袁道中
摘要本文从炉膛爆炸的原因，结合我厂快锅特点及运行事故类型，按爆炸强度的不同分类分析了炉膛爆炸的原因，并提出了在设计方面和技术改造的原则以及一些运行管理的建议。
关键词快锅炉膛爆炸分析对策
1概述我厂两台SZS35-4.0/375-Q型快锅作为国内首次研制的替代进口产品，无疑起到设备国产化的典范作用。对于锅炉汽水系统，哈锅厂以正确的选材、先进的制造工艺自然做得无可挑剔。但由于国家以往能源政策的因素，在天然气锅炉燃烧系统的研究、设计上确实存在一些不足。这也是我厂两台快锅曾发生炉膛爆炸的主导因素。同时，这种事故在兄弟厂中。特别是新建厂，成为一个十分担忧的问题。因此，解决炉膛爆炸是至为重要的。
2我厂快锅的特点我厂快锅于1991年制造，1992年投运，其本体采取典型的“D”型结构，露天安装，蒸发量为35t/h，设计天然气消耗为3009m3/h，主要为合成氨提供或补充4.0MPa、375℃的透平和工艺用汽。因受运输条件限制，其体积小，炉膛容积仅为33.49m3，炉膛截面热负荷达一般设计值的5~6倍。炉膛设计为微正压，膜式水冷壁，前墙布置燃烧器，后墙布置人孔和爆破膜式防爆门（因承受不住热辐射，原始开车后取消）。燃烧器为单只，十支气枪圆周均布，手动切向叶片式的旋直流配风。输气管道采用三级自力式调压，安全切断采用两只串联的气缸驱动“O”型阀。主风门为双蝶板式，角行程伺服电机驱动。设计燃烧运行方式由可编程调节器KMM实现全自动天然气一空气双交叉调节，另配有SCC操作站集中监控。可编程控制器（PLC）F1-40MR实现程控点火及联锁保护。火焰监督采用两只国产紫外线火焰检测器。点火小烧嘴为电打火，但不带火焰检测。
3炉膛爆炸的原因
3.1概述炉膛爆炸的基本原因是在炉膛容积（含风道、烟道）中，事先积聚的可燃混合物被点燃引起。而爆炸的必要条件有：1）在有限的容积中；2）可燃物与空气混合在爆炸范围；3）有足够能量的热源。以上条件同时达到，将发生迅速而无法控制的燃烧即爆炸，若缺任一条件将不会爆炸。若要求炉膛绝对安全时，则应考虑在除正常燃烧外的任何情况下，均保证至少两个条件不得成立。因为多数炉膛爆炸往往发生在认为缺乏一个基本条件，但因操作考虑不周或偶然因素，使这最后一个安全条件遭到破坏，导致事故发生。图1快锅燃烧系统原理图炉膛爆炸的强度决定于可燃物的相对数量以及着火瞬间可燃物与空气混合的份额。美国NFPA标准NO.85B-1971根据强度大小将炉膛爆炸分为炉膛扑火、轻微爆炸、严重爆炸几种。因为同一强度的炉膛爆炸发生的根本原因基本相同。而在我厂快锅中，炉膛扑火可以说存在于每一次点火中；轻微爆炸主要发生在每次供风中断；严重爆炸发生在跳车后的恢复点火时，向热炉膛灌天然气；或多次点火失败后炉膛吹扫不彻底；以及点火过程中小烧嘴未着火。
3.2炉膛扑火的原因3.2.1由于我厂快锅在点火过程中，风量为全关电动风门和旋、直流风门后的泄漏量，即最小风量，约6000~8000m3/h（占额定值的20%~50%）；点火天然气量被迫按其调整为350~400m3/h（占额定值的12%~14%）方能着火，因此点火天然气绝对量明显较大。
3.2.2当天然气安全切断阀开启前，其总管压力会逐渐上涨，严重时会上升一倍，导致点火天然气在进气瞬间增加约40%。另外由于双蝶板结构的电动风门泄漏太大，点火时调风器必须全关，而直流风门为切向叶片式，旋流风门为锥形圆盘式，故二者全关时，直流风泄漏量大大超过旋流风泄漏量，其二者配比严重不均匀，造成天然气在切断阀开启之后，着火滞后大，待到着火瞬间，天然气已至炉膛尾部，引起爆燃，炉膛压力瞬间会超过2kPa。
3.3轻微爆炸的原因发生轻微爆炸的根本原因是供风中断，即风机停运，但安全切断阀不能及时动作。因为：1）鼓风压力测点设计在总风门和调风器之间，导致测量值不仅仅与风量相关；鼓风压力低联锁值过小，仅为风机全压的3%，由此判定供风中断滞后太大；2）熄火保护不可靠，因为火焰检测器本身有滞后，而且常常失效；3）天然气安全切断阀动作迟缓，从全开状态至全关状态需15秒，在得到联锁停炉信号后，仍会有大量天然气进入炉膛。国外燃用天然气的经验强调：炉膛火焰熄灭到切断供气的允许时间1~5秒，而且容量大于10×106kcal/h的燃烧器仅允许1秒。我厂燃烧器容量为25×106kcal/h。
3.4严重爆炸的原因天然气管线的炉前布置不合理。点火前，在调整、确认点火天然气流量、压力时，必须开启安全切断阀向炉膛灌天然气才能实现。当然在冷炉膛启动时，若将吹扫风量开至最大，则理论上是安全的；但在锅炉跳车后由热炉膛启动时，只要操作人员忘记手动开大风量或忘记关小天然气流量调节阀，在向炉膛灌天然气就存在爆炸危险。其实即使开大风量吹扫，但可能配风不正确，局部区域达到爆炸范围。因为操作人员在匆忙处理完跳车后，急于恢复系统时是很容易发生操作错误。另外点火用的小烧嘴是否着火难以判断。因为我厂火焰监测器与气枪平行布置，加之点火小烧嘴本身热容量小，难以判定火焰。在无法对小烧嘴的火焰进行监督的情况下，若小烧嘴未着火，大烧嘴按时进气，电子打火器在继续打火，等到小能量的电子打火器把大烧嘴点燃时，炉膛已充满天然气了，其爆燃强度大大超过炉膛扑火的情况。
3.5其它原因从时间上看，炉膛爆炸发生在：1）锅炉试车阶段；2）开车后2~5年；3）频繁开停炉期间。
3.5.1锅炉试车阶段，操作员技术水平相对最低，另外，一些锅炉技术数据，特别是点火控制参数，尚待调试、标定，或尚未反馈给操作员，在此期间的点火需制造厂调节器试人员或厂内技术员在场指导。
3.5.2开车后2~5年内，已达到熟练期的操作员突然遇到少有的跳车，急于设法使快锅恢复，另外，点火系统长期未用，存在故障，使得频频点火不成功，发生忙而出错。所以在此期间，操作员及管理人员均应提高警惕，并做好设备维护工作。随着化肥装置运行的需要，2003年以后快锅作为备用，开停炉次数增加，特别应该注意。
3.5.3大多数炉膛爆炸的原因是人为的错误，但确确实实这些错误多是由下列原因引起。但在分析事故时，仍归之于操作人的因素，而忽视导致误操作的原因。比如：操作程序容易误解或错用；设备工作性能和控制特性不佳；工艺系统与控制系统的功能配合不佳。
4炉膛爆炸的对策为保证快锅炉膛的安全，针对以上分析，我们用了近十年时间，基本上完成了在天然气管路、阀门、风门、控制设备、检测仪表、点火程序、供电系统等等上面的所有技改。这些都成为了快锅连续九年安全运行无事故的有力保障。针对炉膛扑火的措施通过下列措施，天然气着火瞬间，炉膛压力仅为600Pa，为原来的1/3。
4.1.1炉膛扑火归根于风门的原因，因此。1998年我们将主风门的角行程伺服电机驱动改为活塞式气缸驱动，改进后风门调整方便，回差小，泄漏小，点火成功率高。天然气安全切断阀开启前，稳定总管压力。1）1995年我们更换了天然气总管的自力式调压阀。2）1999年又将天然气总管的自力式调压阀改为调节阀，增加调节器。3）操作规程修改：在启动首台炉时，在邻炉开启约800m3/h。4）2002年、2003年对两台天然气炉前管路改造后（参见图2），启动炉通过V2V5的放空量与点火用天然气量相等，实现了从放空到大烧嘴的平稳切换。天然气安全切断阀开启前后，总管压力和炉前压力均能稳定。
4.2针对轻微爆炸的措施缩短风压低联锁和熄火联锁的反应时间，提高安全切断阀的动作速度是防止炉膛在断风后爆炸的关键。
4.2.11995年鼓风压力测点改在风机出口、总风门前，风机运行正常时鼓风压力指示稳定；并将鼓风压力低联锁值提高到风机全压的30%，由此判定供风中断反应快；
4.2.22000年将火焰检测器冷却用的工厂空气改为压力稳定、湿度小的仪表空气，因为火焰检测器可靠性有所提高；
4.2.32002年更换了天然气安全切断阀。该阀从全开状态至全关状态需5秒，只有原有关断时间的1/3。
4.2.41993年在风机电机控制电源改用UPS供电，减少风机电机在晃电等情况下的不必要的跳车。4.3针对严重爆炸的措施
4.3.1将燃烧系统的炉前管线设计合理，修改为正确的点火程序，充分发挥程控优势，减少人工操作及带来的失误是基本可以消除此类事故。在2002、2003年分别对快锅B炉、A炉燃气系统炉前管道进行了技改。主要是将最后一只安全切断阀(V6)和放空阀(V2)整体移到流量调节阀(FV104/204)之后，同时修改为与之相应的点火程序。改进后在点炉前调试大烧嘴流量和压力时，不必再向炉膛灌入天然气。
4.3.2由于一般的火焰检测器难以对小烧嘴进行判定，我们采用了：小烧嘴无论着火与否，在天然气安全切断阀打开5秒后停止电子打火，以解决小烧嘴不着火带来危险。
5结束语为防止炉膛爆炸、保证快锅炉膛的安全，我们用了近十年时间，基本上完成了快锅在天然气管路、阀门、风门、控制设备、检测仪表、点火程序、供电系统等等上面所述的技改。从1993年发生两次炉膛爆炸以来，通过不断的进行技改技革、优化操作，并加强运行组织，减少不必要的开停炉，实现了快锅连续十四年安全运行无事故。
参考文献
东方锅炉厂编天然气锅炉，科学技术文献花出版社重庆分社1997
美国石油学会，炼油厂仪表及调节系统安装手册/四分册蒸汽锅炉，石油工业出版社1982