、水位表、壓力表、水位報警器等。爐體內相關部件包含管道、爐膛、一些閥門及排污裝置等。

2.2 工業燃煤蒸汽鍋爐系統工作原理

鍋爐工作過程主要是燃料由皮帶運煤機送入煤倉，再送入位于爐膛下部的爐排，一邊隨爐排運動一邊燃燒。空氣由鼓風機送入空氣預熱器預熱，再被送入爐排下部的風室并通過爐排進入爐膛進行燃燒。燃燒的產物在爐膛、煙道中一邊運動一邊向汽水系統傳遞熱量，自身溫度不斷降低，最后經除塵器、鼓風機排入煙囪。

同時，經過合格處理的水由水泵送入省煤器，省煤器布置在煙道后邊，煙氣在外部沖刷省煤器而水在省煤器內部流動，因而發生煙氣與水的熱交換使煙氣降溫。升溫后的水通過管道送入鍋筒（殼），再分成兩路循環流動：一路經下降管進入水冷壁，另一部分進入對流管束分別吸熱形成汽水混合物的形式再流回鍋筒（殼）。汽水混合物在鍋筒（殼）中經過分離，與省煤器中加入的水混合，繼續進入水冷壁和對流管束循環流動，分離出的飽和蒸汽則進入蒸汽過熱器，吸熱升溫至額定的溫度成為過熱蒸汽，然后送入供汽的分汽缸，工業鍋爐系統工作原理如圖1 所示。

圖1 工業燃煤蒸汽鍋爐系統工作圖

2.3 工業燃煤蒸汽鍋爐故障類型與影響分析

根據鍋爐的系統功能框圖可以判明系統中所有可能發生的故障類型以及這些故障類型對系統的影響。對工業燃煤蒸汽鍋爐的事故類型與影響分析中主要根據鍋爐系統各主要部件常見的發生的事故類型進行原因分析并提出解決方案，最后分析這些事故類型對整個鍋爐系統的影響。

在故障類型與影響分析中主要研究的部件包括鍋爐的安全附件。主要閥門，鍋爐工作的主要設備。綜上所述，可采用故障類型與影響分析對工業燃煤蒸汽鍋爐進行故障類型、觸發原因、故障消除措施及對系統的影響進行分析。

3 工業燃煤蒸汽鍋爐事故預防

對事故影響因素進行分析，可在系統安全優先次序的前提下對鍋爐事故進行預防。系統安全優先次序是最小風險設計，安全裝置的應用，報警裝置的應用，制定專用規程和進行培訓。

3.1 最小風險設計

最小風險設計應在設計階段消除可能發生的風險。根據鍋爐應用的環境條件合理設計鍋爐的結構，依據國家有關的鍋爐設計規定進行研究設計。

工業鍋爐一般容量小于65 t/h，工作壓力通常小于3.8 MPa，設計時必須根據鍋爐的基本參數進行合理設計，保證鍋爐正常運行的能源使用和生產效率。在結構設計階段要重點考慮鍋爐的使用地點和環境，正確選擇鍋爐部件型號并合理安排鍋爐各部件的結構位置，如吹灰機、爐排、吸水管等主要部件的結構位置，防止鍋爐不正常燃燒、爐膛事故、鍋爐結渣、爐管爆破等事故發生。

根據鍋爐工作壓力和容量以及鍋爐的應用場所和鍋爐作用對鍋爐進行設計計算，主要包括鍋爐鋼結構計算、鍋爐抗震計算、鍋爐焊角強度計算，鍋爐水壓計算、鍋爐熱力學計算、受壓元件的強度計算等，防止鍋爐的結構破壞和元件的損壞。

3.2 安全裝置應用

對工業燃煤蒸汽鍋爐系統對于已識別的危險和在設計階段不能充分降低的危險，通過裝配安全保護裝置以降低鍋爐系統發生危險的頻率和減少鍋爐事故發生后的損失。

鍋爐系統需要安裝的主要安全裝置有安全閥，水位表，自動給水裝置，自動滅火裝置，點火程序，自動控制風機，燃料供給聯鎖裝置，自動吹灰裝置，排污裝置，水處理檢測裝置，防護欄，止回閥及蒸汽閥以及一些相應的聯鎖裝置，如當全部引風機斷電時，可自動切斷全部送風和燃料的供應，當全部引風機斷電時，自動切斷全部燃料的供應。煤粉爐應有爐膛風壓保護裝置，爐膛負壓過高或過低時應發出警報。同時還應設置相應的備用裝置（如備用電源、風機等），防止鍋爐被迫停爐時可以繼續進行生產。

燃煤粉的室燃鍋爐應當裝設點火程序控制裝置和熄火保護裝置，并且滿足以下要求：（1）在點火程序控制中，點火前的總通風量應當不小于3 倍的從爐膛到煙囪進口煙道總體積；0.5 t/h（350 kW）以下的液體燃料鍋爐通風時間至少持續10 s，鍋殼鍋爐、貫流鍋爐和非發電用直流鍋爐的通風時間至少持續20 s，水管鍋爐的通風時間至少持續60 s；因結構原因不易做到充分吹掃時，應適當延長通風時間；（2）單位時間通風量一般保持額定負荷下的燃燒空氣量，對額定功率大的燃燒器，可以適當降低但不能低于額定負荷下燃燒空氣量的50%；（3）熄火保護裝置動作時，應當保證自動切斷燃料供給，并進行充分后吹掃。

通過這些基本裝置來降低鍋爐超壓、缺水、結渣、腐蝕、爐膛的爆炸，汽水倒流及蒸汽的泄漏等事故發生的可能性。

3.3 報警裝置的應用

通過設計和安全保護裝置還不能降低鍋爐的一些危險時，可在鍋爐系統上裝備一些安全報警裝置。當鍋爐發生故障時可以發出警報，使工作人員及時發現故障并對故障進行處理，防止發生重大事故。

鍋爐系統的主要報警裝置應安裝壓力報警系統，當鍋爐發生超壓時發出警報，防止鍋爐超壓爆炸，報警情況主要有以下幾種：

（1）高低水位報警系統，對鍋爐水位進行監測，一旦鍋爐水位過高或過低時發出報警防止鍋爐的缺水，滿水事故。

（2）爐膛壓力報警系統，當爐膛壓力過高或過低時發出報警，預防爐膛爆炸事故的發生。

（3）蒸汽報警系統，鍋爐爐內蒸汽過小或過大時發出報警，防止鍋爐的超壓爆炸事故。

（4）電力報警系統，對電力故障發出報警，避免由于電力原因造成鍋爐的被迫停爐。

（5）燃燒報警裝置，對鍋爐的不正常燃燒進行報警，防止爐膛的爆炸及爐墻損壞等事故。

（6）水質報警裝置，對進入鍋爐的用水進行檢測，不符合鍋爐用水標準進行報警，防止鍋爐結垢導致其他重大事故的發生。

3.4 制訂專用規程和進行培訓

當通過設計，安全裝置和報警裝置的使用后也不能充分降低鍋爐的有關風險，則可以通過制定相關的使用規程和人員培訓來降低鍋爐的風險。

（1）規程制定

首先編制鍋爐的安全運行方法，要求工作人員嚴格要求這些規定對鍋爐進行使用。其次對工作人員的行為編制相應的規定包括人員的上下班、交接班的規定，工作中行為、服裝的規定。并制定人員工作行為考核制度，對工作人員進行定期的考核。

（2）人員培訓

對工作人員進行專業知識和安全教育培訓和考核。安全教育培訓，對鍋爐工作人員進行安全教育，主要內容是產生鍋爐事故或故障的主要因素，鍋爐事故的危害性教育，鍋爐發生事故后的解決方法，鍋爐工作人員在工作時的個人行為，同時制定考核制度，對鍋爐工作人員進行定期的安全工作考核。

（3）建立鍋爐事故應急預案

一旦發生事故，可以使工作人員能夠合理處置事故，防止發生更加嚴重的事故。同時在鍋爐的一些危險區域設立安全警告板以提醒人員。

一些鍋爐單獨使用以上各方法不能很好地降低鍋爐的危險性，則可以通過聯合使用的方法來降低鍋爐的危險性，但必須遵守系統安全優先次序，因為系統安全的最終目的是讓設計的系統不包含能導致不可接受的事故風險水平的危險。

4 結語

工業鍋爐在人民的生產生活中起著重要作用，鍋爐事故會造成巨大的經濟損失甚至造成人員傷亡。因此，本文主要對工業燃煤蒸汽鍋爐進行了系統的安全分析。

（1）通過對鍋爐危險因素的預先危險性分析，鍋爐超壓、缺水、爐膛爆炸導致鍋爐停爐，造成人員傷亡和巨大的經濟損失，都會造成巨大的影響。而汽水共騰、滿水事故、鍋爐的腐蝕、結渣和結垢會造成鍋爐部件損壞，嚴重時會導致鍋爐被迫停爐，造成經濟損失。

（2）對工業燃煤蒸汽鍋爐的故障類型與影響分析主要是針對鍋爐系統的主要組成部件，通過分析得出鍋爐的主要故障原因主要是人員操作不當，部件的缺陷、損壞，鍋爐在設計階段的結構設計不合理、鍋爐清理及時或方法不當，鍋爐給水質量不良等。

（3）在預防中首先在設計階段消除一些可能導致事故發生的危險因素，根據國家有關標準合理設計鍋爐結構，進行水壓和熱力學等試驗選擇合理的材料以及適合的鍋爐部件。通過使用安全裝置，應用報警裝置及對工作人員進行培訓和考核，使工作人員深刻認識鍋爐，安全使用鍋爐，并定期進行專業考核。