氫氣鍋爐的特點與安全運行經(jīng)驗

左攀華

（滄州中鐵裝備制造材料有限公司工程部)

壓力容器

氫氣鍋爐的特點與安全運行經(jīng)驗

左攀華*

（滄州中鐵裝備制造材料有限公司工程部)

氫氣鍋爐雖然是燃氣鍋爐，但與普通的煤氣或天然氣鍋爐相比有更高的安全性要求。以天津LG渤海化學公司離子膜燒堿裝置2臺45 t/h氫氣鍋爐為例，介紹氫氣鍋爐的結(jié)構(gòu)、自動控制的特點和安全操作經(jīng)驗。

氫氣鍋爐 結(jié)構(gòu) 自動控制 燃燒器 安全運行 經(jīng)驗 BMS MFT

Abstract:Hydrogen boiler is a gas boiler,but compared with ordinary coalgas or natural gas boilers it requires much higher security.It taken the case of2 setsof45 t/hrhydrogen boilerof ionicmembrane caustic soda unit in Tianjin LG BohaiChemical Co.,Ltd.,reviewed the characteristics of some structure,automatic controland safe operational experience.

Key words:Hydrogen boiler；Structure； Automatic control； Burner； Safe operation;Experience； BMS； MFT

0 前言

現(xiàn)今我國氯堿生產(chǎn)中的大量的氫氣，除了與氯氣反應生成鹽酸用去很少一部分外，大部分氫氣被排放至大氣中，極為清潔的能源就這樣被白白浪費掉，非常令人可惜。據(jù)統(tǒng)計，各類工業(yè)副產(chǎn)氫可回收總量每年可達15億m3。由于氫氣的爆炸極限比較寬 （4.1%～74.2%）， 燃燒值為 143 000 kJ/kg，是汽油燃燒熱的3倍，大于任何其他燃氣 （見表1），因此以氫氣作燃料的鍋爐，無論是在鍋爐本體結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、自動控制上，還是在安裝、運行、操作上，與普通燃氣鍋爐相比都有更高的要求。

表1 各種鍋爐用燃料燃燒值對比

天津LG渤?；瘜W公司離子膜燒堿裝置2臺45 t/h氫氣鍋爐 （正常工作時一開一備），使用氯堿裝置 （CA）生產(chǎn)的高純氫氣 （99.8%）和市政天然氣作為燃料。天然氣不僅可作為鍋爐的點火燃料，而且也可作為氯堿生產(chǎn)裝置正常生產(chǎn)之前鍋爐的唯一燃料和正常生產(chǎn)后應急時的輔助燃料，而氫氣則必須在天然氣點火完成后或天然氣作為主燃料正常運行后才能投用。

上述2臺氫氣鍋爐自2006年11月26日投產(chǎn)運行以來，操作方便，安全穩(wěn)定，受到業(yè)內(nèi)人士一致好評。由于其自動化程度較高，所以室外只需一個司爐工就可以同時照料2臺用氫氣作輔助燃料的氯乙烯 （VCM）裝置尾氣焚燒爐和2臺氫氣鍋爐等設備。

鍋爐正常操作參數(shù)：蒸汽操作壓力為2.25 MPa，操作溫度為250～275℃。

1 結(jié)構(gòu)與工藝特點

采用普通燃氣的鍋爐結(jié)構(gòu)簡單，鍋爐本體長10m，寬10m，高度5.5m，含有上下兩個縱置汽包，上下汽包間有脹接對流管束，對流管束對面與兩側(cè)受熱面采用膜式水冷壁共同圍成燃燒室 （見圖1和圖2）。燃燒室呈立方體形狀，底部筑有一層5 cm厚耐火高溫澆注料，燃燒器四周也有一層環(huán)狀澆注料，以保護膜式受熱面承受燃燒器高溫侵蝕。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)

圖2 鍋爐燃燒系統(tǒng)

由于鍋爐本體由對流和輻射兩部分組成，爐膛空間大，燃燒充分，爐膛內(nèi)的簡單結(jié)構(gòu)可確保沒有殘余氫氣滯留。

2 燃燒器特點

進入燃燒器的管路有氮氣、氫氣、天然氣、點火用天然氣四條管路，皆用柔性軟管與器內(nèi)正中間的總進氣管路相連。由鼓風機送入的空氣通過環(huán)狀分配管和汽輪機葉片狀導向葉片被均勻地呈螺旋狀進入爐膛并與燃料氣均勻混合。點火燃料從燃燒器中心進入爐膛內(nèi)部，而電子脈沖點火槍離燃燒器中心有一段距離，靠近燃料分配管邊緣。點火燃燒的火焰由紫外線探測儀負責檢測，點火火焰隨鼓風機送入的空氣呈螺旋狀分布于進氣管路附近，就像狐貍的尾巴在擺動。另一火焰檢測器距離燃燒器中心較遠，負責檢測主火焰。2個紫外線探測儀方向性很強，必須保證探測方向正對點火火焰，否則就會由于檢測不到火焰而發(fā)生停止點火過程的情況，即使用肉眼已經(jīng)觀察到火焰也無濟于事，因為鍋爐的BMS（burnermaster system）是否繼續(xù)進行下去完全依賴于儀表監(jiān)測結(jié)果或監(jiān)測數(shù)據(jù)。

兩個主火焰監(jiān)測器與點火火焰檢測器在點火過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)體現(xiàn)在BMS控制柜上就是0～100%的數(shù)值。正常情況下點火檢測器只測量點火火焰。主燃料燃燒后兩個檢測數(shù)值同時為100%，表明點火過程成功。實際工作中，經(jīng)常發(fā)生因兩監(jiān)測器引線接反、探測器未對準、波長調(diào)整偏差等情況而出現(xiàn)的點火困難，此時會出現(xiàn)監(jiān)測器指針劇烈波動的現(xiàn)象，如果不能得到穩(wěn)定將導致點火失敗。由于上述情況曾多次出現(xiàn)，必須引起足夠重視。

3 氣體管路的特點

每條氣體管路都有壓力自動減壓閥和流量自動調(diào)節(jié)閥控制流量和壓力。流量控制閥前后有2個切斷閥，可保證燃氣不內(nèi)漏進入鍋爐中。每條管線上有一自動對空排氣閥及相應管道，可將2切斷閥間無用燃料氣體在停爐時排至大氣中。壓力調(diào)節(jié)閥前后各設置壓力開關儀表一塊，如果壓力低于或高于設定值就會自動停止點火過程，運行的鍋爐也會立即停止運行。現(xiàn)場儀表顯示壓力與流量調(diào)節(jié)閥前后壓力和溫度的參數(shù)變化，以便進行現(xiàn)場校對自動控制儀表參數(shù)的準確性，同時設置遠傳溫度儀表把溫度信號傳送至DCS與BMS，以便結(jié)合遠傳壓力信號對燃氣流量進行修正。

天然氣和氫氣管路對空排氣閥和切斷閥屬于開關閥，由電磁執(zhí)行器控制。流量調(diào)節(jié)閥由氣動調(diào)節(jié)器控制，其開關情況顯示在DCS顯示器上，作為管路系統(tǒng)是否正常和鍋爐是否可以啟爐的條件。

氫氣從CA裝置經(jīng)過壓縮機壓縮后壓力升至0.6MPa，隨后進入DN 600管路擴容降溫，然后進入氫氣緩沖罐。由于再次擴容的原因，氫氣的水分會進一步凝結(jié)成水，因此緩沖罐底部設置氣動排水閥，可以不定期排除凝結(jié)水，同時由于緩沖罐的特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)使之兼有阻火器的功能。

鼓風機進口設置自定調(diào)節(jié)擋板閥和爐前風量自動調(diào)節(jié)擋板閥各一個，用于調(diào)節(jié)進爐膛風量?？諝饬髁坑嬙O置于兩個風擋板閥之間，有溫度和壓力遠傳信號對空氣流量自動修正。自定調(diào)節(jié)擋板閥由80%和5%兩個限位開關。尾氣煙道設置排氣自動擋板閥與手動擋板閥各一個，煙氣爐膛出口設置溫度開關以保護煙氣溫度不超過溫度設定值，同時設置氧量在線儀表用以監(jiān)測尾氣中的氧氣含量。

4 控制系統(tǒng)特點和MFT（master fueltrip）條件

氫氣鍋爐采用BMS系統(tǒng)控制柜現(xiàn)場啟動以及正?；蚓o急情況下停止操作，同時DCS控制室進行正常的燃燒調(diào)整與日常運行時的蒸汽參數(shù)的監(jiān)控。氮氣、空氣、燃氣與尾氣的溫度、壓力以及閥門開關度等情況都可以在現(xiàn)場儀表與DCS顯示屏上顯示出來。尾氣煙道中的氧氣含量 （正常工作時約為2.5%～8.2%）可通過氧氣分析儀得到，且數(shù)據(jù)可以從BMS盤與DCS顯示器中顯示出來，燃燒情況是否經(jīng)濟以及點火前爐膛內(nèi)部可燃氣含量是否被置換干凈等情況都可從這些數(shù)據(jù)中得出。

BMS邏輯系統(tǒng)是燃燒器點火過程程序控制的核心，鍋爐眾多的壓力、溫度、限位、液位等的開關都會通過這個系統(tǒng)對鍋爐進行保護。啟動點火之前必須使BMS系統(tǒng)的MFT復位，以滿足鍋爐點火啟動的安全條件。BMS控制柜點火過程狀態(tài)燈、報警燈與操作按鈕布置情況見圖3和圖4。

圖3 BMS控制柜點火過程狀態(tài)燈與報警燈

圖4 控制柜點火按鈕設置

MFT條件是避免鍋爐有可能發(fā)生事故而設立的安全條件，即任何一個條件的發(fā)生都意味著鍋爐存在著安全事故的隱患。一旦發(fā)生緊急停爐的情況，或者出現(xiàn)啟爐前MFT鍵無法復位的情況，就必須結(jié)合BMS控制盤上的報警燈顯示查明原因并將問題解決，否則不應該作啟動點火安排，現(xiàn)場的BMS系統(tǒng)控制柜MFT鍵也將無法復位，也就是說，鍋爐的點火條件尚沒有準備好，影響鍋爐安全運行的隱患尚存在。這些條件包括∶

（1）未出現(xiàn)緊急停車情況；

（2）未出現(xiàn)爐膛壓力高高報情況；

（3）未出現(xiàn)排煙溫度高高報情況；

（4）未出現(xiàn)汽包液位低低報情況；

（5）未出現(xiàn)點火燃料(天然氣)壓力低低報情況；

（6）未出現(xiàn)汽包壓力高高報情況；

（7）未出現(xiàn)氮氣壓力低低報情況；

（8）未出現(xiàn)氫氣壓力低報或低低報情況；

（9）未出現(xiàn)風機運行情況下空氣壓力低報情況；

（10）未出現(xiàn)點火燃燒失敗確認情況；

（11）未出現(xiàn)鍋爐煙道調(diào)節(jié)閥非正常關閉情況；

（12）沒有出現(xiàn)鼓風機跳閘停機情況。

5 點火過程

氫氣鍋爐點火過程是程序邏輯控制(PLC)的，當風機啟動后MFT鍵已經(jīng)復位，表明鍋爐的點火已經(jīng)具備安全條件，所以這時可選擇燃料 （H2或H2+CH4或CH4三種）和選擇自動 （或手動）點火方式進行點火。氫氣鍋爐點火過程流程參見圖5。

下面以現(xiàn)場BMS控制柜手動點火過程為例介紹氫氣鍋爐點火過程的特點。

圖5 氫氣鍋爐點火過程

首先按下大風吹掃按鈕進行大風吹掃5m in，直至內(nèi)部的可能的可燃物全部被吹除干凈，此時氧氣含量最后穩(wěn)定為20% （大氣中的氧氣含量值）。大風吹掃完成后風擋板開度由80%變?yōu)?%，同時主天然氣流量調(diào)節(jié)閥開度為10%（在此過程中煙道自動排放閥與鼓風機進口調(diào)節(jié)閥開關度也受BMS程序控制，風量做相應調(diào)整配合燃燒，不可以手動調(diào)節(jié)），BMS盤此時會提示你是否進行點火，如果你按下點火按鈕，點火槍就在2 s后不斷打火10 s，期間點火燃料管路對空排氣閥關閉，同時2個切斷閥開啟，閥門開關情況會由控制柜上的燈光顯示出來。如果點火火焰被點火火焰檢測器檢測到，表明點火成功，控制柜提示你是否投入主燃料。如果按下主火焰點火按鈕，主燃料的對空排氣閥關閉，同時2個切斷閥開啟，當主火焰檢測器檢測到火焰30 s之后點火管路切斷閥關閉，對空排氣閥開啟，而如果主火焰檢測器沒有檢測到火焰，則自動終止點火過程，隨后二次大風吹掃立即開始，吹掃時風擋板開度為80%，直至把爐膛中的可燃氣吹掃出鍋爐爐膛、煙道和風道。操作人員必須先檢查分析出是由于火焰檢測器原因，還是由于氣體管路未正常送氣或別的原因并徹底解決問題，然后才可以再次啟動點火過程。正常投入主燃料氣30 s后，就可以由DCS操作員增加燃料投入。

采用自動點火方式，其步驟與手動點火過程相同的是，首先根據(jù)控制盤上的報警燈顯示情況處置完故障解除報警，隨后按下MFT復位鍵；與手動點火過程不同的是，現(xiàn)場操作人員只需選擇自動點火檔位，按下主火焰點火按鈕，BMS控制柜將自動執(zhí)行點火過程。如果點火不成功也將立即進行二次吹掃。此后室內(nèi)操作人員必須按下點火終止確認按鈕，此時所有送風、排煙、燃料氣、氮氣閥門都將回到初始設置狀態(tài)，室內(nèi)操作人員應要求室外操作人員對未正常啟閉的閥門進行必須的現(xiàn)場核查，待查明原因、解決問題后再做再次點火安排。

點火過程中必須觀察了解各個閥門的開關度是否正常，遇到非正常情況可以斷然采取停止點火過程 （STOP）或按下緊急停止按鈕(ESD)以免發(fā)生意外事故?，F(xiàn)場操作人員應詳細記錄下點火過程中發(fā)生的各種異常細節(jié)，隨時與室內(nèi)操作員溝通，以便為日后研究解決所發(fā)生的各種問題提供第一手資料。例如大風吹掃過程中風閥限位開關未能觸發(fā)80%或5%開度，控制柜將不會進行進一步點火操作，點火過程也一定不會成功，而這個過程只有現(xiàn)場操作人員才可能最先發(fā)現(xiàn)并幫助解決問題。

6 氫氣鍋爐點火過程中的常見問題

（1）點火之前仔細檢查現(xiàn)場MFT條件是否能夠復位。由于鍋爐的自動控制系統(tǒng)較復雜，滿足點火的條件比較多，必須逐個檢查直至每個條件都得到滿足才可以準備啟爐點火。實際工作中經(jīng)常會遇到某個儀表的信號不滿足條件的情況并造成無法啟爐。如果確信信號異常是由于儀表自身的故障引起的，可以暫時通過儀表信號 “短接”的辦法來促使完成正常啟爐。例如我們曾經(jīng)遇到鼓風機出口流量信號源管道斷開致使MFT無法復位的情況，于是就曾采用這種辦法啟爐的，但為了安全起見這種不正規(guī)的情況要盡量避免。

（2）測量儀表是否正常工作是鍋爐是否正常運行的極為關鍵的因素。據(jù)統(tǒng)計，由于儀表原因造成這兩臺氫氣鍋爐的停爐事故約占鍋爐非正常停爐的90%。

（3）各燃料與氮氣空氣管道系統(tǒng)清潔度與嚴密性應滿足要求。 首次啟爐前鍋爐的燃料管路，如氫氣管道、天然氣管道與氮氣管道，必須按照相關要求進行徹底的試壓、吹掃與嚴密性實驗，以確保管道內(nèi)部的徹底清潔。這樣，一方面保證了可燃性氫氣與天然氣不發(fā)生泄漏，另一方面也保證了閥門在使用過程中的嚴密性和正常的壓力與流量調(diào)節(jié)。壓力、溫度和流量的儀表導管等也要做好試壓吹掃工作，保證工作狀態(tài)下的介質(zhì)測量數(shù)據(jù)準確、真實、有效，否則點火過程中的故障不便查明，由此產(chǎn)生的故障停爐也會非常多。

（4）管道系統(tǒng)的閥門開關情況等不僅要在啟爐前仔細檢查，在設備運行中也要定期校對檢驗，否則無法在非正常停爐時發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生的原因和迅速排除故障，不利于鍋爐的穩(wěn)定運行。

（5）鍋爐附件是否工作正常，尤其是液位等是否正常顯示。由于現(xiàn)有氫氣鍋爐都要求安置在室外，所以儀表的正常工作需要一定的溫度條件。尤其是在冬季，為了保證儀表的正常工作，必須保證蒸汽伴熱系統(tǒng)內(nèi)部清潔，否則會經(jīng)常出現(xiàn)由于疏水閥不正常工作而出現(xiàn)的伴熱系統(tǒng)凍結(jié)的情況。這種情況下一些儀表部件如液位計液位開關與汽包壓力導管就會無法正常顯示，運行中的鍋爐會由于聯(lián)鎖而停爐，啟爐過程也將無法順利進行。

（6）裝置產(chǎn)生的氫氣雖然純度較高但是含有一定的水分，當管道中的氫氣溫度下降時，這些水分勢必會凝結(jié)成水，因此必須保證所設計的管道系統(tǒng)不存在袋型，否則就會由于水的存在而造成能源的浪費(水在爐內(nèi)受熱會吸收熱量)，而且還可能出現(xiàn)點火困難甚至無法點燃的情況?？傊?，必須保證氫氣管道中的積水順利排出。

（7）天然氣管路中的自動減壓閥是自力型的，其工作正常與否與環(huán)境溫度有關，也與天然氣中的水含量有關。發(fā)生調(diào)節(jié)困難的情況往往是環(huán)境溫度過低造成的，可用改變環(huán)境溫度的辦法使之正常。

（8）氫氣泄漏容易發(fā)生摩擦燃燒，且由于火焰的顏色非常淺，發(fā)現(xiàn)困難，所以必須在氫氣管道閥門附近安裝氫氣泄漏報警儀。

7 氫氣鍋爐安全運行經(jīng)驗總結(jié)

（1）PLC程序必須經(jīng)過反復論證，不能有邏輯上的缺陷甚至錯誤，否則發(fā)生的危險也許是致命的。例如，如果發(fā)生緊急停爐情況時，按照操作規(guī)程DCS操作員必須在操作站 （CRT）上對整個操作過程進行完全停止確認 （按下確認按鈕），使主燃料氣管路的各種閥門除對空排氣閥外全部切斷閥與流量調(diào)節(jié)閥都關閉。但是如果蒸汽驟停，整個生產(chǎn)裝置處于不停地頻繁調(diào)整時，操作員由于疏忽沒有這樣做怎么辦？程序設置必須充分考慮到這種情況有可能發(fā)生，因而必須設計保險的技術措施，否則再次啟爐時主燃氣管道的閥門依然處于高負荷開啟狀態(tài)，就可能在點火成功后投入主燃料時大量燃氣突然進入爐膛而導致爐膛爆炸。

因此在設備的安全運行已經(jīng)越來越依賴于儀表自動化控制過程的今天，必須縝密設計，完善PLC邏輯可靠性，充分考慮到各種復雜的情況，杜絕因程序設計缺陷而造成的事故。

（2）由于自動控制與監(jiān)測儀表完好性是氫氣鍋爐安全運行的關鍵因素，所以鍋爐操作人員必須學習和掌握有關自動控制方面的知識，這不僅對迅速解決鍋爐故障非常有必要，而且是鍋爐的安全與穩(wěn)定不可缺少的條件。氫氣鍋爐雖然結(jié)構(gòu)簡潔、操作方便，但是對操作人員的綜合素質(zhì)要求較高，相關的機械管道知識與控制儀表知識都必不可少。

（3）從安裝階段就讓鍋爐管理及操作人員了解氫氣鍋爐的結(jié)構(gòu)與操作特點，這對于它的安全運行非常重要。例如鍋爐本體結(jié)構(gòu)特點，管路系統(tǒng)清潔度，自動減壓閥特點，氫氣管路含水量等，了解和掌握這些知識，可為迅速地全面判斷和解決問題提供理論基礎。

（4）由于影響鍋爐正常啟爐的因素較多，發(fā)生停爐故障后再次點火成功所需時間較長，每次約10m in，不能人為縮減，所以啟爐前或發(fā)生故障停爐后不僅要迅速全面檢查每個MFT報警條件直至確信報警解除，使MFT能夠順利復位，而且要檢查火焰檢測器等儀表部件是否狀態(tài)良好，否則點火過程就會被BMS系統(tǒng)再次終止。如果真的發(fā)生這種情況，不僅會造成全廠的蒸汽系統(tǒng)壓力波動，而且可能帶來全廠生產(chǎn)裝置穩(wěn)定困難。

8結(jié)束語

在現(xiàn)階段我國使用氫氣作為燃料的鍋爐雖然應用較少，但是我們通過實際接觸發(fā)現(xiàn)：熟悉它的特點，摸清它的規(guī)律并非難題。有理由相信，隨著我們對氫氣鍋爐的不斷研究探索，將會有越來越多的、安全穩(wěn)定的燃氫鍋爐出現(xiàn)在有富余氫氣的各行各業(yè)中。這不僅可以為節(jié)約石油煤炭等化石燃料創(chuàng)造良好的途徑，而且由于氫氣與氧氣唯一的反應產(chǎn)物是水，所以會大大降低對大氣的污染物排放量，為我國環(huán)境保護做出貢獻。

[1]建設部城鎮(zhèn)燃氣標準技術歸口單位，等.城鎮(zhèn)燃氣及燃氣器具標準匯編 [M].第3版.北京：中國標準出版社，2006.

[2]徐至均.管道工程設計與施工手冊 [M].北京：中國石化出版社，2004.

The Characteristics and Safe Operation Experience of the Hydrogen Boiler

Zuo Panhua

TQ 054

2010-12-13）

*左攀華，男，1970年2月生，工程師。滄州市，061113。