氢气锅炉的特点与安全运行经验

左攀华

（沧州中铁装备制造材料有限公司工程部)

压力容器

氢气锅炉的特点与安全运行经验

左攀华*

（沧州中铁装备制造材料有限公司工程部)

氢气锅炉虽然是燃气锅炉，但与普通的煤气或天然气锅炉相比有更高的安全性要求。以天津LG渤海化学公司离子膜烧碱装置2台45 t/h氢气锅炉为例，介绍氢气锅炉的结构、自动控制的特点和安全操作经验。

氢气锅炉 结构 自动控制 燃烧器 安全运行 经验 BMS MFT

Abstract:Hydrogen boiler is a gas boiler,but compared with ordinary coalgas or natural gas boilers it requires much higher security.It taken the case of2 setsof45 t/hrhydrogen boilerof ionicmembrane caustic soda unit in Tianjin LG BohaiChemical Co.,Ltd.,reviewed the characteristics of some structure,automatic controland safe operational experience.

Key words:Hydrogen boiler；Structure； Automatic control； Burner； Safe operation;Experience； BMS； MFT

0 前言

现今我国氯碱生产中的大量的氢气，除了与氯气反应生成盐酸用去很少一部分外，大部分氢气被排放至大气中，极为清洁的能源就这样被白白浪费掉，非常令人可惜。据统计，各类工业副产氢可回收总量每年可达15亿m3。由于氢气的爆炸极限比较宽 （4.1%～74.2%）， 燃烧值为 143 000 kJ/kg，是汽油燃烧热的3倍，大于任何其他燃气 （见表1），因此以氢气作燃料的锅炉，无论是在锅炉本体结构、燃烧系统、自动控制上，还是在安装、运行、操作上，与普通燃气锅炉相比都有更高的要求。

表1 各种锅炉用燃料燃烧值对比

天津LG渤海化学公司离子膜烧碱装置2台45 t/h氢气锅炉 （正常工作时一开一备），使用氯碱装置 （CA）生产的高纯氢气 （99.8%）和市政天然气作为燃料。天然气不仅可作为锅炉的点火燃料，而且也可作为氯碱生产装置正常生产之前锅炉的唯一燃料和正常生产后应急时的辅助燃料，而氢气则必须在天然气点火完成后或天然气作为主燃料正常运行后才能投用。

上述2台氢气锅炉自2006年11月26日投产运行以来，操作方便，安全稳定，受到业内人士一致好评。由于其自动化程度较高，所以室外只需一个司炉工就可以同时照料2台用氢气作辅助燃料的氯乙烯 （VCM）装置尾气焚烧炉和2台氢气锅炉等设备。

锅炉正常操作参数：蒸汽操作压力为2.25 MPa，操作温度为250～275℃。

1 结构与工艺特点

采用普通燃气的锅炉结构简单，锅炉本体长10m，宽10m，高度5.5m，含有上下两个纵置汽包，上下汽包间有胀接对流管束，对流管束对面与两侧受热面采用膜式水冷壁共同围成燃烧室 （见图1和图2）。燃烧室呈立方体形状，底部筑有一层5 cm厚耐火高温浇注料，燃烧器四周也有一层环状浇注料，以保护膜式受热面承受燃烧器高温侵蚀。

图1 锅炉结构

图2 锅炉燃烧系统

由于锅炉本体由对流和辐射两部分组成，炉膛空间大，燃烧充分，炉膛内的简单结构可确保没有残余氢气滞留。

2 燃烧器特点

进入燃烧器的管路有氮气、氢气、天然气、点火用天然气四条管路，皆用柔性软管与器内正中间的总进气管路相连。由鼓风机送入的空气通过环状分配管和汽轮机叶片状导向叶片被均匀地呈螺旋状进入炉膛并与燃料气均匀混合。点火燃料从燃烧器中心进入炉膛内部，而电子脉冲点火枪离燃烧器中心有一段距离，靠近燃料分配管边缘。点火燃烧的火焰由紫外线探测仪负责检测，点火火焰随鼓风机送入的空气呈螺旋状分布于进气管路附近，就像狐狸的尾巴在摆动。另一火焰检测器距离燃烧器中心较远，负责检测主火焰。2个紫外线探测仪方向性很强，必须保证探测方向正对点火火焰，否则就会由于检测不到火焰而发生停止点火过程的情况，即使用肉眼已经观察到火焰也无济于事，因为锅炉的BMS（burnermaster system）是否继续进行下去完全依赖于仪表监测结果或监测数据。

两个主火焰监测器与点火火焰检测器在点火过程的监测数据体现在BMS控制柜上就是0～100%的数值。正常情况下点火检测器只测量点火火焰。主燃料燃烧后两个检测数值同时为100%，表明点火过程成功。实际工作中，经常发生因两监测器引线接反、探测器未对准、波长调整偏差等情况而出现的点火困难，此时会出现监测器指针剧烈波动的现象，如果不能得到稳定将导致点火失败。由于上述情况曾多次出现，必须引起足够重视。

3 气体管路的特点

每条气体管路都有压力自动减压阀和流量自动调节阀控制流量和压力。流量控制阀前后有2个切断阀，可保证燃气不内漏进入锅炉中。每条管线上有一自动对空排气阀及相应管道，可将2切断阀间无用燃料气体在停炉时排至大气中。压力调节阀前后各设置压力开关仪表一块，如果压力低于或高于设定值就会自动停止点火过程，运行的锅炉也会立即停止运行。现场仪表显示压力与流量调节阀前后压力和温度的参数变化，以便进行现场校对自动控制仪表参数的准确性，同时设置远传温度仪表把温度信号传送至DCS与BMS，以便结合远传压力信号对燃气流量进行修正。

天然气和氢气管路对空排气阀和切断阀属于开关阀，由电磁执行器控制。流量调节阀由气动调节器控制，其开关情况显示在DCS显示器上，作为管路系统是否正常和锅炉是否可以启炉的条件。

氢气从CA装置经过压缩机压缩后压力升至0.6MPa，随后进入DN 600管路扩容降温，然后进入氢气缓冲罐。由于再次扩容的原因，氢气的水分会进一步凝结成水，因此缓冲罐底部设置气动排水阀，可以不定期排除凝结水，同时由于缓冲罐的特殊内部结构使之兼有阻火器的功能。

鼓风机进口设置自定调节挡板阀和炉前风量自动调节挡板阀各一个，用于调节进炉膛风量。空气流量计设置于两个风挡板阀之间，有温度和压力远传信号对空气流量自动修正。自定调节挡板阀由80%和5%两个限位开关。尾气烟道设置排气自动挡板阀与手动挡板阀各一个，烟气炉膛出口设置温度开关以保护烟气温度不超过温度设定值，同时设置氧量在线仪表用以监测尾气中的氧气含量。

4 控制系统特点和MFT（master fueltrip）条件

氢气锅炉采用BMS系统控制柜现场启动以及正常或紧急情况下停止操作，同时DCS控制室进行正常的燃烧调整与日常运行时的蒸汽参数的监控。氮气、空气、燃气与尾气的温度、压力以及阀门开关度等情况都可以在现场仪表与DCS显示屏上显示出来。尾气烟道中的氧气含量 （正常工作时约为2.5%～8.2%）可通过氧气分析仪得到，且数据可以从BMS盘与DCS显示器中显示出来，燃烧情况是否经济以及点火前炉膛内部可燃气含量是否被置换干净等情况都可从这些数据中得出。

BMS逻辑系统是燃烧器点火过程程序控制的核心，锅炉众多的压力、温度、限位、液位等的开关都会通过这个系统对锅炉进行保护。启动点火之前必须使BMS系统的MFT复位，以满足锅炉点火启动的安全条件。BMS控制柜点火过程状态灯、报警灯与操作按钮布置情况见图3和图4。

图3 BMS控制柜点火过程状态灯与报警灯

图4 控制柜点火按钮设置

MFT条件是避免锅炉有可能发生事故而设立的安全条件，即任何一个条件的发生都意味着锅炉存在着安全事故的隐患。一旦发生紧急停炉的情况，或者出现启炉前MFT键无法复位的情况，就必须结合BMS控制盘上的报警灯显示查明原因并将问题解决，否则不应该作启动点火安排，现场的BMS系统控制柜MFT键也将无法复位，也就是说，锅炉的点火条件尚没有准备好，影响锅炉安全运行的隐患尚存在。这些条件包括∶

（1）未出现紧急停车情况；

（2）未出现炉膛压力高高报情况；

（3）未出现排烟温度高高报情况；

（4）未出现汽包液位低低报情况；

（5）未出现点火燃料(天然气)压力低低报情况；

（6）未出现汽包压力高高报情况；

（7）未出现氮气压力低低报情况；

（8）未出现氢气压力低报或低低报情况；

（9）未出现风机运行情况下空气压力低报情况；

（10）未出现点火燃烧失败确认情况；

（11）未出现锅炉烟道调节阀非正常关闭情况；

（12）没有出现鼓风机跳闸停机情况。

5 点火过程

氢气锅炉点火过程是程序逻辑控制(PLC)的，当风机启动后MFT键已经复位，表明锅炉的点火已经具备安全条件，所以这时可选择燃料 （H2或H2+CH4或CH4三种）和选择自动 （或手动）点火方式进行点火。氢气锅炉点火过程流程参见图5。

下面以现场BMS控制柜手动点火过程为例介绍氢气锅炉点火过程的特点。

图5 氢气锅炉点火过程

首先按下大风吹扫按钮进行大风吹扫5m in，直至内部的可能的可燃物全部被吹除干净，此时氧气含量最后稳定为20% （大气中的氧气含量值）。大风吹扫完成后风挡板开度由80%变为5%，同时主天然气流量调节阀开度为10%（在此过程中烟道自动排放阀与鼓风机进口调节阀开关度也受BMS程序控制，风量做相应调整配合燃烧，不可以手动调节），BMS盘此时会提示你是否进行点火，如果你按下点火按钮，点火枪就在2 s后不断打火10 s，期间点火燃料管路对空排气阀关闭，同时2个切断阀开启，阀门开关情况会由控制柜上的灯光显示出来。如果点火火焰被点火火焰检测器检测到，表明点火成功，控制柜提示你是否投入主燃料。如果按下主火焰点火按钮，主燃料的对空排气阀关闭，同时2个切断阀开启，当主火焰检测器检测到火焰30 s之后点火管路切断阀关闭，对空排气阀开启，而如果主火焰检测器没有检测到火焰，则自动终止点火过程，随后二次大风吹扫立即开始，吹扫时风挡板开度为80%，直至把炉膛中的可燃气吹扫出锅炉炉膛、烟道和风道。操作人员必须先检查分析出是由于火焰检测器原因，还是由于气体管路未正常送气或别的原因并彻底解决问题，然后才可以再次启动点火过程。正常投入主燃料气30 s后，就可以由DCS操作员增加燃料投入。

采用自动点火方式，其步骤与手动点火过程相同的是，首先根据控制盘上的报警灯显示情况处置完故障解除报警，随后按下MFT复位键；与手动点火过程不同的是，现场操作人员只需选择自动点火档位，按下主火焰点火按钮，BMS控制柜将自动执行点火过程。如果点火不成功也将立即进行二次吹扫。此后室内操作人员必须按下点火终止确认按钮，此时所有送风、排烟、燃料气、氮气阀门都将回到初始设置状态，室内操作人员应要求室外操作人员对未正常启闭的阀门进行必须的现场核查，待查明原因、解决问题后再做再次点火安排。

点火过程中必须观察了解各个阀门的开关度是否正常，遇到非正常情况可以断然采取停止点火过程 （STOP）或按下紧急停止按钮(ESD)以免发生意外事故。现场操作人员应详细记录下点火过程中发生的各种异常细节，随时与室内操作员沟通，以便为日后研究解决所发生的各种问题提供第一手资料。例如大风吹扫过程中风阀限位开关未能触发80%或5%开度，控制柜将不会进行进一步点火操作，点火过程也一定不会成功，而这个过程只有现场操作人员才可能最先发现并帮助解决问题。

6 氢气锅炉点火过程中的常见问题

（1）点火之前仔细检查现场MFT条件是否能够复位。由于锅炉的自动控制系统较复杂，满足点火的条件比较多，必须逐个检查直至每个条件都得到满足才可以准备启炉点火。实际工作中经常会遇到某个仪表的信号不满足条件的情况并造成无法启炉。如果确信信号异常是由于仪表自身的故障引起的，可以暂时通过仪表信号 “短接”的办法来促使完成正常启炉。例如我们曾经遇到鼓风机出口流量信号源管道断开致使MFT无法复位的情况，于是就曾采用这种办法启炉的，但为了安全起见这种不正规的情况要尽量避免。

（2）测量仪表是否正常工作是锅炉是否正常运行的极为关键的因素。据统计，由于仪表原因造成这两台氢气锅炉的停炉事故约占锅炉非正常停炉的90%。

（3）各燃料与氮气空气管道系统清洁度与严密性应满足要求。 首次启炉前锅炉的燃料管路，如氢气管道、天然气管道与氮气管道，必须按照相关要求进行彻底的试压、吹扫与严密性实验，以确保管道内部的彻底清洁。这样，一方面保证了可燃性氢气与天然气不发生泄漏，另一方面也保证了阀门在使用过程中的严密性和正常的压力与流量调节。压力、温度和流量的仪表导管等也要做好试压吹扫工作，保证工作状态下的介质测量数据准确、真实、有效，否则点火过程中的故障不便查明，由此产生的故障停炉也会非常多。

（4）管道系统的阀门开关情况等不仅要在启炉前仔细检查，在设备运行中也要定期校对检验，否则无法在非正常停炉时发现故障产生的原因和迅速排除故障，不利于锅炉的稳定运行。

（5）锅炉附件是否工作正常，尤其是液位等是否正常显示。由于现有氢气锅炉都要求安置在室外，所以仪表的正常工作需要一定的温度条件。尤其是在冬季，为了保证仪表的正常工作，必须保证蒸汽伴热系统内部清洁，否则会经常出现由于疏水阀不正常工作而出现的伴热系统冻结的情况。这种情况下一些仪表部件如液位计液位开关与汽包压力导管就会无法正常显示，运行中的锅炉会由于联锁而停炉，启炉过程也将无法顺利进行。

（6）装置产生的氢气虽然纯度较高但是含有一定的水分，当管道中的氢气温度下降时，这些水分势必会凝结成水，因此必须保证所设计的管道系统不存在袋型，否则就会由于水的存在而造成能源的浪费(水在炉内受热会吸收热量)，而且还可能出现点火困难甚至无法点燃的情况。总之，必须保证氢气管道中的积水顺利排出。

（7）天然气管路中的自动减压阀是自力型的，其工作正常与否与环境温度有关，也与天然气中的水含量有关。发生调节困难的情况往往是环境温度过低造成的，可用改变环境温度的办法使之正常。

（8）氢气泄漏容易发生摩擦燃烧，且由于火焰的颜色非常浅，发现困难，所以必须在氢气管道阀门附近安装氢气泄漏报警仪。

7 氢气锅炉安全运行经验总结

（1）PLC程序必须经过反复论证，不能有逻辑上的缺陷甚至错误，否则发生的危险也许是致命的。例如，如果发生紧急停炉情况时，按照操作规程DCS操作员必须在操作站 （CRT）上对整个操作过程进行完全停止确认 （按下确认按钮），使主燃料气管路的各种阀门除对空排气阀外全部切断阀与流量调节阀都关闭。但是如果蒸汽骤停，整个生产装置处于不停地频繁调整时，操作员由于疏忽没有这样做怎么办？程序设置必须充分考虑到这种情况有可能发生，因而必须设计保险的技术措施，否则再次启炉时主燃气管道的阀门依然处于高负荷开启状态，就可能在点火成功后投入主燃料时大量燃气突然进入炉膛而导致炉膛爆炸。

因此在设备的安全运行已经越来越依赖于仪表自动化控制过程的今天，必须缜密设计，完善PLC逻辑可靠性，充分考虑到各种复杂的情况，杜绝因程序设计缺陷而造成的事故。

（2）由于自动控制与监测仪表完好性是氢气锅炉安全运行的关键因素，所以锅炉操作人员必须学习和掌握有关自动控制方面的知识，这不仅对迅速解决锅炉故障非常有必要，而且是锅炉的安全与稳定不可缺少的条件。氢气锅炉虽然结构简洁、操作方便，但是对操作人员的综合素质要求较高，相关的机械管道知识与控制仪表知识都必不可少。

（3）从安装阶段就让锅炉管理及操作人员了解氢气锅炉的结构与操作特点，这对于它的安全运行非常重要。例如锅炉本体结构特点，管路系统清洁度，自动减压阀特点，氢气管路含水量等，了解和掌握这些知识，可为迅速地全面判断和解决问题提供理论基础。

（4）由于影响锅炉正常启炉的因素较多，发生停炉故障后再次点火成功所需时间较长，每次约10m in，不能人为缩减，所以启炉前或发生故障停炉后不仅要迅速全面检查每个MFT报警条件直至确信报警解除，使MFT能够顺利复位，而且要检查火焰检测器等仪表部件是否状态良好，否则点火过程就会被BMS系统再次终止。如果真的发生这种情况，不仅会造成全厂的蒸汽系统压力波动，而且可能带来全厂生产装置稳定困难。

8结束语

在现阶段我国使用氢气作为燃料的锅炉虽然应用较少，但是我们通过实际接触发现：熟悉它的特点，摸清它的规律并非难题。有理由相信，随着我们对氢气锅炉的不断研究探索，将会有越来越多的、安全稳定的燃氢锅炉出现在有富余氢气的各行各业中。这不仅可以为节约石油煤炭等化石燃料创造良好的途径，而且由于氢气与氧气唯一的反应产物是水，所以会大大降低对大气的污染物排放量，为我国环境保护做出贡献。

[1]建设部城镇燃气标准技术归口单位，等.城镇燃气及燃气器具标准汇编 [M].第3版.北京：中国标准出版社，2006.

[2]徐至均.管道工程设计与施工手册 [M].北京：中国石化出版社，2004.

The Characteristics and Safe Operation Experience of the Hydrogen Boiler

Zuo Panhua

TQ 054

2010-12-13）

*左攀华，男，1970年2月生，工程师。沧州市，061113。