干熄焦锅炉爆管故障快速诊断和处理系统的设计与应用

黄增荣，段敦兵，李志伟

(广东韶钢松山股份 炼铁厂焦化作业区, 广东 韶关 512123)

干熄焦锅炉在干熄焦工艺中起着回收能源、产生蒸汽同时冷却循环气体的作用。在循环风机的作用下，循环气体在干熄炉内与焦炭进行热量交换，循环气体温度被加热到880～960 ℃，经过一次除尘后，进入干熄焦锅炉，与锅炉内的热水进行热交换，温度降至160～180 ℃，经过二次除尘、热管换热器后再进入干熄炉循环利用。经过除氧的锅炉给水经省煤器加热进入汽包，汽包里面的饱和水通过下降管、强制循环泵、上升管在蒸发器中与循环气体进行热交换产生饱和蒸汽回到汽包，饱和蒸汽经过一次过热器、二次过热器，将饱和蒸汽变成过热蒸汽，减温器将过热蒸汽温度控制在450 ℃，通过蒸汽管送往发电厂。

锅炉作为干熄焦装置最重要的部分之一，爆管事件时有发生,是干熄焦锅炉发生的严重生产事故之一，爆管故障快速诊断和处理对干熄焦安全生产具有现实意义。本研究通过设计爆管故障树，并在控制系统中嵌入故障树，在HMI监控画面上显示爆管类型，以实现爆管故障的快速诊断和处理。

1 干熄焦锅炉爆管故障树的设计

1.1 锅炉烟气流程和水汽流程分析

锅炉本体烟气系统流程。吸收了红焦显热的循环气体从干熄焦冷却室出来，经过一次除尘器除去粗颗粒焦粉后从锅炉入口进入，垂直往下先后流经二次过热器、一次过热器、光管蒸发器、鳍片管蒸发器、省煤器，最后从锅炉底部引出。

锅炉本体汽水系统流程。锅炉给水由多级离心泵升压后向锅炉供水，除盐除氧纯水经省煤气预热后进入锅筒。锅筒炉水分为强制循环和自然循环部分(图1). 两部分产生的汽水混合物在锅筒中进行汽水分离，饱和蒸汽由锅炉上部导出，经一次过热器升温后，进入减温器喷水降温，然后进入二次过热器继续升温，从二次过热器引出的蒸汽即为外供主蒸汽[1].

图1 锅炉本体汽水系统流程图

1.2 锅炉爆管故障主要原因分析

锅炉爆管主要是指受热面管子(过热器管、蒸发器管、省煤器管、水冷壁管)的爆管事故。当受热面管子爆漏时，高温高压汽水喷出，不但需要停炉，影响生产，而且容易造成人员的伤亡。锅炉爆漏的主要原因见表1.

1.3 锅炉爆管故障现象分析

干熄焦锅炉爆管后的异常现象，主要是根据以下8种异常现象进行判断[2]：

1) 循环气体中的H2含量突然急剧升高。

2) 锅炉蒸汽发生量明显下降或锅炉给水量明显上升，而且给水量明显大于蒸汽发生量。

3) 预存室压力调节放散阀的出口有明显的蒸汽冒出。

4) 锅炉底部、循环风机底部有明显的积水现象。

5) 二次除尘器的排灰阀有水迹或排出湿灰。

6) 其他循环系统内阻力明显变大，系统内各点差压发生明显变化，循环风量明显降低。

7) 干熄炉预存室压力大幅度波动。

8) 锅炉外壁有表皮剥落或变色现象。

以上总结了干熄焦锅炉爆管后的异常现象，对判断爆管有较强的指导性，但是实际生产中，不同部位的爆管呈现出的现象有较大的差别，爆管的严重程度不同，故障现象也不同。根据锅炉原理，结合工作实际，不同部位的爆管所表现出的主要故障现象[3]见图2.

表1 受热面管子爆管的主要原因表

图2 锅炉不同受热面爆管的主要故障现象图

1.4 锅炉爆管故障树

故障树又称为错误树，是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，主要通过事件符号、逻辑门符号以及转移符号，表示事故或者故障事件发生的原因及其逻辑关系的逻辑树图。故障树具有表达直观、易于建模的优势 ,利用故障树表示干熄焦余热锅炉受热面爆管的故障规则 ,并在故障树中融入人工经验，在故障树的基础上进行故障诊断和故障排查。以锅炉爆管为总目标(顶事件)，依据系统原理找出导致故障发生全部因素(中间事件)，再寻找中间事件发生的全部因素，按照此方式一直追溯到引起爆管的全部原因，将爆管故障与中间事件和底事件之间的逻辑关系用逻辑门联系起来，形成树形图。干熄焦锅炉爆管故障树见图3.

图3 锅炉爆管故障树图

2 故障树的应用

2.1 将故障现象嵌入控制程序，用程序判断故障爆管的类型

根据锅炉不同受热面爆管的主要故障现象，将仪表能检测的参数用程序来判断爆管的类型(表2)，并在监控画面显示。监控人员根据监控画面的爆管类型及故障树(图4)，进行相应的操作、检查和确定故障部位。

表2 程序判断故障爆管的类型示例表

图4 蒸发器爆管故障排查图

2.2 利用故障树程序和画面快速处理爆管故障

2.2.1 爆管故障现象及分析判断

2021年5月25日9：50，韶钢1#CDQ循环气体画面报警，氢气(H2)浓度异常升高，最高至6.25%(正常0.3%以下)，监控画面“蒸发器爆管”闪烁，检查预存室压力调节放散管，发现有大量蒸汽冒出。蒸发器爆管漏出的水或汽随循环气体进入干熄炉，与红焦发生水煤气反应，造成循环气体中的H2与CO含量急剧上升，导致氢气(H2)浓度达到6.25%.

2.2.2 快速处理方法及步骤

步骤1：干熄炉操作处理。加入氮气，充氮量3 000 m3/h；风机设置38%:关闭平板闸门，振动给料器内焦炭排空;关闭主蒸汽压力调节阀前手阀、各疏水、取样阀，开饱和蒸汽排空阀和汽包排空阀，为打压做准备；降低炉壁温度在200 ℃以下，停止循环风机，打开锅炉各级人孔检查。

步骤2：根据故障树检查除尘器热电偶、强制循环水泵流量、循环水量和蒸汽量、除盐水站工作情况，发现循环水量下降、蒸汽下降。

步骤3：检查鳍片管蒸发器。在鳍片管蒸发器人孔处发现鳍片管蒸发器有3根管泄漏。根据经验，在鳍片管损坏不超过20%的情况下，其换热效果不会受到影响；通过轴流风扇对鳍片管蒸发器处人孔通风降温至50 ℃后对泄漏管进行堵管作业。

作业区于5月27日3：09鳍片管3根管堵管顺利完成。5月27日19∶56 1#CDQ开始装入第一孔红焦，标志该次检修作业完成，整个检修工作仅用时52小时，创造了该厂处理同类锅炉爆管事故时间最短记录。恢复生产后氢气(H2)正常运行曲线见图5.

图5 恢复生产后氢气(H2)正常运行曲线图

3 处理效果分析及预防措施

3.1 处理效果分析

1#CDQ锅炉于2008年10月投入生产，干熄焦锅炉在长期使用过程中，由于处于干熄焦循环气体通道中央位置，长期受到循环气体中焦粉磨损而变薄，易穿孔导致锅炉水汽泄漏，造成爆管事故；另外骤变的T6温度对于锅炉设备的热膨胀性能有较大影响。从2015年起至今1#CDQ锅炉省煤器共爆管4次，锅炉吊顶管共爆管2次，蒸发器爆管1次。使用故障树方法进行爆管处理，加快了处理的整个过程。

3.2 预防措施

设备超期服役及长期恶劣的使用环境是干熄焦锅炉爆管的主要原因，对于已经超过使用期限的干熄焦锅炉需要加强运行监管，做好现场特别对关键参数氢气(H2)浓度的监测，及时报警发现事故。另外，采用智能干熄炉控制系统，即通过自动控制排焦、预存室压力、CO浓度、循环风量，减少人工操作带来炉况波动，提供稳定炉况特别是T6温度将对干熄炉保护有显著效果。

4 结 语

通过设计干熄焦锅炉爆管故障树，并在控制系统中嵌入故障树，同时在HMI监控画面上显示爆管类型，协助操作人员用程序判断故障爆管的类型，利用故障树程序和画面快速处理爆管故障。经过韶钢1#干熄焦一起鳍片蒸发器爆管事故的处理验证，表明用故障树系统可以实现爆管故障快速处理的目的。