高炉煤气燃烧器燃气泄漏安全控制常见问题分析及安全切断阀切断时间计算方法

单天禹刘 峰

（1.黑龙江省八一农垦大学信息技术学院 大庆 161139）

（2.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

高炉煤气燃烧器燃气泄漏安全控制常见问题分析及安全切断阀切断时间计算方法

单天禹1刘 峰2

（1.黑龙江省八一农垦大学信息技术学院 大庆 161139）

（2.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

高炉煤气燃烧器燃气泄漏的常见问题是无安全切断阀、安全切断阀数量不够和用手/电动调节阀代替安全切断阀等并加以了分析。同时，还介绍了一种高炉煤气燃烧器安全切断阀切断时间计算方法。

高炉煤气 燃烧器 泄漏 安全切断 时间

钢铁企业是能源消耗非常大的企业，在钢铁企业生产过程中，消耗大量的煤炭、燃油和电力等能源的同时，还产生了大量的高炉煤气[1]。对于高炉煤气锅炉燃烧器，一般有两种燃气泄漏情况：一是燃气通过管路向环境泄漏（也称外泄露），二是燃气通过电磁阀阀芯端面向炉内泄漏[2]。环境泄漏可能导致人员中毒、工作现场爆炸等事故的发生；而炉内泄漏可能引起炉膛爆炸，影响设备安全。

高炉煤气燃烧器发生燃气泄漏时，其自动快速切断阀会切断供给燃烧器的燃气。如果自动快速切断阀没有立即切断继续进气，就可能产生“熄火爆炸”事故。反之，高炉煤气锅炉如果通风吹扫时间不足，再次点火将会引起“点火爆炸”事故。尤其在高炉煤气锅炉运行过程中突然停电，自动快速切断阀未及时切断燃气，更易发生爆炸事故。例如邯郸75t/h高（焦）炉煤气锅炉，调试期间在点火瞬间，炉膛及排烟系统发生爆炸，设备严重损毁，死亡13人，伤8人。经过事故调查及分析，发现锅炉燃烧未设置自动点火程序、未执行吹扫、电动闸阀/安全切断阀控制混乱。

因此，安全切断阀对燃烧器及锅炉的安全运行尤为重要。下面介绍高炉煤气燃烧器燃气泄漏安全控制常见问题分析及安全切断阀切断时间计算方法。

1 常见问题

1.1 无安全切断阀

安全切断阀主要是指快开快切，或慢开快切的电磁阀或气动阀等（除具有控制关闭功能以外还需要实现掉电关闭功能）在燃烧器燃气主管道上不允许只存在慢切的阀，因为在运行中因为火焰熄灭，会立刻切断主管道的阀门，若因阀的问题没有快速切断，那会导致大量的可燃气体集聚炉膛，当第二次点火时，没有吹尽的可燃气体在炉膛内仍有达到爆炸浓度的可能性，危险性相当大。这种现象在工业炉窑中比较常见，基本上没有安装自动安全切断阀，通常安装一只手动阀，而且该阀还不一定是能快速切断的手动球阀，存在极大的安全隐患。

1.2 安全切断阀数量不够

燃气主管道中需要至少2只串联的安全切断阀，如果只有一个安全切断阀，一旦阀损坏，发生内部泄漏，可燃气体进入炉膛，吹扫换气不充分，点火时极易发生爆炸。在钢铁厂的高炉和焦炉煤气锅炉中，大多数燃烧器采用四角布置，为了节省成本，一些用户在每只燃烧器的管道上只安装一只安全切断阀、一只流量调节阀和一只手动球阀。在燃气母管上安装一只安全切断阀（一根母管上有两根支管，配置两台燃烧器），这样的布置由于安全切断阀数量不足，一旦存在泄漏，不可避免造成事故。主要通过串联的两级燃气切断阀同时动作断燃料，可以保证在一只切断阀意外关闭不严时，另一只仍可切断燃气，提高安全系数； （燃用气体燃料的炉子点火时爆炸。其中半数是由于停炉时可燃气体泄漏造成的，其余一半是由于操作人员为了省事在关闭主烧嘴的阀门时，没有同时关闭主管的安全切断阀而引起的。）通过两只串联的安全切断阀，可以有效的减少燃料泄露的风险，减少因阀门工作不可靠造成的设备安全风险。

1.3 用手/电动调节阀代替安全切断阀

因为手动阀不受自动控制，在紧急情况下无法及时切断燃气主管道。电动调节阀主要起流量调节作用，是慢开慢关的阀，在紧急情况下也无法及时切断燃气主管道。在正常燃烧时火焰突然熄灭，此时会立刻切断主管道的阀门，若因阀的问题没有快速切断，那会导致大量的可燃气体集聚炉膛，当第二次点火时，没有吹尽的可燃气体在炉膛内仍有达到爆炸浓度的可能性，危险性相当大。在钢铁厂的高炉和焦炉煤气燃烧器上，我们发现有的厂家用电动蝶阀作为安全切断阀，这是非常危险的，因为电动阀的开启和关断时间很长，没有快速切断的功能，而且一旦掉电，电动阀将失去关断功能手/电动调节阀代与安全切断阀有本质的区别，主要是自动控制关闭和掉电关闭功能。

1.4 无阀门检漏装置或用压力表指示代替

阀门检漏装置用于检测安全切断阀是否有内漏，在燃烧器启动前或点火前，内漏检测是必要条件，否则燃烧器不允许点火。因此无阀门检漏装置的控制系统存在严重的安全隐患，如有阀门有内部泄漏而无法做出停止指令，燃烧器在点火的时候很可能会发生爆炸。在钢铁厂的高炉和焦炉煤气燃烧器上，甚至在燃烧氢气的燃烧器用户上，没有安装阀门检漏装置，有的在两只安全切断阀之间仅安装了一只压力表，有的连压力表也没有，用户没有阀门检漏的意识，一旦阀门泄漏严重，点火时将发生爆炸。阀门检漏装置是对阀门在运行前进行的安全风险的识别和判定。通过与否关系到阀门是否符合安全标准，是否可以使用。

1.5 无手动快速切断阀

虽然燃气主管道上已经安装了2只串联的安全切断阀，但是这两只阀若损坏了，发生泄漏等紧急情况，这时就需要在安全切断阀上游安装手动的快速切断阀，一方面为了快速切断主管道燃料供应，另一方面可以保障管道安全，在燃烧器出现意外时可以迅速切断手动快切阀，还有就是对于长期停用的燃烧器，关闭手动快切阀是必要的。无论是燃油还是燃气设置快速手动切断阀的目的就是有效的隔离燃料。

2 安全切断阀切断时间计算方法[3]

安全阀允许切断时间的确定对于燃气锅炉供气系统快速切断阀的选择至关重要。下面介绍一种计算切断时间的方法。

1）工程上使用的燃气，几乎都是数种可燃气体的混合物，其爆炸极限可用勒.查特列（Le Chatelier）公式计算：

当燃气中不含惰性气体时：

当燃气中含有惰性气体时：

式(1)、式(2)中：

Xi——燃气中各可燃组分的体积百分数，%；

Li——燃气中各可燃组分爆炸极限（上限或下限），%；

X——惰性气体的体积分率。

（2）快速切断阀关闭过程的流量特性如图1所示。

图1 快速切断阀关闭过程的流量特性图

由图1可知，快速切断阀开始关闭时间为T0时，燃气流量为Q0；当快速切断阀关闭后时间为T1时，燃气流量为0（不计泄漏量）。因此在时间间隔ΔT=T1-T0内，进入锅炉炉膛的燃气体积（即图中阴影部分的面积）为：

3）当进入锅炉炉膛的燃气体积Vd与炉膛内空气体积（其数值等于炉膛容积Vl）混合后的体积含量小于燃气的爆炸极限（下限）Ldx，那么就可以避免发生爆炸危险：

进入炉膛的燃气体积Vd，为了使选择的快速切断阀更安全可靠，计算中忽略了燃气扩散、炉膛中滞留烟气、引风机倒转、烟囱抽力及炉膛泄漏等因素对Vd的微小影响。将式（3）代入式（4）得：

式中：

ΔT——快速切断阀的允许切断时，s；

Ldx——燃气爆炸浓度下限，%；

V1——锅炉炉膛容积，m3；

Q0——额定工况下进入锅炉的燃气流量，m3/s。

由此，可根据式（5）计算快速切断阀允许切断时间。选择切断时间小于ΔT，泄漏率较小的阀门作为快速切断阀。

3 总结

必须对燃气泄漏加以高度重视，应确保管路密封，定期对管路检漏。对于内漏一般应采取如下几种方法加以预防和控制：

1）高炉煤气锅炉应保证足够的吹扫时间和吹扫风量，使炉内燃气浓度在爆炸极限以下；

2）安装管路泄漏检测装置，在点火前对燃气管路进行泄漏检测，若燃气泄漏达到一定数值就立即锁定燃烧器的工作；

3）应选择切断时间小于式（5）计算出的快速切断时间ΔT且泄漏率小的切断阀。

4）提高高炉煤气锅炉系统的安全性，在燃气管路上可采用两个切断阀串联结构。

[1] 安悦,张智羽.燃煤锅炉改燃高炉煤气时燃烧器的选择[J].内蒙古科技与经济,2008(12).

[2] 童敏.燃气燃烧器安全控制技术探讨[J].中国石油和化工标准与质量,2012(01).

[3] 李佳良,赵宝林.燃气锅炉供气系统快速切断阀的选择[J].本钢技术,2008(03).

[4] 孙琦,等.关于安全阀整定压力判定方法的讨论[J].中国特种设备安全，2014，30（5）30—32.

[5] 廖晓炜,等.燃烧器吹扫过程理论分析及数值模拟[J].中国特种设备安全，2011，27（11）6—9.

Common Problems Analysis of Gas Leakage Safety Control and Shut-off Time Calculation Method of Safety Shut-off Valve for Blast Furnace Gas Burner

Shan Tianyu1 Liu Feng2
(1.College of Information Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University Daqing 161139)
(2.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

The gas leakage common problems of the blast furnace gas burner were lack of safety shut-off valve, not enough safety valve or hand / electric regulating valve instead of the safety shut-off valve and analyzed.At the same time, it also introduced a kind of Shut-off Time Calculation Method of Safety Shut-off Valve for Blast Furnace Gas Burner.

Blast Furnace Gas Burner leakage Safety Shut-off time

X933.4

B

1673-257X(2015)06-76-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.017

单天禹(1993～), 女,本科，从事工业仪器仪表自动化控制研究工作。

2015-04-30）