干熄焦鍋爐爆管故障快速診斷和處理系統的設計與應用

黃增榮，段敦兵，李志偉

(廣東韶鋼松山股份 煉鐵廠焦化作業區, 廣東 韶關 512123)

干熄焦鍋爐在干熄焦工藝中起著回收能源、產生蒸汽同時冷卻循環氣體的作用。在循環風機的作用下，循環氣體在干熄爐內與焦炭進行熱量交換，循環氣體溫度被加熱到880～960 ℃，經過一次除塵后，進入干熄焦鍋爐，與鍋爐內的熱水進行熱交換，溫度降至160～180 ℃，經過二次除塵、熱管換熱器后再進入干熄爐循環利用。經過除氧的鍋爐給水經省煤器加熱進入汽包，汽包里面的飽和水通過下降管、強制循環泵、上升管在蒸發器中與循環氣體進行熱交換產生飽和蒸汽回到汽包，飽和蒸汽經過一次過熱器、二次過熱器，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽，減溫器將過熱蒸汽溫度控制在450 ℃，通過蒸汽管送往發電廠。

鍋爐作為干熄焦裝置最重要的部分之一，爆管事件時有發生,是干熄焦鍋爐發生的嚴重生產事故之一，爆管故障快速診斷和處理對干熄焦安全生產具有現實意義。本研究通過設計爆管故障樹，并在控制系統中嵌入故障樹，在HMI監控畫面上顯示爆管類型，以實現爆管故障的快速診斷和處理。

1 干熄焦鍋爐爆管故障樹的設計

1.1 鍋爐煙氣流程和水汽流程分析

鍋爐本體煙氣系統流程。吸收了紅焦顯熱的循環氣體從干熄焦冷卻室出來，經過一次除塵器除去粗顆粒焦粉后從鍋爐入口進入，垂直往下先后流經二次過熱器、一次過熱器、光管蒸發器、鰭片管蒸發器、省煤器，最后從鍋爐底部引出。

鍋爐本體汽水系統流程。鍋爐給水由多級離心泵升壓后向鍋爐供水，除鹽除氧純水經省煤氣預熱后進入鍋筒。鍋筒爐水分為強制循環和自然循環部分(圖1). 兩部分產生的汽水混合物在鍋筒中進行汽水分離，飽和蒸汽由鍋爐上部導出，經一次過熱器升溫后，進入減溫器噴水降溫，然后進入二次過熱器繼續升溫，從二次過熱器引出的蒸汽即為外供主蒸汽[1].

圖1 鍋爐本體汽水系統流程圖

1.2 鍋爐爆管故障主要原因分析

鍋爐爆管主要是指受熱面管子(過熱器管、蒸發器管、省煤器管、水冷壁管)的爆管事故。當受熱面管子爆漏時，高溫高壓汽水噴出，不但需要停爐，影響生產，而且容易造成人員的傷亡。鍋爐爆漏的主要原因見表1.

1.3 鍋爐爆管故障現象分析

干熄焦鍋爐爆管后的異常現象，主要是根據以下8種異常現象進行判斷[2]：

1) 循環氣體中的H2含量突然急劇升高。

2) 鍋爐蒸汽發生量明顯下降或鍋爐給水量明顯上升，而且給水量明顯大于蒸汽發生量。

3) 預存室壓力調節放散閥的出口有明顯的蒸汽冒出。

4) 鍋爐底部、循環風機底部有明顯的積水現象。

5) 二次除塵器的排灰閥有水跡或排出濕灰。

6) 其他循環系統內阻力明顯變大，系統內各點差壓發生明顯變化，循環風量明顯降低。

7) 干熄爐預存室壓力大幅度波動。

8) 鍋爐外壁有表皮剝落或變色現象。

以上總結了干熄焦鍋爐爆管后的異常現象，對判斷爆管有較強的指導性，但是實際生產中，不同部位的爆管呈現出的現象有較大的差別，爆管的嚴重程度不同，故障現象也不同。根據鍋爐原理，結合工作實際，不同部位的爆管所表現出的主要故障現象[3]見圖2.

表1 受熱面管子爆管的主要原因表

圖2 鍋爐不同受熱面爆管的主要故障現象圖

1.4 鍋爐爆管故障樹

故障樹又稱為錯誤樹，是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖，主要通過事件符號、邏輯門符號以及轉移符號，表示事故或者故障事件發生的原因及其邏輯關系的邏輯樹圖。故障樹具有表達直觀、易于建模的優勢 ,利用故障樹表示干熄焦余熱鍋爐受熱面爆管的故障規則 ,并在故障樹中融入人工經驗，在故障樹的基礎上進行故障診斷和故障排查。以鍋爐爆管為總目標(頂事件)，依據系統原理找出導致故障發生全部因素(中間事件)，再尋找中間事件發生的全部因素，按照此方式一直追溯到引起爆管的全部原因，將爆管故障與中間事件和底事件之間的邏輯關系用邏輯門聯系起來，形成樹形圖。干熄焦鍋爐爆管故障樹見圖3.

圖3 鍋爐爆管故障樹圖

2 故障樹的應用

2.1 將故障現象嵌入控制程序，用程序判斷故障爆管的類型

根據鍋爐不同受熱面爆管的主要故障現象，將儀表能檢測的參數用程序來判斷爆管的類型(表2)，并在監控畫面顯示。監控人員根據監控畫面的爆管類型及故障樹(圖4)，進行相應的操作、檢查和確定故障部位。

表2 程序判斷故障爆管的類型示例表

圖4 蒸發器爆管故障排查圖

2.2 利用故障樹程序和畫面快速處理爆管故障

2.2.1 爆管故障現象及分析判斷

2021年5月25日9：50，韶鋼1#CDQ循環氣體畫面報警，氫氣(H2)濃度異常升高，最高至6.25%(正常0.3%以下)，監控畫面“蒸發器爆管”閃爍，檢查預存室壓力調節放散管，發現有大量蒸汽冒出。蒸發器爆管漏出的水或汽隨循環氣體進入干熄爐，與紅焦發生水煤氣反應，造成循環氣體中的H2與CO含量急劇上升，導致氫氣(H2)濃度達到6.25%.

2.2.2 快速處理方法及步驟

步驟1：干熄爐操作處理。加入氮氣，充氮量3 000 m3/h；風機設置38%:關閉平板閘門，振動給料器內焦炭排空;關閉主蒸汽壓力調節閥前手閥、各疏水、取樣閥，開飽和蒸汽排空閥和汽包排空閥，為打壓做準備；降低爐壁溫度在200 ℃以下，停止循環風機，打開鍋爐各級人孔檢查。

步驟2：根據故障樹檢查除塵器熱電偶、強制循環水泵流量、循環水量和蒸汽量、除鹽水站工作情況，發現循環水量下降、蒸汽下降。

步驟3：檢查鰭片管蒸發器。在鰭片管蒸發器人孔處發現鰭片管蒸發器有3根管泄漏。根據經驗，在鰭片管損壞不超過20%的情況下，其換熱效果不會受到影響；通過軸流風扇對鰭片管蒸發器處人孔通風降溫至50 ℃后對泄漏管進行堵管作業。

作業區于5月27日3：09鰭片管3根管堵管順利完成。5月27日19∶56 1#CDQ開始裝入第一孔紅焦，標志該次檢修作業完成，整個檢修工作僅用時52小時，創造了該廠處理同類鍋爐爆管事故時間最短記錄。恢復生產后氫氣(H2)正常運行曲線見圖5.

圖5 恢復生產后氫氣(H2)正常運行曲線圖

3 處理效果分析及預防措施

3.1 處理效果分析

1#CDQ鍋爐于2008年10月投入生產，干熄焦鍋爐在長期使用過程中，由于處于干熄焦循環氣體通道中央位置，長期受到循環氣體中焦粉磨損而變薄，易穿孔導致鍋爐水汽泄漏，造成爆管事故；另外驟變的T6溫度對于鍋爐設備的熱膨脹性能有較大影響。從2015年起至今1#CDQ鍋爐省煤器共爆管4次，鍋爐吊頂管共爆管2次，蒸發器爆管1次。使用故障樹方法進行爆管處理，加快了處理的整個過程。

3.2 預防措施

設備超期服役及長期惡劣的使用環境是干熄焦鍋爐爆管的主要原因，對于已經超過使用期限的干熄焦鍋爐需要加強運行監管，做好現場特別對關鍵參數氫氣(H2)濃度的監測，及時報警發現事故。另外，采用智能干熄爐控制系統，即通過自動控制排焦、預存室壓力、CO濃度、循環風量，減少人工操作帶來爐況波動，提供穩定爐況特別是T6溫度將對干熄爐保護有顯著效果。

4 結 語

通過設計干熄焦鍋爐爆管故障樹，并在控制系統中嵌入故障樹，同時在HMI監控畫面上顯示爆管類型，協助操作人員用程序判斷故障爆管的類型，利用故障樹程序和畫面快速處理爆管故障。經過韶鋼1#干熄焦一起鰭片蒸發器爆管事故的處理驗證，表明用故障樹系統可以實現爆管故障快速處理的目的。