高爐煤氣燃燒器燃?xì)庑孤┌踩刂瞥Ｒ妴栴}分析及安全切斷閥切斷時間計算方法

單天禹劉 峰

（1.黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 大慶 161139）

（2.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

高爐煤氣燃燒器燃?xì)庑孤┌踩刂瞥Ｒ妴栴}分析及安全切斷閥切斷時間計算方法

單天禹1劉 峰2

（1.黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 大慶 161139）

（2.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

高爐煤氣燃燒器燃?xì)庑孤┑某Ｒ妴栴}是無安全切斷閥、安全切斷閥數(shù)量不夠和用手/電動調(diào)節(jié)閥代替安全切斷閥等并加以了分析。同時，還介紹了一種高爐煤氣燃燒器安全切斷閥切斷時間計算方法。

高爐煤氣 燃燒器 泄漏 安全切斷 時間

鋼鐵企業(yè)是能源消耗非常大的企業(yè)，在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中，消耗大量的煤炭、燃油和電力等能源的同時，還產(chǎn)生了大量的高爐煤氣[1]。對于高爐煤氣鍋爐燃燒器，一般有兩種燃?xì)庑孤┣闆r：一是燃?xì)馔ㄟ^管路向環(huán)境泄漏（也稱外泄露），二是燃?xì)馔ㄟ^電磁閥閥芯端面向爐內(nèi)泄漏[2]。環(huán)境泄漏可能導(dǎo)致人員中毒、工作現(xiàn)場爆炸等事故的發(fā)生；而爐內(nèi)泄漏可能引起爐膛爆炸，影響設(shè)備安全。

高爐煤氣燃燒器發(fā)生燃?xì)庑孤r，其自動快速切斷閥會切斷供給燃燒器的燃?xì)狻Ｈ绻詣涌焖偾袛嚅y沒有立即切斷繼續(xù)進(jìn)氣，就可能產(chǎn)生“熄火爆炸”事故。反之，高爐煤氣鍋爐如果通風(fēng)吹掃時間不足，再次點火將會引起“點火爆炸”事故。尤其在高爐煤氣鍋爐運行過程中突然停電，自動快速切斷閥未及時切斷燃?xì)猓装l(fā)生爆炸事故。例如邯鄲75t/h高（焦）爐煤氣鍋爐，調(diào)試期間在點火瞬間，爐膛及排煙系統(tǒng)發(fā)生爆炸，設(shè)備嚴(yán)重?fù)p毀，死亡13人，傷8人。經(jīng)過事故調(diào)查及分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐燃燒未設(shè)置自動點火程序、未執(zhí)行吹掃、電動閘閥/安全切斷閥控制混亂。

因此，安全切斷閥對燃燒器及鍋爐的安全運行尤為重要。下面介紹高爐煤氣燃燒器燃?xì)庑孤┌踩刂瞥Ｒ妴栴}分析及安全切斷閥切斷時間計算方法。

1 常見問題

1.1 無安全切斷閥

安全切斷閥主要是指快開快切，或慢開快切的電磁閥或氣動閥等（除具有控制關(guān)閉功能以外還需要實現(xiàn)掉電關(guān)閉功能）在燃燒器燃?xì)庵鞴艿郎喜辉试S只存在慢切的閥，因為在運行中因為火焰熄滅，會立刻切斷主管道的閥門，若因閥的問題沒有快速切斷，那會導(dǎo)致大量的可燃?xì)怏w集聚爐膛，當(dāng)?shù)诙吸c火時，沒有吹盡的可燃?xì)怏w在爐膛內(nèi)仍有達(dá)到爆炸濃度的可能性，危險性相當(dāng)大。這種現(xiàn)象在工業(yè)爐窯中比較常見，基本上沒有安裝自動安全切斷閥，通常安裝一只手動閥，而且該閥還不一定是能快速切斷的手動球閥，存在極大的安全隱患。

1.2 安全切斷閥數(shù)量不夠

燃?xì)庵鞴艿乐行枰辽?只串聯(lián)的安全切斷閥，如果只有一個安全切斷閥，一旦閥損壞，發(fā)生內(nèi)部泄漏，可燃?xì)怏w進(jìn)入爐膛，吹掃換氣不充分，點火時極易發(fā)生爆炸。在鋼鐵廠的高爐和焦?fàn)t煤氣鍋爐中，大多數(shù)燃燒器采用四角布置，為了節(jié)省成本，一些用戶在每只燃燒器的管道上只安裝一只安全切斷閥、一只流量調(diào)節(jié)閥和一只手動球閥。在燃?xì)饽腹苌习惭b一只安全切斷閥（一根母管上有兩根支管，配置兩臺燃燒器），這樣的布置由于安全切斷閥數(shù)量不足，一旦存在泄漏，不可避免造成事故。主要通過串聯(lián)的兩級燃?xì)馇袛嚅y同時動作斷燃料，可以保證在一只切斷閥意外關(guān)閉不嚴(yán)時，另一只仍可切斷燃?xì)猓岣甙踩禂?shù)； （燃用氣體燃料的爐子點火時爆炸。其中半數(shù)是由于停爐時可燃?xì)怏w泄漏造成的，其余一半是由于操作人員為了省事在關(guān)閉主燒嘴的閥門時，沒有同時關(guān)閉主管的安全切斷閥而引起的。）通過兩只串聯(lián)的安全切斷閥，可以有效的減少燃料泄露的風(fēng)險，減少因閥門工作不可靠造成的設(shè)備安全風(fēng)險。

1.3 用手/電動調(diào)節(jié)閥代替安全切斷閥

因為手動閥不受自動控制，在緊急情況下無法及時切斷燃?xì)庵鞴艿?。電動調(diào)節(jié)閥主要起流量調(diào)節(jié)作用，是慢開慢關(guān)的閥，在緊急情況下也無法及時切斷燃?xì)庵鞴艿?。在正常燃燒時火焰突然熄滅，此時會立刻切斷主管道的閥門，若因閥的問題沒有快速切斷，那會導(dǎo)致大量的可燃?xì)怏w集聚爐膛，當(dāng)?shù)诙吸c火時，沒有吹盡的可燃?xì)怏w在爐膛內(nèi)仍有達(dá)到爆炸濃度的可能性，危險性相當(dāng)大。在鋼鐵廠的高爐和焦?fàn)t煤氣燃燒器上，我們發(fā)現(xiàn)有的廠家用電動蝶閥作為安全切斷閥，這是非常危險的，因為電動閥的開啟和關(guān)斷時間很長，沒有快速切斷的功能，而且一旦掉電，電動閥將失去關(guān)斷功能手/電動調(diào)節(jié)閥代與安全切斷閥有本質(zhì)的區(qū)別，主要是自動控制關(guān)閉和掉電關(guān)閉功能。

1.4 無閥門檢漏裝置或用壓力表指示代替

閥門檢漏裝置用于檢測安全切斷閥是否有內(nèi)漏，在燃燒器啟動前或點火前，內(nèi)漏檢測是必要條件，否則燃燒器不允許點火。因此無閥門檢漏裝置的控制系統(tǒng)存在嚴(yán)重的安全隱患，如有閥門有內(nèi)部泄漏而無法做出停止指令，燃燒器在點火的時候很可能會發(fā)生爆炸。在鋼鐵廠的高爐和焦?fàn)t煤氣燃燒器上，甚至在燃燒氫氣的燃燒器用戶上，沒有安裝閥門檢漏裝置，有的在兩只安全切斷閥之間僅安裝了一只壓力表，有的連壓力表也沒有，用戶沒有閥門檢漏的意識，一旦閥門泄漏嚴(yán)重，點火時將發(fā)生爆炸。閥門檢漏裝置是對閥門在運行前進(jìn)行的安全風(fēng)險的識別和判定。通過與否關(guān)系到閥門是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)，是否可以使用。

1.5 無手動快速切斷閥

雖然燃?xì)庵鞴艿郎弦呀?jīng)安裝了2只串聯(lián)的安全切斷閥，但是這兩只閥若損壞了，發(fā)生泄漏等緊急情況，這時就需要在安全切斷閥上游安裝手動的快速切斷閥，一方面為了快速切斷主管道燃料供應(yīng)，另一方面可以保障管道安全，在燃燒器出現(xiàn)意外時可以迅速切斷手動快切閥，還有就是對于長期停用的燃燒器，關(guān)閉手動快切閥是必要的。無論是燃油還是燃?xì)庠O(shè)置快速手動切斷閥的目的就是有效的隔離燃料。

2 安全切斷閥切斷時間計算方法[3]

安全閥允許切斷時間的確定對于燃?xì)忮仩t供氣系統(tǒng)快速切斷閥的選擇至關(guān)重要。下面介紹一種計算切斷時間的方法。

1）工程上使用的燃?xì)?，幾乎都是?shù)種可燃?xì)怏w的混合物，其爆炸極限可用勒.查特列（Le Chatelier）公式計算：

當(dāng)燃?xì)庵胁缓栊詺怏w時：

當(dāng)燃?xì)庵泻卸栊詺怏w時：

式(1)、式(2)中：

Xi——燃?xì)庵懈骺扇冀M分的體積百分?jǐn)?shù)，%；

Li——燃?xì)庵懈骺扇冀M分爆炸極限（上限或下限），%；

X——惰性氣體的體積分率。

（2）快速切斷閥關(guān)閉過程的流量特性如圖1所示。

圖1 快速切斷閥關(guān)閉過程的流量特性圖

由圖1可知，快速切斷閥開始關(guān)閉時間為T0時，燃?xì)饬髁繛镼0；當(dāng)快速切斷閥關(guān)閉后時間為T1時，燃?xì)饬髁繛?（不計泄漏量）。因此在時間間隔ΔT=T1-T0內(nèi)，進(jìn)入鍋爐爐膛的燃?xì)怏w積（即圖中陰影部分的面積）為：

3）當(dāng)進(jìn)入鍋爐爐膛的燃?xì)怏w積Vd與爐膛內(nèi)空氣體積（其數(shù)值等于爐膛容積Vl）混合后的體積含量小于燃?xì)獾谋O限（下限）Ldx，那么就可以避免發(fā)生爆炸危險：

進(jìn)入爐膛的燃?xì)怏w積Vd，為了使選擇的快速切斷閥更安全可靠，計算中忽略了燃?xì)鈹U(kuò)散、爐膛中滯留煙氣、引風(fēng)機倒轉(zhuǎn)、煙囪抽力及爐膛泄漏等因素對Vd的微小影響。將式（3）代入式（4）得：

式中：

ΔT——快速切斷閥的允許切斷時，s；

Ldx——燃?xì)獗舛认孪蓿?；

V1——鍋爐爐膛容積，m3；

Q0——額定工況下進(jìn)入鍋爐的燃?xì)饬髁?，m3/s。

由此，可根據(jù)式（5）計算快速切斷閥允許切斷時間。選擇切斷時間小于ΔT，泄漏率較小的閥門作為快速切斷閥。

3 總結(jié)

必須對燃?xì)庑孤┘右愿叨戎匾?，?yīng)確保管路密封，定期對管路檢漏。對于內(nèi)漏一般應(yīng)采取如下幾種方法加以預(yù)防和控制：

1）高爐煤氣鍋爐應(yīng)保證足夠的吹掃時間和吹掃風(fēng)量，使?fàn)t內(nèi)燃?xì)鉂舛仍诒O限以下；

2）安裝管路泄漏檢測裝置，在點火前對燃?xì)夤苈愤M(jìn)行泄漏檢測，若燃?xì)庑孤┻_(dá)到一定數(shù)值就立即鎖定燃燒器的工作；

3）應(yīng)選擇切斷時間小于式（5）計算出的快速切斷時間ΔT且泄漏率小的切斷閥。

4）提高高爐煤氣鍋爐系統(tǒng)的安全性，在燃?xì)夤苈飞峡刹捎脙蓚€切斷閥串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

[1] 安悅,張智羽.燃煤鍋爐改燃高爐煤氣時燃燒器的選擇[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2008(12).

[2] 童敏.燃?xì)馊紵靼踩刂萍夹g(shù)探討[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012(01).

[3] 李佳良,趙寶林.燃?xì)忮仩t供氣系統(tǒng)快速切斷閥的選擇[J].本鋼技術(shù),2008(03).

[4] 孫琦,等.關(guān)于安全閥整定壓力判定方法的討論[J].中國特種設(shè)備安全，2014，30（5）30—32.

[5] 廖曉煒,等.燃燒器吹掃過程理論分析及數(shù)值模擬[J].中國特種設(shè)備安全，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

單天禹(1993～), 女,本科，從事工業(yè)儀器儀表自動化控制研究工作。

2015-04-30）