爐膛壓力控制器動(dòng)作的原因分析及預(yù)防對(duì)策

李嘉琦

（晉能控股電力有限公司河津發(fā)電分公司， 山西 運(yùn)城 043300）

引言

某電廠二期4 號(hào)機(jī)組為330 MW 級(jí)機(jī)組，鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)鍋筒爐，采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式。根據(jù)運(yùn)行規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定，爐膛在正常情況下要維持微負(fù)壓方式運(yùn)行，所以機(jī)組運(yùn)行期間，爐膛壓力波動(dòng)范圍一般維持在-150～30 Pa 之間。

1 爐膛壓力測量系統(tǒng)概述

爐膛壓力是表征鍋爐安全燃燒的重要參數(shù)，當(dāng)燃燒系統(tǒng)故障或其他原因造成爐膛燃燒不穩(wěn)定時(shí)，爐內(nèi)局部積聚的燃料會(huì)發(fā)生突然點(diǎn)燃的情況，此時(shí)在爐膛內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生正壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成滅火或爐墻破壞[1]。而爐膛內(nèi)部壓力過低，會(huì)造成爐膛及煙道內(nèi)爆，給爐體造成破壞。因此使用測量儀表準(zhǔn)確測量爐膛內(nèi)部的壓力促使壓力開關(guān)作出正確反應(yīng)，使機(jī)組安全運(yùn)行、及時(shí)停止，可以避免發(fā)生爐膛損壞事故。此外爐膛壓力測點(diǎn)取樣的位置對(duì)于能否準(zhǔn)確測量爐膛內(nèi)部壓力具有至關(guān)重要的作用，正確的位置應(yīng)能真實(shí)反應(yīng)爐膛內(nèi)部的燃燒工況[2-3]。4 號(hào)爐爐膛壓力測點(diǎn)取自鍋爐兩側(cè)的噴燃室火焰上部，鍋爐標(biāo)高為63 m，測點(diǎn)取樣位置為58 m。

根據(jù)《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)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(hù)失靈”的相關(guān)要求，現(xiàn)場共配置8 臺(tái)爐膛壓力控制器以及4 臺(tái)壓力變送器對(duì)爐膛壓力進(jìn)行測量，該12 套爐膛壓力測量儀表的取樣管路從11 個(gè)取樣裝置引出。爐膛左右兩側(cè)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(cè)安裝有2 臺(tái)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(tái)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(tái)爐膛壓力高報(bào)警控制器以及2 臺(tái)壓力變送器。在爐膛右側(cè)安裝有2 臺(tái)爐膛壓力高高控制器、1 臺(tái)爐膛壓力低低控制器，1 臺(tái)爐膛壓力低報(bào)警控制器以及2 臺(tái)壓力變送器。

該套爐膛壓力測量系統(tǒng)的測量原件均使用進(jìn)口產(chǎn)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(dòng)作值為-2 540 Pa）、爐膛壓力高高保護(hù)控制器（動(dòng)作值為+3 300 Pa）、爐膛壓力高報(bào)警控制器（動(dòng)作值為+1 000 Pa）、爐膛壓力低報(bào)警控制器（動(dòng)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(tái)進(jìn)入CCS 系統(tǒng)中參與爐膛壓力調(diào)節(jié)，另1 臺(tái)則進(jìn)入DAS 系統(tǒng)對(duì)爐膛壓力進(jìn)行監(jiān)視。

電廠主燃料跳閘保護(hù)中爐膛壓力保護(hù)設(shè)計(jì)是通過壓力控制器直接控制的，根據(jù)25 項(xiàng)反措的要求，將爐膛壓力保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)為壓力控制器信號(hào)通過硬接線輸入至DCS 系統(tǒng)中，在DCS 邏輯中分別對(duì)壓力控制器的信號(hào)進(jìn)行判斷，以爐膛壓力高高控制器來講，當(dāng)爐膛壓力高高控制器3 臺(tái)控制器中有任意2 臺(tái)控制器動(dòng)作觸發(fā)并發(fā)出信號(hào)輸入至DCS 系統(tǒng)，在邏輯中進(jìn)行三取二模塊判斷后發(fā)出信號(hào)，信號(hào)輸出至MFT保護(hù)系統(tǒng)，隨即MFT 跳閘繼電器動(dòng)作，繼而導(dǎo)致鍋爐MFT 保護(hù)動(dòng)作。爐膛壓力低低控制器亦是如此。

2 爐膛壓力控制器動(dòng)作的事件經(jīng)過及原因分析

2.1 事件經(jīng)過

2021 年7 月2 日中午，環(huán)境溫度由35 ℃快速下降到12 ℃。13 時(shí)42 分，4 號(hào)爐左側(cè)爐膛壓力低低控制器1 動(dòng)作，LCD 畫面顯示報(bào)警信息，查看趨勢后，此時(shí)爐膛壓力在-30 Pa，機(jī)組運(yùn)行正常，工況穩(wěn)定，此壓力控制器的取樣裝置上同時(shí)引出1 臺(tái)壓力變送器，事件發(fā)生時(shí)，壓力變送器的示數(shù)從-30 Pa 緩慢變化至-3 000 Pa，變化時(shí)長有30 min，當(dāng)壓力達(dá)到控制器動(dòng)作值-2 540 Pa，爐膛壓力低低保護(hù)控制器1 動(dòng)作，光字牌報(bào)警發(fā)出信號(hào)動(dòng)作，而此時(shí)4 號(hào)爐其他3 個(gè)爐膛壓力變送器顯示-30 Pa 左右，鍋爐正處于微負(fù)壓狀態(tài)下正常運(yùn)行。

隨后檢修人員對(duì)該爐膛壓力低低控制器的爐膛壓力取樣裝置進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)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(shí)通向爐膛的接口被雜質(zhì)完全堵塞，這樣就在壓力取樣管的內(nèi)部形成一個(gè)密閉的空間，此時(shí)空間中內(nèi)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(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中一個(gè)基本而重要的模型，通常把它定義為：一定量的真實(shí)氣體當(dāng)壓強(qiáng)趨近于零時(shí)的極限情況，或嚴(yán)格地定義為：嚴(yán)格遵從理想氣體狀態(tài)方程和焦耳定律的氣體。在實(shí)際應(yīng)用中，把溫度不太低，壓強(qiáng)不太高條件下的氣體近似地當(dāng)作理想氣體，通常的壓強(qiáng)和溫度下，實(shí)際氣體可以近似地用理想氣體來描述，且壓強(qiáng)越低，描述的精確度就越高，也就越接近于理想氣體。

根據(jù)熱力學(xué)，理論上的理想氣體模型需要滿足以下三個(gè)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(jì)；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(dāng)取樣管內(nèi)部的密閉空間的壓力處于-30 Pa 左右的微負(fù)壓狀態(tài)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(qiáng)不太高，這樣可以將取樣管內(nèi)密閉的空氣近似地當(dāng)作理想氣體，同時(shí)也滿足理想氣體方程[4]。

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

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

當(dāng)取樣管堵塞后，與壓力控制器之間的取樣管就形成一個(gè)密閉的空間，此時(shí)n 就為定值，壓強(qiáng)p 與溫度T 則成正比例關(guān)系，即當(dāng)溫度越低時(shí)，壓力就越低，反之溫度越高，壓力也越高。由于當(dāng)天中午突降大暴雨，環(huán)境溫度由35 ℃快速下降，壓力也隨之降低，最終當(dāng)壓力值下降至-2 540 Pa 后觸發(fā)控制器動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 消除爐膛壓力取樣裝置堵塞的對(duì)策

此次爐膛壓力低低保護(hù)控制器動(dòng)作的直接原因是取樣管內(nèi)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(duì)取樣管易堵塞的部位提出相應(yīng)的對(duì)策。

1）采用防堵型取樣裝置。爐膛壓力取樣裝置易進(jìn)灰，因運(yùn)行工況不是非常穩(wěn)定，爐膛壓力經(jīng)常性波動(dòng)，當(dāng)爐膛壓力冒正時(shí)，爐灰就會(huì)從取樣裝置進(jìn)入取樣管路，久而久之就會(huì)堵塞取樣管。為了防止?fàn)t灰進(jìn)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(nèi)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(nèi)部感應(yīng)爐內(nèi)壓力變化的單位面積，使測量裝置對(duì)爐膛壓力的響應(yīng)時(shí)間縮短。

2）更換取樣管路。取樣管線結(jié)點(diǎn)處也是易堵塞的部位，金屬硬管焊接時(shí)，由于焊接工藝可能會(huì)導(dǎo)致焊接部位的管路內(nèi)部管徑變小，當(dāng)進(jìn)入取樣管路的爐灰或取樣管內(nèi)的鐵渣，極易積聚在焊接結(jié)點(diǎn)處，最終會(huì)完全堵塞取樣管，可以重新更換取樣管路，將結(jié)點(diǎn)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(dǎo)致的爐灰積聚現(xiàn)象的發(fā)生。

4）定期清理取樣管路。取樣管路內(nèi)部積灰嚴(yán)重，定期進(jìn)行取樣管路清理，可以制定詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)卡，做好安全措施，對(duì)所有壓力測點(diǎn)測量取樣裝置定期進(jìn)行檢查并用壓縮空氣對(duì)管路進(jìn)行反吹，反吹時(shí)應(yīng)注意要從保護(hù)控制器處反吹，防止損壞設(shè)備。

4 號(hào)爐爐膛壓力低低控制器的取樣裝置執(zhí)行以上措施后，徹底消除取樣管路堵塞，此后，對(duì)其他所有的壓力取樣裝置進(jìn)行同樣方案的處理，自此以后爐膛壓力控制器未再發(fā)生誤動(dòng)作的現(xiàn)象。自從處理完成后，壓力變送器的測量值也變化的很穩(wěn)定，波動(dòng)幅度比以前小。因此保證了爐膛壓力測點(diǎn)測量的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及安全性，也保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

爐膛壓力保護(hù)是保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的最主要的保護(hù)，也是FSSS 系統(tǒng)的核心保護(hù)之一，對(duì)爐膛安全起到至關(guān)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(zhǔn)確的基礎(chǔ)。測量元件的測量質(zhì)量提升，測量的數(shù)據(jù)才有了準(zhǔn)確的保證，才能更好地維持機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。在日后的工作中，要不斷吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)逐步完善設(shè)備管理制度，提高設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。