全自動蒸汽鍋爐假水位特性研究

馬 吉，楊宇軍，虞惠豐

（紹興市特種設備檢測院，浙江紹興 312071）

0 引言

近年來，隨著燃煤鍋爐的逐步淘汰，大量中小型的全自動燃氣（油）蒸汽鍋爐投入使用。與傳統燃煤鍋爐相比，由于采用了水位控制系統和蒸汽壓力控制系統，全自動蒸汽鍋爐自動化程度高、操作簡單，安全系數較高。但是由于使用管理等方面的原因，中小型全自動蒸汽鍋爐的安全狀況不容樂觀，特別是鍋爐缺水事故屢有發生且占比較高，缺水事故也是危害性最大的鍋爐事故。對某起臥式全自動燃氣鍋爐缺水事故進行分析后認為，事故直接原因是鍋爐形成了假水位，導致水位示控裝置及低水位聯鎖保護裝置失效。因此，應對此類鍋爐的假水位特性進行研究，以避免事故發生。

1 水位控制工作原理

與傳統的燃煤鍋爐相比，全自動蒸汽鍋爐在水位表與鍋筒之間增設了一套水位示控裝置，用于自動控制鍋爐水位（圖1）。由于與水位表共用水連管和汽聯管，正常工作狀態下水位示控裝置內的水位與水位表及鍋筒內的水位保持一致。目前，在中小型的全自動蒸汽鍋爐中，國內最常用的水位示控裝置為三極棒水位示控系統，主要由水位電極筒、停泵水位探針、啟泵水位探針和極低水位探針組成（圖2）：啟泵探針和停泵探針實現水泵的啟停，起到鍋爐正常進水的功能；極低水位探針則實現鍋爐最低水位的探測功能，當水位低于探針時控制燃燒器熄火，這樣就能有效避免鍋爐缺水問題。

圖1 水位示控裝置

圖2 水位示控裝置結構

2 假水位形成及危害

鍋爐水位表及電極筒水位利用連通器的原理，間接采集鍋筒水位。有可能因水連管上水旋塞意外關閉，或水位表及電極筒沖洗不到位導致內部堆積污泥、水垢等情況，進而引起水連管堵塞（圖3），導致連通器中斷，鍋筒水位與水位表、電極筒水位不一致，即形成假水位。假水位形成后，電極筒和水位表中一直顯示有水且水位保持不動，此時探針探測到的水位為假水位信號，燃燒器持續燃燒，鍋筒水位不斷下降。而此時啟泵探針和極低水位探針無法探測到真實水位，水泵無法啟動，水位示控裝置及低水位聯鎖保護裝置失效，進而導致鍋爐缺水，輕者導致鍋爐干燒，鍋爐鋼板嚴重變形導致鍋爐報廢。如果在缺水后盲目進水，爐水瞬間汽化導致鍋爐內壓急速上升，甚至會造成鍋爐爆炸事故。

圖3 水連管水垢堵塞

3 假水位工況特性

為充分了解蒸汽鍋爐假水位工況下的特性表征，通過實驗方法，人為關閉水旋塞模擬假水位工況，與正常工況進行對比研究，發現以下特征：

（1）水位表水位停滯不動。正常燃燒工況下，隨著鍋筒內爐水不斷汽化，氣流湍動引起水面波動，仔細觀察水位表中的水位也在輕微上下波動。而在假水位工況下，由于水通道不暢通，鍋筒內水位波動無法傳遞到水位表，導致水位表水位停滯不動。

（2）水位表沖洗異常。按照鍋爐安全操作的要求，水位表應至少每班沖洗一次，沖洗過程包括沖洗水連管、汽連管和玻璃管。由于水通道不暢，在沖洗水位表的過程中只能通過汽連管排出蒸汽而無法排出水。沖洗完畢后，未見水位表中水位上升，而正常工況下沖洗完畢閥門復位后水位應迅速上升。

（3）水位表中水溫不斷下降。在假水位工況下，電極筒以及水位表與鍋筒之間的通道被切斷，導致電極筒和水位表中的水與爐水之間的熱交換大大減弱，水溫會逐漸下降。某臺型號為WNS2-1.0-Y（Q）的蒸汽鍋爐，在其電極筒的下端裝設一個測溫點進行實驗研究（圖4）。實驗過程中，鍋爐房環境溫度35℃，當達到額定壓力時，測溫點顯示溫度為120℃。此時關閉燃燒器和蒸汽出口閥門，關閉水旋塞模擬假水位工況，隨著時間推移，電極筒內水溫不斷下降，關閉20 min后監測點顯示溫度為95℃、下降25℃，之后溫度下降緩慢，到90℃后趨于平穩。而當水旋塞恢復開啟狀態后，監測點的水溫又開始上升，5 min后升到120℃。由此可見，在假水位工況下，水位表及電極筒的水溫較正常工況下有大幅下降，下降值與鍋爐運行參數及水位表結構有關。

圖4 電極筒水溫測

（4）水泵工作異常。在正常工況下，隨著蒸汽的輸出，鍋筒內水位降低，當水位到達啟泵探針下端位置時，水泵開始運行打水，當水位升至停泵探針下端時，水泵停止運行，以此反復。而在假水位工況下，由于電極筒內水位保持不動，即使鍋筒缺水，水泵也無法正常啟動。

（5）蒸汽溫度異常升高。TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》規定，鍋殼鍋爐的最低安全水位，應當高于最高火界100 mm；鍋殼內徑不大于1500 mm的臥式鍋殼鍋爐，最低安全水位應當高于最高火界75 mm。因此，在正常工況下鍋爐受熱面與水接觸進行熱交換，產生飽和蒸汽，蒸汽溫度跟蒸汽壓力對應。當鍋爐缺水時，鍋爐內水位不斷下降，導致部分受熱面與蒸汽接觸進行熱交換，飽和蒸汽轉化為過熱蒸汽，溫度升高，鍋爐內缺水越嚴重則過熱蒸汽溫度越高。

（6）鍋爐產汽量減少。在假水位工況下，水泵無法探測到鍋爐內水位，進水停止。而鍋爐在燃燒狀態下，鍋筒內的爐水會不斷汽化，導致爐水越來越少，水與鍋爐受熱面的接觸面積也不斷減少，熱交換量減少，因此單位時間內的產汽量也會逐漸下降。

4 結束語

通過對全自動蒸汽鍋爐的假水位工況進行模擬研究，詳細了解假水位工況下的一些異常特性，為避免缺水事故的發生，有必要在鍋爐使用管理及操作規范中作針對性的要求。

（1）建立定期巡查制度。目前，特種設備安全技術規范中，對于B級及以下全自動鍋爐未要求設跟班作業人員，但必須建立定期巡回檢查制度。巡回間隔不大于2 h，并應特別注意觀察水位表中水位的波動情況。

（2）按時沖洗水位表。至少每班沖洗一次水位表，沖洗過程中注意觀察出水情況，沖洗結束后所有閥門應確保復位，并注意觀察水位是否立刻復位。

（3）加強溫度監控。可以對電極筒水溫或蒸汽溫度進行監控，一旦發現水溫異常降低或蒸汽溫度異常升高則應停止鍋爐運行。

（4）加強相關人員培訓。應該對鍋爐作業人員及鍋爐使用相關人員（如用汽設備的操作人員）加強培訓，學習鍋爐安全運行的相關知識，培養其安全意識和敏銳感，此外平時還應注意觀察產汽量減少、水泵長時間停止運行等異常工況，發現問題及時報告。

（5）異常狀況正確處置。發現鍋爐假水位水后應立刻停止鍋爐運行，待查明原因并消除故障后方可恢復運行，切忌盲目進水。