爐膛壓力控制器動作的原因分析及預防對策

李嘉琦

（晉能控股電力有限公司河津發電分公司， 山西 運城 043300）

引言

某電廠二期4 號機組為330 MW 級機組，鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環鍋筒爐，采用平衡通風、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式。根據運行規程中的相關規定，爐膛在正常情況下要維持微負壓方式運行，所以機組運行期間，爐膛壓力波動范圍一般維持在-150～30 Pa 之間。

1 爐膛壓力測量系統概述

爐膛壓力是表征鍋爐安全燃燒的重要參數，當燃燒系統故障或其他原因造成爐膛燃燒不穩定時，爐內局部積聚的燃料會發生突然點燃的情況，此時在爐膛內部會產生正壓，嚴重時會造成滅火或爐墻破壞[1]。而爐膛內部壓力過低，會造成爐膛及煙道內爆，給爐體造成破壞。因此使用測量儀表準確測量爐膛內部的壓力促使壓力開關作出正確反應，使機組安全運行、及時停止，可以避免發生爐膛損壞事故。此外爐膛壓力測點取樣的位置對于能否準確測量爐膛內部壓力具有至關重要的作用，正確的位置應能真實反應爐膛內部的燃燒工況[2-3]。4 號爐爐膛壓力測點取自鍋爐兩側的噴燃室火焰上部，鍋爐標高為63 m，測點取樣位置為58 m。

根據《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》的第6.2 條“防止鍋爐爐膛爆炸事故”和第9.4 條“防止熱工保護失靈”的相關要求，現場共配置8 臺爐膛壓力控制器以及4 臺壓力變送器對爐膛壓力進行測量，該12 套爐膛壓力測量儀表的取樣管路從11 個取樣裝置引出。爐膛左右兩側各安裝了6 套取樣測量裝置。壓力控制器及變送器具體的分布情況為：在爐膛左側安裝有2 臺爐膛壓力低二值壓力控制器（簡稱為“爐膛壓力低低控制器”）、1 臺爐膛壓力高二值壓力控制器（簡稱為“爐膛壓力高高控制器”）、1 臺爐膛壓力高報警控制器以及2 臺壓力變送器。在爐膛右側安裝有2 臺爐膛壓力高高控制器、1 臺爐膛壓力低低控制器，1 臺爐膛壓力低報警控制器以及2 臺壓力變送器。

該套爐膛壓力測量系統的測量原件均使用進口產品，壓力控制器選擇使用的是美國UE 壓力控制器，變送器選擇使用的是日本橫河EJA 型壓力變送器。壓力控制器包括爐膛壓力低低控制器（控制器動作值為-2 540 Pa）、爐膛壓力高高保護控制器（動作值為+3 300 Pa）、爐膛壓力高報警控制器（動作值為+1 000 Pa）、爐膛壓力低報警控制器（動作值為-1 000 Pa）。壓力變送器的量程為-4 000～+6 000 Pa，其中有3 臺進入CCS 系統中參與爐膛壓力調節，另1 臺則進入DAS 系統對爐膛壓力進行監視。

電廠主燃料跳閘保護中爐膛壓力保護設計是通過壓力控制器直接控制的，根據25 項反措的要求，將爐膛壓力保護邏輯設計為壓力控制器信號通過硬接線輸入至DCS 系統中，在DCS 邏輯中分別對壓力控制器的信號進行判斷，以爐膛壓力高高控制器來講，當爐膛壓力高高控制器3 臺控制器中有任意2 臺控制器動作觸發并發出信號輸入至DCS 系統，在邏輯中進行三取二模塊判斷后發出信號，信號輸出至MFT保護系統，隨即MFT 跳閘繼電器動作，繼而導致鍋爐MFT 保護動作。爐膛壓力低低控制器亦是如此。

2 爐膛壓力控制器動作的事件經過及原因分析

2.1 事件經過

2021 年7 月2 日中午，環境溫度由35 ℃快速下降到12 ℃。13 時42 分，4 號爐左側爐膛壓力低低控制器1 動作，LCD 畫面顯示報警信息，查看趨勢后，此時爐膛壓力在-30 Pa，機組運行正常，工況穩定，此壓力控制器的取樣裝置上同時引出1 臺壓力變送器，事件發生時，壓力變送器的示數從-30 Pa 緩慢變化至-3 000 Pa，變化時長有30 min，當壓力達到控制器動作值-2 540 Pa，爐膛壓力低低保護控制器1 動作，光字牌報警發出信號動作，而此時4 號爐其他3 個爐膛壓力變送器顯示-30 Pa 左右，鍋爐正處于微負壓狀態下正常運行。

隨后檢修人員對該爐膛壓力低低控制器的爐膛壓力取樣裝置進行檢查，發現取樣管在測量裝置引出端彎管處完全堵塞，取樣裝置正常情況下是取樣管一端通向爐膛，一端通向壓力控制器，此時通向爐膛的接口被雜質完全堵塞，這樣就在壓力取樣管的內部形成一個密閉的空間，此時空間中內部的氣體就是密閉空間的氣體，可以用理想氣體來分析。

2.2 原因分析

理想氣體是熱力學和統計物理學中一個基本而重要的模型，通常把它定義為：一定量的真實氣體當壓強趨近于零時的極限情況，或嚴格地定義為：嚴格遵從理想氣體狀態方程和焦耳定律的氣體。在實際應用中，把溫度不太低，壓強不太高條件下的氣體近似地當作理想氣體，通常的壓強和溫度下，實際氣體可以近似地用理想氣體來描述，且壓強越低，描述的精確度就越高，也就越接近于理想氣體。

根據熱力學，理論上的理想氣體模型需要滿足以下三個條件：分子本身的大小比起它們之間的平均距離可忽略不計；除了短暫的碰撞過程外，分子間的相互作用可忽略；分子間的碰撞是完全彈性的。

綜上，當取樣管內部的密閉空間的壓力處于-30 Pa 左右的微負壓狀態下，溫度在10 ℃左右，即可滿足理想氣體模型的要求，即溫度不太低，壓強不太高，這樣可以將取樣管內密閉的空氣近似地當作理想氣體，同時也滿足理想氣體方程[4]。

理想氣體物理學的解釋為一定質量理想氣體由N 個同種氣體分子組成，每個氣體分子的質量為m，氣體的質量M=mN，氣體的摩爾質量μ=NAm，其中NA稱為阿伏伽德羅常數（NA=6.02×1023mol-1）。令n=N/V，n 表示單位體積內的氣體分子數；k=R/NA，其值取為1.38×10-23J/K，稱為玻爾茲曼常數。

理想氣體的狀態方程可以進一步寫為p=nkT，n=N/V。其中 p 為壓強，Pa；T 為溫度，K；n 為單位體積內的氣體分子數。

當取樣管堵塞后，與壓力控制器之間的取樣管就形成一個密閉的空間，此時n 就為定值，壓強p 與溫度T 則成正比例關系，即當溫度越低時，壓力就越低，反之溫度越高，壓力也越高。由于當天中午突降大暴雨，環境溫度由35 ℃快速下降，壓力也隨之降低，最終當壓力值下降至-2 540 Pa 后觸發控制器動作，發出報警信號。

3 消除爐膛壓力取樣裝置堵塞的對策

此次爐膛壓力低低保護控制器動作的直接原因是取樣管內壓力的變化，根本原因還是由于壓力取樣管堵塞，檢修人員針對取樣管易堵塞的部位提出相應的對策。

1）采用防堵型取樣裝置。爐膛壓力取樣裝置易進灰，因運行工況不是非常穩定，爐膛壓力經常性波動，當爐膛壓力冒正時，爐灰就會從取樣裝置進入取樣管路，久而久之就會堵塞取樣管。為了防止爐灰進入取樣管路，可以采用防堵型取樣裝置，取樣裝置采用長度為8 500 mm、外徑為60 mm、內徑為50 mm 的無縫管，插入端面為橢圓形，這樣可以增加取樣管插入爐膛內部感應爐內壓力變化的單位面積，使測量裝置對爐膛壓力的響應時間縮短。

2）更換取樣管路。取樣管線結點處也是易堵塞的部位，金屬硬管焊接時，由于焊接工藝可能會導致焊接部位的管路內部管徑變小，當進入取樣管路的爐灰或取樣管內的鐵渣，極易積聚在焊接結點處，最終會完全堵塞取樣管，可以重新更換取樣管路，將結點處打磨拋光重新焊接。

3）采用金屬軟管連接取樣裝置與取樣管路。測量裝置取樣管路引出端彎曲處易積灰，可以將取樣裝置引出端管路采用金屬軟管連接，從而減少管路彎曲導致的爐灰積聚現象的發生。

4）定期清理取樣管路。取樣管路內部積灰嚴重，定期進行取樣管路清理，可以制定詳細的標準作業卡，做好安全措施，對所有壓力測點測量取樣裝置定期進行檢查并用壓縮空氣對管路進行反吹，反吹時應注意要從保護控制器處反吹，防止損壞設備。

4 號爐爐膛壓力低低控制器的取樣裝置執行以上措施后，徹底消除取樣管路堵塞，此后，對其他所有的壓力取樣裝置進行同樣方案的處理，自此以后爐膛壓力控制器未再發生誤動作的現象。自從處理完成后，壓力變送器的測量值也變化的很穩定，波動幅度比以前小。因此保證了爐膛壓力測點測量的穩定性、準確性以及安全性，也保證了機組的安全穩定運行。

4 結語

爐膛壓力保護是保證鍋爐安全穩定運行的最主要的保護，也是FSSS 系統的核心保護之一，對爐膛安全起到至關重要的作用。確保爐膛壓力取樣裝置的暢通，是爐膛壓力測量準確的基礎。測量元件的測量質量提升，測量的數據才有了準確的保證，才能更好地維持機組安全穩定運行。在日后的工作中，要不斷吸取經驗教訓逐步完善設備管理制度，提高設備運行的安全可靠性。