由一起事故分析6kV固體式電蓄熱鍋爐故障與處理

魯 鋒

（寶鈦集團有限公司動力公司，陜西寶雞 721014）

0 引言

公司新建生產余熱利用再回收采暖項目中，采用了固體式電蓄熱鍋爐（2000 kW，6 kV），當系統空調機組出口水溫達不到采暖需求時，以提升供暖管道出口溫度的方式為生產區廠房實現供暖。在實際使用過程中，該電蓄熱鍋爐暴露出的一些問題日益顯現，不僅影響到了供暖系統的可靠運行，還影響到了廠區供電電網質量，甚至威脅了崗位值班人員的安全?；诖?，重點分析電蓄熱鍋爐發生這起故障的現象及原因，并提出了改善措施。

1 電蓄熱鍋爐工作原理

固體式蓄熱電鍋爐系統主要包括電源柜、控制柜、蓄熱體、換熱體和變頻風機等，該系統采用6 kV 高壓直接供電的方式，其工作原理分為2 個階段:①熱量存儲階段，利用夜間低谷時段的廉價電能，通過快速加熱穿插在蓄熱體耐火磚孔道中的電熱絲，迅速將電能轉化為高溫熱能儲存在設備的蓄熱體中；②熱量釋放階段，當系統管網出口溫度下降時，通過開啟換熱風機，使爐膛內空氣流動通過蓄熱體，將蓄熱體中的熱量換出，成為高溫的熱空氣，高溫熱空氣經過熱管式換熱器交換熱量后提升管道出口水溫，從而達到提升出口水溫實現用戶供暖需求。其結構及原理如圖1 所示。

圖1 固體式蓄熱電鍋爐系統

2 電蓄熱鍋爐事故經過

在2019 年采暖季節某日凌晨4 點左右，公司調度室接到變電所電話，6 kV 系統Ⅰ段母線報系統單相接地故障，三相電壓其中一相升高另外兩相降低，電壓波動；同時，公司余熱站值班人員發現電蓄熱鍋爐低壓控制柜著火，后臺上位機記錄爐溫為500 ℃，未達到設定值600 ℃。隨即，變電所立刻分斷余熱站19#進線電源開關。

3 原因分析

爐體內爐絲分為上層和下層，每層爐絲分別為星型接法，爐膛溫度探測熱電偶正好處于上層C 相正下方，爐體內每塊固體蓄熱磚之間留有2 mm 左右的間隙用作蓄熱磚熱漲冷縮。待爐體溫度降低至環境溫度后，技術人員通過測量各相爐絲間阻值并進入爐膛內檢查后，確認事故原因為電蓄熱鍋爐上層C 相電爐絲熔斷后，金屬溶液滴落在爐膛內的測溫熱電偶上，導致6 kV 電源直接引入低壓控制柜擊穿二次溫控儀表，短路后控制柜發生著火。檢查情況如圖2、圖3 所示。

圖2 爐絲

圖3 熱電偶

此類高電壓型的電蓄熱鍋爐與常見的380 V 電加熱爐有著本質區別，當爐絲熔斷后會在斷點處產生強弧光放電現象，弧光放電區域范圍很大，會產生1 m 高的電離火苗，弧光區域的溫度非常高。但是爐體本身不具備自動滅弧的功能，幾千攝氏度的弧光會融化周邊一切結構，破壞爐體本身，更多的爐絲熔液進入爐膛內會引發更大規模的短路現象，如果不及時切斷電源，爐絲可能會熔融至爐體進線端，從而對供電電網產生更大的不利影響。從圖2、圖3 可以看出，爐絲和熱電偶受損位置也不是一個點，會一直破壞至安全距離以外放電現象才會結束。這次事故點處于爐絲星接點約1 m 處，距離電源端較遠，假如運行后期再次發生爐絲熔斷時，斷點位置難以確定，造成的后果難以預料。

綜合考慮及對事故分析不難得出，電蓄熱鍋爐爐絲發生熔斷的現象為大概率事件，也是電蓄熱鍋爐常見的故障。這種采用熱電偶在6 kV 電蓄熱鍋爐爐膛內直接測溫的方式存在嚴重的設計缺陷，雖然在熱電偶外穿有陶瓷保護套管，但爐絲（材質為鎳鉻合金）熔斷后的金屬溶液溫度達1350 ℃左右，其滴落在陶瓷管上也會造成陶瓷管破裂，導致高電壓引入低壓控制柜，會造成設備的損壞甚至威脅到人身安全，此種后果是極為可怕的。事后這點也得以驗證，對熱電偶保護陶瓷管進行了交流耐壓和模擬爐絲熔斷的測試，其耐壓值可到4 倍的工作電壓（24 kV）是滿足要求的。但是在測試其耐高溫性能時，不管是在熱態還是冷態，用熔融的金屬銅熔液滴落在陶瓷管上時，均會導致陶瓷管的破裂。通過以上可以得出，這種測溫方式存在巨大的安全隱患，是不可取的。

4 改造方案

如何避免這種潛在的事故再次發生，成為再次投運電蓄熱鍋爐前的首要重點工作。因爐體內蓄熱磚的測溫點已經固定，改變其測點位置的工作難度較大，經分析考慮，此次改造主要從以下2 個方面進行:如何避免電蓄熱鍋爐發生故障時對廠區供電電網的影響，如何避免將高電壓引入低壓控制系統造成安全事故的發生。

4.1 電源保護系統改進

針對電蓄熱鍋爐爐絲出現單相接地故障對供電電網造成的影響，在原有保護測控裝置PSL641UX 中增加了零序過電流保護，當零序電流用作跳閘或告警時，零序電流可以由運行參數中的控制字一的KG1.7 位選擇零序電流由外部專用的零序CT（LXK-240 型，10p10）引入，裝置默認為零序電流外接。裝置的零序過電流保護可通過設置相關控制字選擇定時限或反時限方式。同時，復效其過流值，并進行保護試驗，確保短路情況下能及時分斷電源。

零序過電流保護在滿足以下條件時出口跳閘:①3I0＞I0n，I0n為接地n 段定值；②T＞T0n，T0n為接地n 段延時定值；③相應的方向條件滿足（若需要）。

4.2 爐溫測量方式改進

4.2.1 熱電偶直接測溫模式

采用雙層陶瓷套管加強對熱電偶的保護，優點是改造價格便宜，較原先的單層套管保護熱電偶的能力有所提升，但還是會出現里層套管破裂的可能，且故障再次發生后又得將熱電偶抽出更換陶瓷管，容易造成爐體內陶瓷碎片堆積，影響熱電偶再次安裝。

4.2.2 非接觸式測溫模式

將原有爐體內5 只熱電偶全部拆除，采用1 套紅外線測溫儀表，其原理是基于物體的熱輻射，以被測體的紅外輻射熱量與溫度成一定關系，將輻射熱量轉換為電信號顯示被測體的溫度值，其避免了測量裝置和爐體的直接接觸。因實際使用中，主要是在谷電量時段蓄熱，以時間控制為主、溫度控制為輔，對電蓄熱鍋爐的溫度精確度要求不是很高，所以采用該測量方式是滿足要求的。但是在實際過程中，由于紅外線只能探測到爐磚表面的溫度，不能真實反應爐體內部的真實溫度，且容易受到中間介質的影響，對測量結果影響比較大，要想避免中間環境因素的影響，就必須進行溫度修正。系統采用了國產某公司HE-TCH 型紅外測溫儀2 只，該測溫儀可直接將光信號轉換成4～20 mA 電流信號輸入至溫控儀表中，可安全迅速地測量爐體溫度，其測溫原理見圖4。

圖4 紅外測溫原理

圖5 紅外測溫儀安裝位置

在爐體外部中上部選取兩個位置分別開孔并安裝玻璃窗口，實現對爐磚的溫度測量（圖5），圖中圓圈處為實際測溫點。

4.2.3 方案分析

方案1 仍采用傳統的接觸式測溫方式，雖有雙重陶瓷管保護，但通過分析爐絲熔斷現象，不可能完全避免高溫電弧所造成傷害，不能徹底解決這一隱患；方案2 采用非接觸式紅外線測溫方式，徹底避免了高電壓引入低壓控制系統的隱患，雖投資成本較大，但對人身和設備不會帶來損害。新增加的零序過電流保護也進一步完善了電源保護系統，使電蓄熱鍋爐發生單相接地故障下能及時與供電網絡斷開連接，避免了對公司電網帶來的不利影響。

5 其余故障及應對策略

5.1 安全閥泄露

若鍋爐房內溫度（環境溫度25 ℃）太高，會造成安全閥彈簧受力下降，介質沖刷造成結合面損壞，使安全閥微泄露。安全閥泄露會造成系統大量汽水流失，影響到工作人員的安全和機組的安全經濟運行，當出現安全閥微泄露時，要根據安全閥的壓力參數進行適當的壓緊調整，直到安全閥無泄露現象。

5.2 蓄熱過程中遇到突然停電或停水

電蓄熱鍋爐突然停水或停電時，如果不及時處理會對固體電蓄熱裝置系統造成損害。如突遇停水時，應及時關閉電鍋爐電源，并關閉放熱風機；停電時也應及時關閉循環水以保障電蓄熱鍋爐系統的內部壓力，待查明原因后方可再使用。

當遇到熱交換進水側水壓降低時或發現壓力表指示不穩定，很可能是內部管道內的空氣未排除干凈，容易造成換熱系統出現故障，應盡快開啟排氣閥把管道內部的氣體排出，同時應把系統其他部分關閉，檢查管路有無異常。

5.3 溫升緩慢或電流異常

當發現電蓄熱鍋爐升溫較慢時，應及時查看其三相電流值是否在合適范圍，當出現一相電流減小或三相電流為0 時，可能一相爐絲或兩相爐絲發生熔斷，應立即斷開電鍋爐進行電源并測量爐絲三相阻值，待爐體冷卻后進入爐膛內對異常的爐絲抽出檢查或進行更換。

6 總結

通過這次事故的發生，對6 kV 電蓄熱鍋爐測溫方式進行了改進，使得改進后電蓄熱鍋爐徹底避免了高電壓引入低壓控制系統的設計隱患，可靠保障了供電電網、控制設備及人身安全，并對電蓄熱鍋爐可能發生的故障進行了分析并制定了解決方案，為電蓄熱鍋爐后期可靠運行奠定了良好的基礎。