有機熱載體鍋爐安全運行的幾個主要把控點

吳運良 劉 威 何 濤 葉劍文

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院 廣州 510063)

(2.廣州市南沙區(qū)市場和質(zhì)量監(jiān)督管理局 廣州 511455)

由于有機熱載體鍋爐系統(tǒng)是采用高溫循環(huán)泵將有機熱載體與用熱設(shè)備發(fā)生熱量交換后返回鍋爐重新加熱的強制閉路循環(huán)系統(tǒng)，因此有機熱載體在鍋爐安全運行中擔(dān)任著非常重要的角色；同時加上復(fù)雜多變的工藝系統(tǒng)，容易衍生各種各樣問題，引起使用過程事故多發(fā)，輕則發(fā)生過熱、氧化、管路積碳、結(jié)焦爆管等失效現(xiàn)象，重則引發(fā)火災(zāi)、爆炸等重大事故。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對鍋爐安全的影響

1.1 循環(huán)泵的匹配問題

循環(huán)泵額定功率、流量、揚程應(yīng)符合鍋爐設(shè)計技術(shù)文件要求，同時運行時泵本身的性能曲線與管路特性曲線相交的工作點要滿足鍋爐的設(shè)計流量、揚程要求，以此保證鍋爐在不低于最小限制流速下運行。若出現(xiàn)以下情況時，應(yīng)重新對系統(tǒng)阻力和注油量進行計算校核，并校核循環(huán)泵及高、低位膨脹罐容積和高度能否滿足鍋爐的安全運行要求：

1）鍋爐長期運行管道積碳形成系統(tǒng)阻力的增加，車間用熱設(shè)備的增加，管路結(jié)構(gòu)改變和長度增加，膨脹槽高度發(fā)生變化。

2）循環(huán)泵功率改小或因長期服役導(dǎo)致的泵體老化、功率下降、性能曲線下移、體積流量和揚程下降。

3）循環(huán)泵揚程高于鍋爐額定壓力。

1.2 鍋爐并聯(lián)運行問題

●1.2.1 鍋爐并聯(lián)運行且共用膨脹罐

當(dāng)兩臺鍋爐并聯(lián)運行且共用膨脹罐時，因爐型不同使得鍋爐本體管路阻力相差懸殊，而由此產(chǎn)生的揚程損失差值完全由鍋爐循環(huán)泵的揚程來平衡。因此阻力大的鍋爐中有機熱載體流速慢，阻力小的流速快，從而使兩臺鍋爐有機熱載體產(chǎn)生嚴(yán)重偏流。鍋爐并聯(lián)時，一定要注意鍋爐爐型、管路阻力不能相差懸殊，以免產(chǎn)生有機熱載體偏流等異常狀況，防止鍋爐事故的發(fā)生[1]。

●1.2.2 鍋爐并聯(lián)運行不共用膨脹罐

當(dāng)兩臺鍋爐并聯(lián)運行且不共用膨脹罐時，若兩者油氣分離器至循環(huán)泵之間的阻力不同，則兩臺鍋爐膨脹罐產(chǎn)生的液位高度也不相同。如果兩臺鍋爐膨脹罐的液位高低差較懸殊時，則會引起兩個膨脹罐液相差過大，造成定壓系統(tǒng)失衡，從而導(dǎo)致有機熱載體超溫，影響鍋爐運行安全[1]。

1.3 流量（差壓保護）保護值的整定問題

●1.3.1 低流量、低流速的影響

液相強制循環(huán)有機熱載體鍋爐運行時，應(yīng)密切關(guān)注鍋爐有機熱載體循環(huán)流量、流速及壓力等運行參數(shù)，防止出現(xiàn)有機熱載體循環(huán)低流量、低流速以及鍋爐超壓或低壓等異常狀況?！跺佉?guī)》11.2.5條規(guī)定設(shè)計時應(yīng)當(dāng)提供最小限制流速的計算結(jié)果（允許最小體積流量），但實際運行中由于車間用熱設(shè)備的增加、循環(huán)泵性能下降，有機熱載體循環(huán)流量會發(fā)生偏低，流速減慢的情況。若按原熱功率運行，勢必使鍋爐供、回油溫差增大，甚至出現(xiàn)有機熱載體超溫。

●1.3.2 差壓控制

差壓報警聯(lián)鎖裝置是通過監(jiān)測鍋爐進出口壓力差實現(xiàn)聯(lián)鎖控制的，其實為流量監(jiān)測的一種形式，用以判斷鍋爐循環(huán)有機熱載體的流動狀況是否滿足設(shè)定要求。差壓表征導(dǎo)熱油在鍋爐內(nèi)部管道流動的速度，壓差大，流速快；壓差小，流速慢。（ΔpL=lλρv/8Rs，其中：l——管道長度；λ——摩擦損失系數(shù)；Rs——管道的水力半徑；ρ——導(dǎo)熱油密度；v——導(dǎo)熱油流速）；如果壓差過大，管道可能堵了；壓差過小，則導(dǎo)熱油流速小，導(dǎo)熱油流速太小會過熱失效。鍋爐調(diào)試時，調(diào)試人員應(yīng)根據(jù)設(shè)計所需最小限制流速，按伯努利方程式計算進出口壓力差，并以此壓力差值進行設(shè)定。一般情況下，壓差不應(yīng)低于0.05MPa，不應(yīng)高于0.25MPa。因此保持正常的壓差是保證鍋爐安全運行的第一要素。一般常見問題和原因有：

1) 進出口壓力差過小：爐內(nèi)管路有泄漏或爐管內(nèi)有氣體油導(dǎo)致有機熱載體流動阻力減小，也可以是系統(tǒng)循環(huán)流量太低。

2) 進出口壓力差過大：爐內(nèi)管路可能有堵塞導(dǎo)致局部阻力增大。

●1.3.3 流量控制與差壓控制比較

流量保護工作原理和功能與差壓保護基本相同，都是反映爐內(nèi)管路導(dǎo)熱油流速狀況；流量控制比差壓控制更精準(zhǔn)靈敏可靠，調(diào)試人員一般根據(jù)設(shè)計技術(shù)文件提供的低流量整定值進行設(shè)定，或可根據(jù)最小限制流速計算：v=Q/3600F，v——循環(huán)流速；Q——體積流量；F——流通截面積（F=1/4πd2n；d——受熱面管流通直徑；n——并聯(lián)受熱面管數(shù)量）。

1.4 膨脹罐高、低液位保護動作問題

●1.4.1 膨脹罐設(shè)置高度的要求

開式膨脹罐的位置不應(yīng)設(shè)置過高，過高則將引起膨脹罐內(nèi)液位過低和將致使系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的壓力升高，有可能超過鍋爐、設(shè)備的額定壓力，影響鍋爐的運行安全；但也不應(yīng)設(shè)置過低，如果最高用油點超過膨脹槽高度，有可能使最高點出現(xiàn)負壓氣化，過低則鍋爐運行時將產(chǎn)生循環(huán)泵汽蝕或引起有機熱載體溢出等問題。其安裝高度的計算，還需考慮系統(tǒng)最高點，系統(tǒng)內(nèi)承壓元件的額定壓力[1]。

●1.4.2 膨脹罐功能

膨脹罐用以調(diào)節(jié)和容納系統(tǒng)中有機熱載體從環(huán)境溫度升高到最高工作溫度時的膨脹量，在冷態(tài)情況下，膨脹罐內(nèi)一般儲存著系統(tǒng)總?cè)萘康?0%以上的有機熱載體，監(jiān)檢員在安裝監(jiān)檢時必須驗證膨脹罐調(diào)節(jié)容積是否符合鍋爐及系統(tǒng)的安全使用要求，試驗方法（有機熱載體完成脫氣和脫水工藝完成后）：

1）冷態(tài)試驗，在整個鍋爐及系統(tǒng)在環(huán)境溫度下，檢查膨脹罐是否出現(xiàn)低液位保護動作報警；

2）熱態(tài)試驗，在整個鍋爐及系統(tǒng)升溫到最高工作溫度下，檢查膨脹罐是否出現(xiàn)高液位保護動作報警。

在運行狀態(tài)下發(fā)生高液位和低液位保護反復(fù)動作報警往往是事故發(fā)生的先兆，必須引起高度重視。使用單位必須及時查明報警產(chǎn)生的原因，不得隨意復(fù)位運行，必要時委托第三方專業(yè)技術(shù)機構(gòu)進行評估后才可繼續(xù)投用，否則，條件進一步惡化將導(dǎo)致鍋爐系統(tǒng)缺油或噴油著火等事故的發(fā)生。一般情況下，常見產(chǎn)生問題的原因有：

1）低液位保護動作報警，正常條件狀態(tài)下，鍋爐及系統(tǒng)存在泄漏風(fēng)險的可能性較大。

2）高液位保護動作報警，正常條件狀態(tài)下，系統(tǒng)用熱設(shè)備熱交換器滲入水的風(fēng)險可能性較大。

3）高、低液位保護反復(fù)動作報警，表明膨脹罐與系統(tǒng)不匹配，膨脹罐已失去調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有機熱載體膨脹量的能力。

2 有機熱載體允許使用溫度

2.1 有機熱載體的溫度使用規(guī)定

《鍋規(guī)》4.6.1、11.1.4、11.1.5、11.2.5對鍋爐出廠資料及有機熱載體最高工作溫度、最高允許使用溫度、最高允許液膜溫度進行了如下規(guī)定：

1）出廠資料的要求：“產(chǎn)品出廠時，有機熱載體鍋爐應(yīng)當(dāng)提供液膜溫度計算書或者計算結(jié)果匯總表[2]”。

2）對有機熱載體最高工作溫度要求：“有機熱載體的最高工作溫度不應(yīng)當(dāng)高于其自燃點溫度，并且至少低于其最高允許使用溫度10℃，燃煤鍋爐或者爐膛輻射受熱面平均熱流密度大于0.05MW/m2的鍋爐，有機熱載體的最高工作溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀谄渥罡咴试S使用溫度20℃[2]”。

3）對有機熱載體最高允許液膜溫度要求：“有機熱載體的最高允許使用溫度小于或者等于320℃時，其最高允許液膜溫度應(yīng)當(dāng)不高于最高允許使用溫度加20℃；有機熱載體的最高允許使用溫度高于320℃時，其最高允許液膜溫度應(yīng)當(dāng)不高于最高允許使用溫度加30℃[2]”。

4）對有機熱載體計算最高液膜溫度要求：“鍋爐的計算最高液膜溫度不應(yīng)當(dāng)超過所選用的有機熱載體的最高允許液膜溫度[2]”。

2.2 在用鍋爐有機熱載體使用現(xiàn)狀

1）盲目選取有機熱載體。部分使用單位都是選取最高允許使用溫度低于或等于鍋爐額定出口溫度的有機熱載體。

2）對有機熱載體產(chǎn)品型式試驗報告不清楚。型式試驗報告存在由于有機熱載體產(chǎn)品的氧化安定性檢測結(jié)果不合格，注明僅限閉式系統(tǒng)使用，但使用單位卻隨意地用在開式系統(tǒng)中。

3）鍋爐定期檢驗與有機熱載體定期檢驗不關(guān)聯(lián)。實際檢驗中，鍋爐和有機熱載體檢驗往往是兩套檢驗人馬，鍋爐檢驗員基本只引用有機熱載體定期檢驗報告的結(jié)論；而《鍋爐水（介）質(zhì)處理檢驗規(guī)則》附錄C《在用有機熱載體的檢驗報告》中，無有機熱載體的最高允許使用溫度這個項目的要求；因此鍋爐檢驗員無法確認和引用該溫度參數(shù)，而想當(dāng)然地直接把鍋爐額定出口溫度作為檢驗結(jié)論允許使用溫度參數(shù)，使鍋爐檢驗結(jié)論存在不正確的可能。

3 案例

2015年廣州某區(qū)某電子有限公司的有機熱載體液相鍋爐在系統(tǒng)高溫運行狀態(tài)下（循環(huán)泵運轉(zhuǎn)），在更換鍋爐出口壓力表時，不慎在拆卸過程中發(fā)生噴油著火事故，鍋爐房內(nèi)3臺鍋爐全部燒毀，幸無人員傷亡，直接經(jīng)濟損失達1000萬元人民幣。

其使用情況：鍋爐型號YYW-9000Y（Q），額定出口壓力0.7MPa，額定出口溫度320℃，開式系統(tǒng)運行，在2001年至2007年運行期間使用L-QB300礦物型有機熱載體。2007年在車間增加用熱設(shè)備時（系統(tǒng)改造未對系統(tǒng)阻力和注油量重新進行計算校核，換油前未對鍋爐系統(tǒng)管路進行清洗），更換使用了L-QC320合成型有機熱載體。

日常運行參數(shù)：鍋爐運行時出口溫度315～320℃，回油溫度285～3 0 0℃，回油壓力0.45MPa。

鍋爐技術(shù)資料：1）有機熱載體型式試驗檢測報告中最高允許使用溫度為320℃；2）查液膜溫度計算書得知：鍋爐計算最高液膜溫度為330.97℃；3）歷次鍋爐定期檢驗報告結(jié)論允許使用溫度320℃。

原因分析：1）截止針閥因長期服役，關(guān)閉功能突然失效；2）高溫帶壓更換壓力表，違規(guī)操作；3）選溫不正確。日常運行鍋爐出口溫度320℃，也就是有機熱載體的最高工作溫度達到320℃，應(yīng)選最高允許使用溫度不低于330℃的有機熱載體；根據(jù)《鍋規(guī)》11.1.4要求，有機熱載體最高允許使用溫度應(yīng)選擇為320℃+10℃=330℃；根據(jù)《鍋規(guī)》11.1.5得知有機熱載體最高允許液膜溫度為330℃+30℃=360℃，鍋爐技術(shù)資料提供的鍋爐的計算最高液膜溫度330.97℃，不超過所選用的有機熱載體的最高允許液膜溫度360℃，滿足《鍋規(guī)》11.2.5要求。故選取大于最高允許使用溫度330℃的有機熱載體，才能保證鍋爐在其額定工況下安全運行；4）選型不正確。L-QC只適用閉式系統(tǒng)，鍋爐定期檢驗未進行油品安全符合性的審查。

綜上所述，L-QB300、L-QC320有機熱載體在長期超溫工況下運行，熱穩(wěn)定性、熱氧化安定性、導(dǎo)熱性、閃點、運動黏度、5%低沸物的餾出溫度等物理和化學(xué)性質(zhì)都不斷地惡性循環(huán)，導(dǎo)致油品劣化，安全性能不斷下降，一旦發(fā)生泄漏，必然容易引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

事故直接原因：違規(guī)操作。由于違規(guī)帶壓更換壓力表，壓力表根部的截止針閥服役時間較長，關(guān)閉功能突然失效，有機熱載體從截止針閥高溫噴射而出著火，發(fā)生火災(zāi)事故。

事故間接原因：管理混亂，造成油品劣化。成因：1）有機熱載體選型錯誤；2）選溫錯誤；3）換油前無對系統(tǒng)管道進行清洗，礦物型油與合成型油混合使用造成污染，加速油品老化；4）車間用熱設(shè)備的盲目增加，未辦理相關(guān)手續(xù)，私自改變管路結(jié)構(gòu)、增加長度；經(jīng)核算，系統(tǒng)的循環(huán)泵功率、流量、揚程參數(shù)和高、低位膨脹罐容積都不能滿足鍋爐的安全使用要求。

4 總結(jié)

1）不得鍋爐及系統(tǒng)管路在高溫帶壓狀況下，更換、維修爐及系統(tǒng)管路上的測量元件及管道組成件。

2）建議《鍋爐水（介）質(zhì)處理檢驗規(guī)則》附錄C二《在用有機熱載體的檢驗報告》中，增加有機熱載體的最高允許使用溫度參數(shù)項目內(nèi)容。

3）有機熱載體選溫時，必須滿足鍋爐的計算最高液膜溫度的要求，當(dāng)用戶提供不了液膜溫度計算書時，有機熱載體最高允許使用溫度一般應(yīng)比加熱爐的出口最高工作溫度高出30～40℃可保安全。有機熱載體選型時，審查有機熱載體品種限制的傳熱系統(tǒng)類型是否滿足實際傳熱系統(tǒng)的類型。

建議鍋爐定期檢驗時檢驗人員應(yīng)認真審查鍋爐液膜溫度計算書、有機熱載體產(chǎn)品型式試驗報告和每年的有機熱載體定檢報告；綜合鍋爐、系統(tǒng)和有機熱載體的實際安全限制條件狀況，綜合給定鍋爐允許使用溫度參數(shù)，有效地防止和減少事故的發(fā)生。

4）當(dāng)發(fā)生低流量（差壓），超溫，高、低液位，超壓、低壓等異常狀況時，必須及時進行排查分析，找出原因后才可進行故障復(fù)位，建立制度，以防止鍋爐事故的發(fā)生。

5）鍋爐及系統(tǒng)的密封件出現(xiàn)輕微或不可見（蒸汽）的泄漏必須立即更換，建議鍋爐及系統(tǒng)的密封件及閥門服役滿10年更換一次，且每年應(yīng)進行一次泄漏試驗；對一次性注油量大于10m3的系統(tǒng)，應(yīng)對循環(huán)泵軸承和機封進行定期檢查，每2年（約運行15000h）更換一次。