有機熱載體鍋爐安全運行的幾個主要把控點

吳運良 劉 威 何 濤 葉劍文

(1.廣州特種承壓設備檢測研究院 廣州 510063)

(2.廣州市南沙區市場和質量監督管理局 廣州 511455)

由于有機熱載體鍋爐系統是采用高溫循環泵將有機熱載體與用熱設備發生熱量交換后返回鍋爐重新加熱的強制閉路循環系統，因此有機熱載體在鍋爐安全運行中擔任著非常重要的角色；同時加上復雜多變的工藝系統，容易衍生各種各樣問題，引起使用過程事故多發，輕則發生過熱、氧化、管路積碳、結焦爆管等失效現象，重則引發火災、爆炸等重大事故。

1 系統結構對鍋爐安全的影響

1.1 循環泵的匹配問題

循環泵額定功率、流量、揚程應符合鍋爐設計技術文件要求，同時運行時泵本身的性能曲線與管路特性曲線相交的工作點要滿足鍋爐的設計流量、揚程要求，以此保證鍋爐在不低于最小限制流速下運行。若出現以下情況時，應重新對系統阻力和注油量進行計算校核，并校核循環泵及高、低位膨脹罐容積和高度能否滿足鍋爐的安全運行要求：

1）鍋爐長期運行管道積碳形成系統阻力的增加，車間用熱設備的增加，管路結構改變和長度增加，膨脹槽高度發生變化。

2）循環泵功率改小或因長期服役導致的泵體老化、功率下降、性能曲線下移、體積流量和揚程下降。

3）循環泵揚程高于鍋爐額定壓力。

1.2 鍋爐并聯運行問題

●1.2.1 鍋爐并聯運行且共用膨脹罐

當兩臺鍋爐并聯運行且共用膨脹罐時，因爐型不同使得鍋爐本體管路阻力相差懸殊，而由此產生的揚程損失差值完全由鍋爐循環泵的揚程來平衡。因此阻力大的鍋爐中有機熱載體流速慢，阻力小的流速快，從而使兩臺鍋爐有機熱載體產生嚴重偏流。鍋爐并聯時，一定要注意鍋爐爐型、管路阻力不能相差懸殊，以免產生有機熱載體偏流等異常狀況，防止鍋爐事故的發生[1]。

●1.2.2 鍋爐并聯運行不共用膨脹罐

當兩臺鍋爐并聯運行且不共用膨脹罐時，若兩者油氣分離器至循環泵之間的阻力不同，則兩臺鍋爐膨脹罐產生的液位高度也不相同。如果兩臺鍋爐膨脹罐的液位高低差較懸殊時，則會引起兩個膨脹罐液相差過大，造成定壓系統失衡，從而導致有機熱載體超溫，影響鍋爐運行安全[1]。

1.3 流量（差壓保護）保護值的整定問題

●1.3.1 低流量、低流速的影響

液相強制循環有機熱載體鍋爐運行時，應密切關注鍋爐有機熱載體循環流量、流速及壓力等運行參數，防止出現有機熱載體循環低流量、低流速以及鍋爐超壓或低壓等異常狀況。《鍋規》11.2.5條規定設計時應當提供最小限制流速的計算結果（允許最小體積流量），但實際運行中由于車間用熱設備的增加、循環泵性能下降，有機熱載體循環流量會發生偏低，流速減慢的情況。若按原熱功率運行，勢必使鍋爐供、回油溫差增大，甚至出現有機熱載體超溫。

●1.3.2 差壓控制

差壓報警聯鎖裝置是通過監測鍋爐進出口壓力差實現聯鎖控制的，其實為流量監測的一種形式，用以判斷鍋爐循環有機熱載體的流動狀況是否滿足設定要求。差壓表征導熱油在鍋爐內部管道流動的速度，壓差大，流速快；壓差小，流速慢。（ΔpL=lλρv/8Rs，其中：l——管道長度；λ——摩擦損失系數；Rs——管道的水力半徑；ρ——導熱油密度；v——導熱油流速）；如果壓差過大，管道可能堵了；壓差過小，則導熱油流速小，導熱油流速太小會過熱失效。鍋爐調試時，調試人員應根據設計所需最小限制流速，按伯努利方程式計算進出口壓力差，并以此壓力差值進行設定。一般情況下，壓差不應低于0.05MPa，不應高于0.25MPa。因此保持正常的壓差是保證鍋爐安全運行的第一要素。一般常見問題和原因有：

1) 進出口壓力差過小：爐內管路有泄漏或爐管內有氣體油導致有機熱載體流動阻力減小，也可以是系統循環流量太低。

2) 進出口壓力差過大：爐內管路可能有堵塞導致局部阻力增大。

●1.3.3 流量控制與差壓控制比較

流量保護工作原理和功能與差壓保護基本相同，都是反映爐內管路導熱油流速狀況；流量控制比差壓控制更精準靈敏可靠，調試人員一般根據設計技術文件提供的低流量整定值進行設定，或可根據最小限制流速計算：v=Q/3600F，v——循環流速；Q——體積流量；F——流通截面積（F=1/4πd2n；d——受熱面管流通直徑；n——并聯受熱面管數量）。

1.4 膨脹罐高、低液位保護動作問題

●1.4.1 膨脹罐設置高度的要求

開式膨脹罐的位置不應設置過高，過高則將引起膨脹罐內液位過低和將致使系統內設備的壓力升高，有可能超過鍋爐、設備的額定壓力，影響鍋爐的運行安全；但也不應設置過低，如果最高用油點超過膨脹槽高度，有可能使最高點出現負壓氣化，過低則鍋爐運行時將產生循環泵汽蝕或引起有機熱載體溢出等問題。其安裝高度的計算，還需考慮系統最高點，系統內承壓元件的額定壓力[1]。

●1.4.2 膨脹罐功能

膨脹罐用以調節和容納系統中有機熱載體從環境溫度升高到最高工作溫度時的膨脹量，在冷態情況下，膨脹罐內一般儲存著系統總容量的20%以上的有機熱載體，監檢員在安裝監檢時必須驗證膨脹罐調節容積是否符合鍋爐及系統的安全使用要求，試驗方法（有機熱載體完成脫氣和脫水工藝完成后）：

1）冷態試驗，在整個鍋爐及系統在環境溫度下，檢查膨脹罐是否出現低液位保護動作報警；

2）熱態試驗，在整個鍋爐及系統升溫到最高工作溫度下，檢查膨脹罐是否出現高液位保護動作報警。

在運行狀態下發生高液位和低液位保護反復動作報警往往是事故發生的先兆，必須引起高度重視。使用單位必須及時查明報警產生的原因，不得隨意復位運行，必要時委托第三方專業技術機構進行評估后才可繼續投用，否則，條件進一步惡化將導致鍋爐系統缺油或噴油著火等事故的發生。一般情況下，常見產生問題的原因有：

1）低液位保護動作報警，正常條件狀態下，鍋爐及系統存在泄漏風險的可能性較大。

2）高液位保護動作報警，正常條件狀態下，系統用熱設備熱交換器滲入水的風險可能性較大。

3）高、低液位保護反復動作報警，表明膨脹罐與系統不匹配，膨脹罐已失去調節系統中有機熱載體膨脹量的能力。

2 有機熱載體允許使用溫度

2.1 有機熱載體的溫度使用規定

《鍋規》4.6.1、11.1.4、11.1.5、11.2.5對鍋爐出廠資料及有機熱載體最高工作溫度、最高允許使用溫度、最高允許液膜溫度進行了如下規定：

1）出廠資料的要求：“產品出廠時，有機熱載體鍋爐應當提供液膜溫度計算書或者計算結果匯總表[2]”。

2）對有機熱載體最高工作溫度要求：“有機熱載體的最高工作溫度不應當高于其自燃點溫度，并且至少低于其最高允許使用溫度10℃，燃煤鍋爐或者爐膛輻射受熱面平均熱流密度大于0.05MW/m2的鍋爐，有機熱載體的最高工作溫度應當低于其最高允許使用溫度20℃[2]”。

3）對有機熱載體最高允許液膜溫度要求：“有機熱載體的最高允許使用溫度小于或者等于320℃時，其最高允許液膜溫度應當不高于最高允許使用溫度加20℃；有機熱載體的最高允許使用溫度高于320℃時，其最高允許液膜溫度應當不高于最高允許使用溫度加30℃[2]”。

4）對有機熱載體計算最高液膜溫度要求：“鍋爐的計算最高液膜溫度不應當超過所選用的有機熱載體的最高允許液膜溫度[2]”。

2.2 在用鍋爐有機熱載體使用現狀

1）盲目選取有機熱載體。部分使用單位都是選取最高允許使用溫度低于或等于鍋爐額定出口溫度的有機熱載體。

2）對有機熱載體產品型式試驗報告不清楚。型式試驗報告存在由于有機熱載體產品的氧化安定性檢測結果不合格，注明僅限閉式系統使用，但使用單位卻隨意地用在開式系統中。

3）鍋爐定期檢驗與有機熱載體定期檢驗不關聯。實際檢驗中，鍋爐和有機熱載體檢驗往往是兩套檢驗人馬，鍋爐檢驗員基本只引用有機熱載體定期檢驗報告的結論；而《鍋爐水（介）質處理檢驗規則》附錄C《在用有機熱載體的檢驗報告》中，無有機熱載體的最高允許使用溫度這個項目的要求；因此鍋爐檢驗員無法確認和引用該溫度參數，而想當然地直接把鍋爐額定出口溫度作為檢驗結論允許使用溫度參數，使鍋爐檢驗結論存在不正確的可能。

3 案例

2015年廣州某區某電子有限公司的有機熱載體液相鍋爐在系統高溫運行狀態下（循環泵運轉），在更換鍋爐出口壓力表時，不慎在拆卸過程中發生噴油著火事故，鍋爐房內3臺鍋爐全部燒毀，幸無人員傷亡，直接經濟損失達1000萬元人民幣。

其使用情況：鍋爐型號YYW-9000Y（Q），額定出口壓力0.7MPa，額定出口溫度320℃，開式系統運行，在2001年至2007年運行期間使用L-QB300礦物型有機熱載體。2007年在車間增加用熱設備時（系統改造未對系統阻力和注油量重新進行計算校核，換油前未對鍋爐系統管路進行清洗），更換使用了L-QC320合成型有機熱載體。

日常運行參數：鍋爐運行時出口溫度315～320℃，回油溫度285～3 0 0℃，回油壓力0.45MPa。

鍋爐技術資料：1）有機熱載體型式試驗檢測報告中最高允許使用溫度為320℃；2）查液膜溫度計算書得知：鍋爐計算最高液膜溫度為330.97℃；3）歷次鍋爐定期檢驗報告結論允許使用溫度320℃。

原因分析：1）截止針閥因長期服役，關閉功能突然失效；2）高溫帶壓更換壓力表，違規操作；3）選溫不正確。日常運行鍋爐出口溫度320℃，也就是有機熱載體的最高工作溫度達到320℃，應選最高允許使用溫度不低于330℃的有機熱載體；根據《鍋規》11.1.4要求，有機熱載體最高允許使用溫度應選擇為320℃+10℃=330℃；根據《鍋規》11.1.5得知有機熱載體最高允許液膜溫度為330℃+30℃=360℃，鍋爐技術資料提供的鍋爐的計算最高液膜溫度330.97℃，不超過所選用的有機熱載體的最高允許液膜溫度360℃，滿足《鍋規》11.2.5要求。故選取大于最高允許使用溫度330℃的有機熱載體，才能保證鍋爐在其額定工況下安全運行；4）選型不正確。L-QC只適用閉式系統，鍋爐定期檢驗未進行油品安全符合性的審查。

綜上所述，L-QB300、L-QC320有機熱載體在長期超溫工況下運行，熱穩定性、熱氧化安定性、導熱性、閃點、運動黏度、5%低沸物的餾出溫度等物理和化學性質都不斷地惡性循環，導致油品劣化，安全性能不斷下降，一旦發生泄漏，必然容易引發火災等安全事故。

事故直接原因：違規操作。由于違規帶壓更換壓力表，壓力表根部的截止針閥服役時間較長，關閉功能突然失效，有機熱載體從截止針閥高溫噴射而出著火，發生火災事故。

事故間接原因：管理混亂，造成油品劣化。成因：1）有機熱載體選型錯誤；2）選溫錯誤；3）換油前無對系統管道進行清洗，礦物型油與合成型油混合使用造成污染，加速油品老化；4）車間用熱設備的盲目增加，未辦理相關手續，私自改變管路結構、增加長度；經核算，系統的循環泵功率、流量、揚程參數和高、低位膨脹罐容積都不能滿足鍋爐的安全使用要求。

4 總結

1）不得鍋爐及系統管路在高溫帶壓狀況下，更換、維修爐及系統管路上的測量元件及管道組成件。

2）建議《鍋爐水（介）質處理檢驗規則》附錄C二《在用有機熱載體的檢驗報告》中，增加有機熱載體的最高允許使用溫度參數項目內容。

3）有機熱載體選溫時，必須滿足鍋爐的計算最高液膜溫度的要求，當用戶提供不了液膜溫度計算書時，有機熱載體最高允許使用溫度一般應比加熱爐的出口最高工作溫度高出30～40℃可保安全。有機熱載體選型時，審查有機熱載體品種限制的傳熱系統類型是否滿足實際傳熱系統的類型。

建議鍋爐定期檢驗時檢驗人員應認真審查鍋爐液膜溫度計算書、有機熱載體產品型式試驗報告和每年的有機熱載體定檢報告；綜合鍋爐、系統和有機熱載體的實際安全限制條件狀況，綜合給定鍋爐允許使用溫度參數，有效地防止和減少事故的發生。

4）當發生低流量（差壓），超溫，高、低液位，超壓、低壓等異常狀況時，必須及時進行排查分析，找出原因后才可進行故障復位，建立制度，以防止鍋爐事故的發生。

5）鍋爐及系統的密封件出現輕微或不可見（蒸汽）的泄漏必須立即更換，建議鍋爐及系統的密封件及閥門服役滿10年更換一次，且每年應進行一次泄漏試驗；對一次性注油量大于10m3的系統，應對循環泵軸承和機封進行定期檢查，每2年（約運行15000h）更換一次。