熱水鍋爐及供熱系統突發停電的應急保護

盧玉新

(天津市豐源燃氣熱力工程設計有限公司 天津300199)

1 停電保護的意義

熱水鍋爐遭遇突然停電時，因循環泵停止，此時鍋爐爐墻和層燃爐的火床仍有大量余熱對爐水加熱(據測定有 10%～20%的熱負荷)，高溫水的正常流動遭到破壞，同時停泵使鍋爐及系統的壓力下降，相應水的飽和溫度降低，在鍋爐受熱面的局部區域爐水很快被汽化產生氣泡，造成局部真空。當周圍的水以很高的速度來填補時，會引起嚴重的水擊，使鍋爐本體及管網發生震動，嚴重者使管道破裂，爐墻震損。另外在停電停泵瞬間，壓力水管中的流體突然受阻，動能轉變成壓力能，使水泵吸水管路中水壓急劇增高，造成水擊并在系統中迅速傳遞，嚴重時會損壞散熱器、閥門及泵，因而必須采取防止爐水及系統高溫水汽化的措施。實驗證明自然循環熱水鍋爐因水容量大，停電后水循環可繼續進行，如操作得當，可避免汽化水擊。而強制循環熱水鍋爐由于水容積較小，容易發生汽化水擊，需高度重視。

2 強制循環熱水鍋爐預防突然停電的措施

適當加大各集箱的水容量，可以延長發生汽化水擊的時間或防止汽化水擊的產生。在強制循環熱水鍋爐輻射受熱面的設計中盡量使工質下進上出，并在爐外裝設管徑稍大于水冷壁的管子，在正常運行中，所裝設的管子為上升管，當突然停電時這些管子則為下降管，與爐內水冷壁構成自然循環回路。

3 熱水鍋爐運行中預防突然停電的措施

3.1 采用壓力上水防止熱水鍋爐的汽化

在突然停電時，補水泵、循環水泵停止工作，送、引風機停止工作，為防止發生汽化，一般應往鍋爐內通入自來水，使其在爐內進行循環，如圖1所示。

此時應關閉供回水總管閥門3和5，將熱源和網路切斷，再緩慢開啟放氣閥門，以防止鍋內壓力很快下降。由于自來水水壓的作用，逆止閥 6開啟，自來水經鍋爐1和集氣罐2排出，帶走爐膛余熱，避免了爐水的汽化，也就防止了由此引起的水擊。另外迅速打開爐門和省煤器的旁通煙道，使爐溫迅速降低。如果上水壓力足夠高，還可以對網路起定壓作用。此時逆止閥4打開，上水的壓力保證系統不發生汽化。

圖1 防止水擊、汽化管路系統Fig.1 Piping system for prevention of water hammer and vaporization

3.2 鍋爐自身進行放汽

在鍋爐的每個循環回路頂部都設置人工放汽閥或自動放汽閥。當停電時，如果鍋爐壓力升高到一定值，可開啟幾個閥放汽，保持鍋爐的壓力低于自來水、高位水箱、高位水塔或壓力罐的進水壓力即可。如果壓力不再升高，亦可暫時不放汽。待來電后，在啟動循環泵之前先啟動補水泵補水，并放排氣閥把余氣放盡。小型強制流動熱水鍋爐操作方便，常把放汽閥和進冷卻水閥設置在操作臺附近，以便停電時立即開啟這兩個閥門，使自來水通過鍋爐。

3.3 鍋爐受熱面適當加大管子直徑

受熱面管采用適當的管子直徑，內徑應大于38mm。經實驗證明：當突然停電時如管中水速接近于零，單根管子中的水會形成自身循環，靠近管壁的水會上升，上鍋筒或上聯箱中的水由管中央下降，對管子起到冷卻作用。

3.4 在采用氮氣罐定壓的系統中，

如圖2所示，可采用容水器防止熱水鍋爐遭遇突然停電時的汽化問題。在氮氣罐后設置一個容水器，在打開爐門、看火門及旁通煙道的同時立即關閉回水閥，打開氮氣瓶并緩慢開啟放水閥，使容水器在氮氣罐(氮氣瓶)的壓力作用下向鍋爐供水，再通過網路后由放水閥排出。通過調節放水閥的開度可控制放水量與放水時間。

停電停泵后，應將氮氣罐中氮氣的壓力提高至(Hd+△Pmax)停電前氮氣的壓力加上氮氣罐至放水閥之間的流動阻力。

容水器所需的容積可按下試計算：

式中：K 為富裕系數，取 1.01～1.02；G 為放水閥流量，主要與鍋爐供熱量、氮氣管定壓壓力及放水閥開度有關；v為高溫水比容；Tmin為放水閥最小放水時間，主要與鍋爐供熱量及爐墻結構有關。

圖2 氮氣定壓系統防止鍋爐汽化的系統和設備圖Fig.2 System and equipment diagram of nitrogen constant pressure system to prevent boiler vaporization

合理地設計氮氣罐容積是保證系統安全可靠運行的重要環節，氮氣罐的總容積為：

式中：V1為系統水的凈膨脹量；V2為氯氣罐內最小氣體空間；V3為低水位時的最小容積。

V1與供熱的運行方式(間斷或連續)、熱水的設計溫度差、熱水的溫升速度、系統的漏水率有關，經驗資料建議 V1取值為 2%～3%的供熱系統總水容量。漏損量小的大型民用建筑供熱系統，凈膨脹容積取較大值。

V2為氮氣罐內氣體空間容積及壓力變化接近于等溫過程，罐內最小氣體空間，可按V2＝V1/(P2/P1-1)取值，其中 P1為低水位時罐內壓力，P2為最高水位時罐內壓力。P1值應保證系統水不汽化，P2值應不超過鍋爐散熱器及附件最大承壓能力。由上式可見，P2/P1值越大，則需要氮氣罐容積越小。上式可轉換為：

式中：△P＝P2-P1為系統允許波動壓力，一般取50～100kPa。

V3為低水位所需要的最小容積，它主要是供沉積泥渣、連接管道及防止氮氣進入管道系統而設置的，可按 V3＝(0.1～0.3)(V1+V2)計算。

設計氮氣罐還需注意以下問題：

①氮氣罐應配有水位計、溫度計、放氣閥、安全閥、電接點壓力表、水位控制器、報警器等附件。

②連接系統與氮氣罐的膨脹管不應裝設閥門，應將連接管適當加長、加粗。

③供熱系統的補水不應直接補入氮氣罐，以減少氮氣的溶解量。

氮氣定壓適用 130～150℃或更高一些的供熱系統，其運行可靠，能有效防止系統出現汽化、水擊現象，但需消耗氮氣，設備復雜，投資較高，一般用于高溫水系統。

3.5 網路中水擊破壞現象的預防

當突然停電停泵時，由于壓力水管中流體突然受阻，液體的動能瞬間轉變為壓力能，使水泵吸水管路中水壓急劇增高，可能產生水擊，應采取如下措施：

在循環水泵的壓水管和吸水管之間連接一根旁通管，并安裝逆止閥，作為泄壓管。當循環水泵正常運行時，壓水管路中的壓力大于吸水管路中的壓力，逆止閥關閉，網路中循環水不能在旁通管中通過；當突然停電停泵時，在循環水泵的吸水管路中水壓增高，而壓水管路中水壓降低，使吸水管路壓力大于壓水管路壓力，逆止閥開啟，網路循環水從旁通管中通過，從而減小了水擊力。

4 備用柴油機汽輪機

對于一些有條件的鍋爐房供熱系統，一旦突然停電還可以采用啟動備用柴油機、汽輪機帶動水泵向鍋爐和系統補水。熱水鍋爐遇突然停電必須緊急停爐，使爐內燃燒盡快停止，加強爐體冷卻，同時撥去紅火，以確保鍋爐安全。