有机热载体锅炉安全运行的几个主要把控点

2018-01-30吴运良叶剑文

中国特种设备安全 2018年7期

吴运良刘威何涛叶剑文

(1.广州特种承压设备检测研究院广州 510063)

(2.广州市南沙区市场和质量监督管理局广州 511455)

由于有机热载体锅炉系统是采用高温循环泵将有机热载体与用热设备发生热量交换后返回锅炉重新加热的强制闭路循环系统，因此有机热载体在锅炉安全运行中担任着非常重要的角色；同时加上复杂多变的工艺系统，容易衍生各种各样问题，引起使用过程事故多发，轻则发生过热、氧化、管路积碳、结焦爆管等失效现象，重则引发火灾、爆炸等重大事故。

1 系统结构对锅炉安全的影响

1.1 循环泵的匹配问题

循环泵额定功率、流量、扬程应符合锅炉设计技术文件要求，同时运行时泵本身的性能曲线与管路特性曲线相交的工作点要满足锅炉的设计流量、扬程要求，以此保证锅炉在不低于最小限制流速下运行。若出现以下情况时，应重新对系统阻力和注油量进行计算校核，并校核循环泵及高、低位膨胀罐容积和高度能否满足锅炉的安全运行要求：

1）锅炉长期运行管道积碳形成系统阻力的增加，车间用热设备的增加，管路结构改变和长度增加，膨胀槽高度发生变化。

2）循环泵功率改小或因长期服役导致的泵体老化、功率下降、性能曲线下移、体积流量和扬程下降。

3）循环泵扬程高于锅炉额定压力。

1.2 锅炉并联运行问题

●1.2.1 锅炉并联运行且共用膨胀罐

当两台锅炉并联运行且共用膨胀罐时，因炉型不同使得锅炉本体管路阻力相差悬殊，而由此产生的扬程损失差值完全由锅炉循环泵的扬程来平衡。因此阻力大的锅炉中有机热载体流速慢，阻力小的流速快，从而使两台锅炉有机热载体产生严重偏流。锅炉并联时，一定要注意锅炉炉型、管路阻力不能相差悬殊，以免产生有机热载体偏流等异常状况，防止锅炉事故的发生[1]。

●1.2.2 锅炉并联运行不共用膨胀罐

当两台锅炉并联运行且不共用膨胀罐时，若两者油气分离器至循环泵之间的阻力不同，则两台锅炉膨胀罐产生的液位高度也不相同。如果两台锅炉膨胀罐的液位高低差较悬殊时，则会引起两个膨胀罐液相差过大，造成定压系统失衡，从而导致有机热载体超温，影响锅炉运行安全[1]。

1.3 流量（差压保护）保护值的整定问题

●1.3.1 低流量、低流速的影响

液相强制循环有机热载体锅炉运行时，应密切关注锅炉有机热载体循环流量、流速及压力等运行参数，防止出现有机热载体循环低流量、低流速以及锅炉超压或低压等异常状况。《锅规》11.2.5条规定设计时应当提供最小限制流速的计算结果（允许最小体积流量），但实际运行中由于车间用热设备的增加、循环泵性能下降，有机热载体循环流量会发生偏低，流速减慢的情况。若按原热功率运行，势必使锅炉供、回油温差增大，甚至出现有机热载体超温。

●1.3.2 差压控制

差压报警联锁装置是通过监测锅炉进出口压力差实现联锁控制的，其实为流量监测的一种形式，用以判断锅炉循环有机热载体的流动状况是否满足设定要求。差压表征导热油在锅炉内部管道流动的速度，压差大，流速快；压差小，流速慢。（ΔpL=lλρv/8Rs，其中：l——管道长度；λ——摩擦损失系数；Rs——管道的水力半径；ρ——导热油密度；v——导热油流速）；如果压差过大，管道可能堵了；压差过小，则导热油流速小，导热油流速太小会过热失效。锅炉调试时，调试人员应根据设计所需最小限制流速，按伯努利方程式计算进出口压力差，并以此压力差值进行设定。一般情况下，压差不应低于0.05MPa，不应高于0.25MPa。因此保持正常的压差是保证锅炉安全运行的第一要素。一般常见问题和原因有：

1) 进出口压力差过小：炉内管路有泄漏或炉管内有气体油导致有机热载体流动阻力减小，也可以是系统循环流量太低。

2) 进出口压力差过大：炉内管路可能有堵塞导致局部阻力增大。

●1.3.3 流量控制与差压控制比较

流量保护工作原理和功能与差压保护基本相同，都是反映炉内管路导热油流速状况；流量控制比差压控制更精准灵敏可靠，调试人员一般根据设计技术文件提供的低流量整定值进行设定，或可根据最小限制流速计算：v=Q/3600F，v——循环流速；Q——体积流量；F——流通截面积（F=1/4πd2n；d——受热面管流通直径；n——并联受热面管数量）。

1.4 膨胀罐高、低液位保护动作问题

●1.4.1 膨胀罐设置高度的要求

开式膨胀罐的位置不应设置过高，过高则将引起膨胀罐内液位过低和将致使系统内设备的压力升高，有可能超过锅炉、设备的额定压力，影响锅炉的运行安全；但也不应设置过低，如果最高用油点超过膨胀槽高度，有可能使最高点出现负压气化，过低则锅炉运行时将产生循环泵汽蚀或引起有机热载体溢出等问题。其安装高度的计算，还需考虑系统最高点，系统内承压元件的额定压力[1]。

●1.4.2 膨胀罐功能

膨胀罐用以调节和容纳系统中有机热载体从环境温度升高到最高工作温度时的膨胀量，在冷态情况下，膨胀罐内一般储存着系统总容量的20%以上的有机热载体，监检员在安装监检时必须验证膨胀罐调节容积是否符合锅炉及系统的安全使用要求，试验方法（有机热载体完成脱气和脱水工艺完成后）：

1）冷态试验，在整个锅炉及系统在环境温度下，检查膨胀罐是否出现低液位保护动作报警；

2）热态试验，在整个锅炉及系统升温到最高工作温度下，检查膨胀罐是否出现高液位保护动作报警。

在运行状态下发生高液位和低液位保护反复动作报警往往是事故发生的先兆，必须引起高度重视。使用单位必须及时查明报警产生的原因，不得随意复位运行，必要时委托第三方专业技术机构进行评估后才可继续投用，否则，条件进一步恶化将导致锅炉系统缺油或喷油着火等事故的发生。一般情况下，常见产生问题的原因有：

1）低液位保护动作报警，正常条件状态下，锅炉及系统存在泄漏风险的可能性较大。

2）高液位保护动作报警，正常条件状态下，系统用热设备热交换器渗入水的风险可能性较大。

3）高、低液位保护反复动作报警，表明膨胀罐与系统不匹配，膨胀罐已失去调节系统中有机热载体膨胀量的能力。

2 有机热载体允许使用温度

2.1 有机热载体的温度使用规定

《锅规》4.6.1、11.1.4、11.1.5、11.2.5对锅炉出厂资料及有机热载体最高工作温度、最高允许使用温度、最高允许液膜温度进行了如下规定：

1）出厂资料的要求：“产品出厂时，有机热载体锅炉应当提供液膜温度计算书或者计算结果汇总表[2]”。

2）对有机热载体最高工作温度要求：“有机热载体的最高工作温度不应当高于其自燃点温度，并且至少低于其最高允许使用温度10℃，燃煤锅炉或者炉膛辐射受热面平均热流密度大于0.05MW/m2的锅炉，有机热载体的最高工作温度应当低于其最高允许使用温度20℃[2]”。

3）对有机热载体最高允许液膜温度要求：“有机热载体的最高允许使用温度小于或者等于320℃时，其最高允许液膜温度应当不高于最高允许使用温度加20℃；有机热载体的最高允许使用温度高于320℃时，其最高允许液膜温度应当不高于最高允许使用温度加30℃[2]”。

4）对有机热载体计算最高液膜温度要求：“锅炉的计算最高液膜温度不应当超过所选用的有机热载体的最高允许液膜温度[2]”。

2.2 在用锅炉有机热载体使用现状

1）盲目选取有机热载体。部分使用单位都是选取最高允许使用温度低于或等于锅炉额定出口温度的有机热载体。

2）对有机热载体产品型式试验报告不清楚。型式试验报告存在由于有机热载体产品的氧化安定性检测结果不合格，注明仅限闭式系统使用，但使用单位却随意地用在开式系统中。

3）锅炉定期检验与有机热载体定期检验不关联。实际检验中，锅炉和有机热载体检验往往是两套检验人马，锅炉检验员基本只引用有机热载体定期检验报告的结论；而《锅炉水（介）质处理检验规则》附录C《在用有机热载体的检验报告》中，无有机热载体的最高允许使用温度这个项目的要求；因此锅炉检验员无法确认和引用该温度参数，而想当然地直接把锅炉额定出口温度作为检验结论允许使用温度参数，使锅炉检验结论存在不正确的可能。

3 案例

2015年广州某区某电子有限公司的有机热载体液相锅炉在系统高温运行状态下（循环泵运转），在更换锅炉出口压力表时，不慎在拆卸过程中发生喷油着火事故，锅炉房内3台锅炉全部烧毁，幸无人员伤亡，直接经济损失达1000万元人民币。

其使用情况：锅炉型号YYW-9000Y（Q），额定出口压力0.7MPa，额定出口温度320℃，开式系统运行，在2001年至2007年运行期间使用L-QB300矿物型有机热载体。2007年在车间增加用热设备时（系统改造未对系统阻力和注油量重新进行计算校核，换油前未对锅炉系统管路进行清洗），更换使用了L-QC320合成型有机热载体。

日常运行参数：锅炉运行时出口温度315～320℃，回油温度285～3 0 0℃，回油压力0.45MPa。

锅炉技术资料：1）有机热载体型式试验检测报告中最高允许使用温度为320℃；2）查液膜温度计算书得知：锅炉计算最高液膜温度为330.97℃；3）历次锅炉定期检验报告结论允许使用温度320℃。

原因分析：1）截止针阀因长期服役，关闭功能突然失效；2）高温带压更换压力表，违规操作；3）选温不正确。日常运行锅炉出口温度320℃，也就是有机热载体的最高工作温度达到320℃，应选最高允许使用温度不低于330℃的有机热载体；根据《锅规》11.1.4要求，有机热载体最高允许使用温度应选择为320℃+10℃=330℃；根据《锅规》11.1.5得知有机热载体最高允许液膜温度为330℃+30℃=360℃，锅炉技术资料提供的锅炉的计算最高液膜温度330.97℃，不超过所选用的有机热载体的最高允许液膜温度360℃，满足《锅规》11.2.5要求。故选取大于最高允许使用温度330℃的有机热载体，才能保证锅炉在其额定工况下安全运行；4）选型不正确。L-QC只适用闭式系统，锅炉定期检验未进行油品安全符合性的审查。

综上所述，L-QB300、L-QC320有机热载体在长期超温工况下运行，热稳定性、热氧化安定性、导热性、闪点、运动黏度、5%低沸物的馏出温度等物理和化学性质都不断地恶性循环，导致油品劣化，安全性能不断下降，一旦发生泄漏，必然容易引发火灾等安全事故。

事故直接原因：违规操作。由于违规带压更换压力表，压力表根部的截止针阀服役时间较长，关闭功能突然失效，有机热载体从截止针阀高温喷射而出着火，发生火灾事故。

事故间接原因：管理混乱，造成油品劣化。成因：1）有机热载体选型错误；2）选温错误；3）换油前无对系统管道进行清洗，矿物型油与合成型油混合使用造成污染，加速油品老化；4）车间用热设备的盲目增加，未办理相关手续，私自改变管路结构、增加长度；经核算，系统的循环泵功率、流量、扬程参数和高、低位膨胀罐容积都不能满足锅炉的安全使用要求。