全自動蒸汽鍋爐假水位特性研究

馬 吉，楊宇軍，虞惠豐

（紹興市特種設(shè)備檢測院，浙江紹興 312071）

0 引言

近年來，隨著燃煤鍋爐的逐步淘汰，大量中小型的全自動燃氣（油）蒸汽鍋爐投入使用。與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，由于采用了水位控制系統(tǒng)和蒸汽壓力控制系統(tǒng)，全自動蒸汽鍋爐自動化程度高、操作簡單，安全系數(shù)較高。但是由于使用管理等方面的原因，中小型全自動蒸汽鍋爐的安全狀況不容樂觀，特別是鍋爐缺水事故屢有發(fā)生且占比較高，缺水事故也是危害性最大的鍋爐事故。對某起臥式全自動燃氣鍋爐缺水事故進行分析后認為，事故直接原因是鍋爐形成了假水位，導致水位示控裝置及低水位聯(lián)鎖保護裝置失效。因此，應對此類鍋爐的假水位特性進行研究，以避免事故發(fā)生。

1 水位控制工作原理

與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，全自動蒸汽鍋爐在水位表與鍋筒之間增設(shè)了一套水位示控裝置，用于自動控制鍋爐水位（圖1）。由于與水位表共用水連管和汽聯(lián)管，正常工作狀態(tài)下水位示控裝置內(nèi)的水位與水位表及鍋筒內(nèi)的水位保持一致。目前，在中小型的全自動蒸汽鍋爐中，國內(nèi)最常用的水位示控裝置為三極棒水位示控系統(tǒng)，主要由水位電極筒、停泵水位探針、啟泵水位探針和極低水位探針組成（圖2）：啟泵探針和停泵探針實現(xiàn)水泵的啟停，起到鍋爐正常進水的功能；極低水位探針則實現(xiàn)鍋爐最低水位的探測功能，當水位低于探針時控制燃燒器熄火，這樣就能有效避免鍋爐缺水問題。

圖1 水位示控裝置

圖2 水位示控裝置結(jié)構(gòu)

2 假水位形成及危害

鍋爐水位表及電極筒水位利用連通器的原理，間接采集鍋筒水位。有可能因水連管上水旋塞意外關(guān)閉，或水位表及電極筒沖洗不到位導致內(nèi)部堆積污泥、水垢等情況，進而引起水連管堵塞（圖3），導致連通器中斷，鍋筒水位與水位表、電極筒水位不一致，即形成假水位。假水位形成后，電極筒和水位表中一直顯示有水且水位保持不動，此時探針探測到的水位為假水位信號，燃燒器持續(xù)燃燒，鍋筒水位不斷下降。而此時啟泵探針和極低水位探針無法探測到真實水位，水泵無法啟動，水位示控裝置及低水位聯(lián)鎖保護裝置失效，進而導致鍋爐缺水，輕者導致鍋爐干燒，鍋爐鋼板嚴重變形導致鍋爐報廢。如果在缺水后盲目進水，爐水瞬間汽化導致鍋爐內(nèi)壓急速上升，甚至會造成鍋爐爆炸事故。

圖3 水連管水垢堵塞

3 假水位工況特性

為充分了解蒸汽鍋爐假水位工況下的特性表征，通過實驗方法，人為關(guān)閉水旋塞模擬假水位工況，與正常工況進行對比研究，發(fā)現(xiàn)以下特征：

（1）水位表水位停滯不動。正常燃燒工況下，隨著鍋筒內(nèi)爐水不斷汽化，氣流湍動引起水面波動，仔細觀察水位表中的水位也在輕微上下波動。而在假水位工況下，由于水通道不暢通，鍋筒內(nèi)水位波動無法傳遞到水位表，導致水位表水位停滯不動。

（2）水位表沖洗異常。按照鍋爐安全操作的要求，水位表應至少每班沖洗一次，沖洗過程包括沖洗水連管、汽連管和玻璃管。由于水通道不暢，在沖洗水位表的過程中只能通過汽連管排出蒸汽而無法排出水。沖洗完畢后，未見水位表中水位上升，而正常工況下沖洗完畢閥門復位后水位應迅速上升。

（3）水位表中水溫不斷下降。在假水位工況下，電極筒以及水位表與鍋筒之間的通道被切斷，導致電極筒和水位表中的水與爐水之間的熱交換大大減弱，水溫會逐漸下降。某臺型號為WNS2-1.0-Y（Q）的蒸汽鍋爐，在其電極筒的下端裝設(shè)一個測溫點進行實驗研究（圖4）。實驗過程中，鍋爐房環(huán)境溫度35℃，當達到額定壓力時，測溫點顯示溫度為120℃。此時關(guān)閉燃燒器和蒸汽出口閥門，關(guān)閉水旋塞模擬假水位工況，隨著時間推移，電極筒內(nèi)水溫不斷下降，關(guān)閉20 min后監(jiān)測點顯示溫度為95℃、下降25℃，之后溫度下降緩慢，到90℃后趨于平穩(wěn)。而當水旋塞恢復開啟狀態(tài)后，監(jiān)測點的水溫又開始上升，5 min后升到120℃。由此可見，在假水位工況下，水位表及電極筒的水溫較正常工況下有大幅下降，下降值與鍋爐運行參數(shù)及水位表結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖4 電極筒水溫測

（4）水泵工作異常。在正常工況下，隨著蒸汽的輸出，鍋筒內(nèi)水位降低，當水位到達啟泵探針下端位置時，水泵開始運行打水，當水位升至停泵探針下端時，水泵停止運行，以此反復。而在假水位工況下，由于電極筒內(nèi)水位保持不動，即使鍋筒缺水，水泵也無法正常啟動。

（5）蒸汽溫度異常升高。TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，鍋殼鍋爐的最低安全水位，應當高于最高火界100 mm；鍋殼內(nèi)徑不大于1500 mm的臥式鍋殼鍋爐，最低安全水位應當高于最高火界75 mm。因此，在正常工況下鍋爐受熱面與水接觸進行熱交換，產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽溫度跟蒸汽壓力對應。當鍋爐缺水時，鍋爐內(nèi)水位不斷下降，導致部分受熱面與蒸汽接觸進行熱交換，飽和蒸汽轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽，溫度升高，鍋爐內(nèi)缺水越嚴重則過熱蒸汽溫度越高。

（6）鍋爐產(chǎn)汽量減少。在假水位工況下，水泵無法探測到鍋爐內(nèi)水位，進水停止。而鍋爐在燃燒狀態(tài)下，鍋筒內(nèi)的爐水會不斷汽化，導致爐水越來越少，水與鍋爐受熱面的接觸面積也不斷減少，熱交換量減少，因此單位時間內(nèi)的產(chǎn)汽量也會逐漸下降。

4 結(jié)束語

通過對全自動蒸汽鍋爐的假水位工況進行模擬研究，詳細了解假水位工況下的一些異常特性，為避免缺水事故的發(fā)生，有必要在鍋爐使用管理及操作規(guī)范中作針對性的要求。

（1）建立定期巡查制度。目前，特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范中，對于B級及以下全自動鍋爐未要求設(shè)跟班作業(yè)人員，但必須建立定期巡回檢查制度。巡回間隔不大于2 h，并應特別注意觀察水位表中水位的波動情況。

（2）按時沖洗水位表。至少每班沖洗一次水位表，沖洗過程中注意觀察出水情況，沖洗結(jié)束后所有閥門應確保復位，并注意觀察水位是否立刻復位。

（3）加強溫度監(jiān)控?？梢詫﹄姌O筒水溫或蒸汽溫度進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)水溫異常降低或蒸汽溫度異常升高則應停止鍋爐運行。

（4）加強相關(guān)人員培訓。應該對鍋爐作業(yè)人員及鍋爐使用相關(guān)人員（如用汽設(shè)備的操作人員）加強培訓，學習鍋爐安全運行的相關(guān)知識，培養(yǎng)其安全意識和敏銳感，此外平時還應注意觀察產(chǎn)汽量減少、水泵長時間停止運行等異常工況，發(fā)現(xiàn)問題及時報告。

（5）異常狀況正確處置。發(fā)現(xiàn)鍋爐假水位水后應立刻停止鍋爐運行，待查明原因并消除故障后方可恢復運行，切忌盲目進水。