鍋爐無(wú)法啟動(dòng)分析和處理

張 戎，張志慧，劉 博，黃曉妍

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

本文以鍋爐無(wú)法啟動(dòng)這一故障現(xiàn)象作為切入點(diǎn)，深入分析鍋爐燃油系統(tǒng)回油壓力高觸發(fā)鍋爐安全聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作的各個(gè)環(huán)節(jié)，從保護(hù)邏輯信號(hào)開(kāi)始，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，深入挖掘故障的根本原因，對(duì)目前進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行模式的核電廠，在故障信息數(shù)據(jù)不全以及盡量縮短維修工期的要求下，如何查找故障的根本原因摸索出一條行之有效的解決方法，對(duì)其他電站或同類設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)具有重要的參考價(jià)值。

1 背景描述

秦山核電站12#備用供熱站（鍋爐房）是全廠在定期停堆檢修或因意外停堆時(shí)，緊急啟動(dòng)向外網(wǎng)供汽的備用供熱站。主要用戶有：除氧器加熱、副控廢液蒸發(fā)、淋浴水系統(tǒng)加熱和夏季09#溴化鋰機(jī)組制冷供汽。鍋爐作為特種設(shè)備，同時(shí)受國(guó)家相關(guān)部門監(jiān)管并安排定期特檢。因此，鍋爐的熱備對(duì)核電廠來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

圖1 鍋爐程序控制器時(shí)序圖Fig.1 Sequence diagram of boiler program controller

2019 年12 月27 日，運(yùn)行人員在實(shí)施鍋爐定期啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，鍋爐多次啟動(dòng)失敗，具體現(xiàn)象為：鍋爐手動(dòng)啟動(dòng)按鈕按下后，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，約2min 后供油泵啟動(dòng)，鍋爐即將點(diǎn)火一瞬間突然停機(jī)，同時(shí)鍋爐就地控制柜發(fā)出故障報(bào)警，PLC 控制屏發(fā)出回油壓力高報(bào)警。

2 原因分析及相關(guān)試驗(yàn)

2.1 鍋爐基本控制原理

秦山核電站12#鍋爐房使用的是雙良WNS 型蒸汽鍋爐[3]，采用PLC（可編程邏輯控制器）和程序控制器聯(lián)合控制，以觸摸屏和按鈕為雙重操作界面的控制方式，同時(shí)設(shè)有水位控制器和負(fù)荷控制器等控制、監(jiān)測(cè)和顯示裝置。

其中，水位控制器，用于控制鍋爐比例或位式進(jìn)水，以確保鍋爐水位在正常范圍內(nèi)。

程序控制器，用于控制和監(jiān)測(cè)燃燒器，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)燃燒過(guò)程的全自動(dòng)運(yùn)行。

負(fù)荷控制器，用于不斷檢測(cè)鍋爐壓力，將壓力信號(hào)不斷地傳給燃燒器的程序控制器，以使程序控制器根據(jù)負(fù)荷的變化來(lái)及時(shí)調(diào)整燃燒。

以上各控制元件同時(shí)都有信號(hào)送給PLC，PLC 對(duì)收到的信號(hào)不斷進(jìn)行分析、判斷，對(duì)以上各控制元件有監(jiān)控作用；同時(shí)，又將處理信號(hào)送給觸摸屏，通過(guò)觸摸屏將鍋爐運(yùn)行情況及時(shí)顯示出來(lái)，并通過(guò)觸摸屏對(duì)鍋爐進(jìn)行控制操作。

表1 秦山核電站鍋爐設(shè)備參數(shù)Table 1 Qinshan Nuclear Power Plant boiler equipment parameters

觸摸屏是鍋爐當(dāng)前所處狀態(tài)的直觀顯示裝置，也是對(duì)鍋爐進(jìn)行控制的操作面板，是判斷本次鍋爐無(wú)法啟動(dòng)故障的重要裝置。

秦山核電站12#鍋爐房的鍋爐使用的燃料是0#柴油，燃油經(jīng)油泵加壓打入燃燒器，通過(guò)機(jī)械霧化、高壓點(diǎn)火后，在爐膽內(nèi)產(chǎn)生火焰并開(kāi)始燃燒，多余的燃油經(jīng)回油管線返回日用油箱。鍋爐程序控制器時(shí)序圖如圖1 所示[1]。

圖2 鍋爐報(bào)警指示電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic diagram of boiler alarm indication

2.2 鍋爐安全聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作及原因分析

2.2.1 鍋爐安全聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作邏輯[3]

MNS 型蒸汽鍋爐設(shè)有7 個(gè)安全聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)，分別為：油泵電機(jī)過(guò)載（KH3）、風(fēng)機(jī)電機(jī)過(guò)載（KH1）、變頻器故障（ATV）、回油壓力高（KA19）、汽壓極高（KA3）、水位低限（KA4）、水位極高（KA6），其中水位極高為鍋爐允許啟動(dòng)條件之一。鍋爐啟動(dòng)后會(huì)報(bào)警，但不會(huì)觸發(fā)鍋爐停機(jī)，其余信號(hào)均會(huì)在鍋爐啟動(dòng)后觸發(fā)保護(hù)停機(jī)。

從鍋爐停機(jī)時(shí)，就地控制柜發(fā)出故障報(bào)警及PLC 觸摸屏顯示回油壓力高報(bào)警的現(xiàn)象綜合判斷，鍋爐回油壓力高是導(dǎo)致鍋爐無(wú)法啟動(dòng)的直接原因。

2.2.2 鍋爐無(wú)法啟動(dòng)原因分析

1）回油壓力高，觸發(fā)保護(hù)停機(jī)邏輯

從圖4 可以看出，手動(dòng)按下鍋爐啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，KM1.1 觸點(diǎn)閉合，風(fēng)壓開(kāi)關(guān)SP6 進(jìn)行風(fēng)壓檢測(cè)，建立待機(jī)汽壓；KA2 繼電器觸點(diǎn)閉合，緊接著油泵啟動(dòng)建立油路，此時(shí)回油壓力開(kāi)關(guān)SP3 已經(jīng)工作，但未參與保護(hù)功能；隨后準(zhǔn)備鍋爐點(diǎn)火，點(diǎn)火一瞬間KA11 繼電器觸點(diǎn)閉合，若回油壓力開(kāi)關(guān)達(dá)到動(dòng)作值，此時(shí)回路接通KA19 繼電器動(dòng)作，觸發(fā)繼電器KA1 故障報(bào)警，同時(shí)斷開(kāi)鍋爐啟動(dòng)回路，導(dǎo)致鍋爐停機(jī)。

該回油壓力開(kāi)關(guān)的主要功能為保護(hù)回油管線，防止回油管線壓力過(guò)高撐爆油管引發(fā)事故。由此可見(jiàn)，該壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作是回油壓力高觸發(fā)鍋爐保護(hù)停機(jī)的充分必要條件。導(dǎo)致該壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作的原因可能是：

圖3 鍋爐運(yùn)行電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of boiler operation

圖4 回油壓力高，觸發(fā)保護(hù)停機(jī)邏輯Fig.4 High return pressure triggers protection shutdown logic

① 壓力開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作或設(shè)定值漂移。

② 實(shí)際回油壓力增高。

2）回油壓力開(kāi)關(guān)性能檢查

現(xiàn)使用回油壓力開(kāi)關(guān)量程為0bar ～6bar，設(shè)定動(dòng)作值為5.5bar。使用壓力校驗(yàn)臺(tái)和精密壓力表對(duì)壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行校驗(yàn)，得出表2 數(shù)據(jù)。從校驗(yàn)記錄中明顯可以看出，該壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作定值發(fā)生漂移，調(diào)整設(shè)定值后依然不滿足要求，設(shè)備可靠性降低。最終選擇更換新的壓力開(kāi)關(guān)，并對(duì)新壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)后滿足要求。

表2 壓力開(kāi)關(guān)校驗(yàn)記錄表Table 2 Pressure switch calibration record table

回裝回油壓力開(kāi)關(guān)后，嘗試啟動(dòng)鍋爐失敗，故障現(xiàn)象沒(méi)有變化。因此，回油壓力開(kāi)關(guān)定值漂移是導(dǎo)致鍋爐無(wú)法啟動(dòng)的必要不充分條件。

3）回油壓力監(jiān)視試驗(yàn)

由于壓力開(kāi)關(guān)無(wú)法連續(xù)測(cè)量壓力，為了準(zhǔn)確監(jiān)視回油壓力在鍋爐啟動(dòng)、停止階段的變化情況，該試驗(yàn)選擇將原管線壓力開(kāi)關(guān)拆除，屏蔽回油壓力高信號(hào)，在原壓力開(kāi)關(guān)管線上重新配接頭，連接壓力變送器（量程0MPa ～2MPa），通過(guò)8841 快速記錄儀監(jiān)視壓力信號(hào)（1V ～5V 電壓）的變化。連續(xù)3 次啟動(dòng)鍋爐，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

連續(xù)三次啟動(dòng)鍋爐，除了第一次啟動(dòng)失敗，第二、三次均啟動(dòng)成功。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐第一次啟動(dòng)時(shí)，回油壓力有明顯地瞬時(shí)升高，最高壓力達(dá)到了7.49bar，超過(guò)了壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作值5.5bar，持續(xù)約4s 后，壓力恢復(fù)穩(wěn)定。結(jié)合鍋爐的啟動(dòng)時(shí)序分析，該壓力瞬時(shí)升高與油泵啟動(dòng)發(fā)生在同一時(shí)刻，可以判斷回油壓力瞬時(shí)升高是由于油路建立初期，管線中的燃油克服靜摩擦力流動(dòng)而導(dǎo)致的，當(dāng)燃油流動(dòng)起來(lái)后回油壓力恢復(fù)正常。燃油和管壁的摩擦力大小與燃油的粘度成反比，即燃油的粘度越大，對(duì)管壁摩擦力越大。而決定燃油粘度的則是燃油型號(hào)和溫度，同型號(hào)燃油，溫度越高，粘度越小。鍋爐啟動(dòng)時(shí)間是2019 年12月27 日，當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度僅有4℃，該鍋爐使用的是0#柴油[1]，雖然達(dá)不到凝結(jié)點(diǎn)，但其粘度會(huì)有明顯地增大，由于鍋爐長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，0#柴油長(zhǎng)時(shí)間管道靜置，大大增加了與管線附著、粘連的可能性[2]。

以上試驗(yàn)說(shuō)明，實(shí)際回油壓力增高是導(dǎo)致鍋爐無(wú)法啟動(dòng)的直接原因，而導(dǎo)致實(shí)際回油壓力增高并非回油管線堵塞，是由燃油的固有特性和環(huán)境溫度決定的。

表3 鍋爐啟、停時(shí)回油壓力變化曲線Table 3 Variation curve of oil return pressure when the boiler starts and stops

3 結(jié)論

本次鍋爐無(wú)法啟動(dòng)的根本原因是由于當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度低，導(dǎo)致0#柴油粘度過(guò)大，管線中的燃油為克服靜摩擦力流動(dòng)，最終導(dǎo)致回油壓力瞬時(shí)升高，超過(guò)回油壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作限值，觸發(fā)鍋爐停機(jī)保護(hù)邏輯。針對(duì)這一問(wèn)題可以通過(guò)以下方法解決：

1）增加回油壓力停爐延時(shí)邏輯，屏蔽瞬時(shí)的回油壓力增大信號(hào)。

2）重新選擇燃油型號(hào)，優(yōu)化燃燒控制程序。

3）增大回油管道直徑，降低回油壓力。