由一起事故分析6kV固体式电蓄热锅炉故障与处理

鲁 锋

（宝钛集团有限公司动力公司，陕西宝鸡 721014）

0 引言

公司新建生产余热利用再回收采暖项目中，采用了固体式电蓄热锅炉（2000 kW，6 kV），当系统空调机组出口水温达不到采暖需求时，以提升供暖管道出口温度的方式为生产区厂房实现供暖。在实际使用过程中，该电蓄热锅炉暴露出的一些问题日益显现，不仅影响到了供暖系统的可靠运行，还影响到了厂区供电电网质量，甚至威胁了岗位值班人员的安全。基于此，重点分析电蓄热锅炉发生这起故障的现象及原因，并提出了改善措施。

1 电蓄热锅炉工作原理

固体式蓄热电锅炉系统主要包括电源柜、控制柜、蓄热体、换热体和变频风机等，该系统采用6 kV 高压直接供电的方式，其工作原理分为2 个阶段:①热量存储阶段，利用夜间低谷时段的廉价电能，通过快速加热穿插在蓄热体耐火砖孔道中的电热丝，迅速将电能转化为高温热能储存在设备的蓄热体中；②热量释放阶段，当系统管网出口温度下降时，通过开启换热风机，使炉膛内空气流动通过蓄热体，将蓄热体中的热量换出，成为高温的热空气，高温热空气经过热管式换热器交换热量后提升管道出口水温，从而达到提升出口水温实现用户供暖需求。其结构及原理如图1 所示。

图1 固体式蓄热电锅炉系统

2 电蓄热锅炉事故经过

在2019 年采暖季节某日凌晨4 点左右，公司调度室接到变电所电话，6 kV 系统Ⅰ段母线报系统单相接地故障，三相电压其中一相升高另外两相降低，电压波动；同时，公司余热站值班人员发现电蓄热锅炉低压控制柜着火，后台上位机记录炉温为500 ℃，未达到设定值600 ℃。随即，变电所立刻分断余热站19#进线电源开关。

3 原因分析

炉体内炉丝分为上层和下层，每层炉丝分别为星型接法，炉膛温度探测热电偶正好处于上层C 相正下方，炉体内每块固体蓄热砖之间留有2 mm 左右的间隙用作蓄热砖热涨冷缩。待炉体温度降低至环境温度后，技术人员通过测量各相炉丝间阻值并进入炉膛内检查后，确认事故原因为电蓄热锅炉上层C 相电炉丝熔断后，金属溶液滴落在炉膛内的测温热电偶上，导致6 kV 电源直接引入低压控制柜击穿二次温控仪表，短路后控制柜发生着火。检查情况如图2、图3 所示。

图2 炉丝

图3 热电偶

此类高电压型的电蓄热锅炉与常见的380 V 电加热炉有着本质区别，当炉丝熔断后会在断点处产生强弧光放电现象，弧光放电区域范围很大，会产生1 m 高的电离火苗，弧光区域的温度非常高。但是炉体本身不具备自动灭弧的功能，几千摄氏度的弧光会融化周边一切结构，破坏炉体本身，更多的炉丝熔液进入炉膛内会引发更大规模的短路现象，如果不及时切断电源，炉丝可能会熔融至炉体进线端，从而对供电电网产生更大的不利影响。从图2、图3 可以看出，炉丝和热电偶受损位置也不是一个点，会一直破坏至安全距离以外放电现象才会结束。这次事故点处于炉丝星接点约1 m 处，距离电源端较远，假如运行后期再次发生炉丝熔断时，断点位置难以确定，造成的后果难以预料。

综合考虑及对事故分析不难得出，电蓄热锅炉炉丝发生熔断的现象为大概率事件，也是电蓄热锅炉常见的故障。这种采用热电偶在6 kV 电蓄热锅炉炉膛内直接测温的方式存在严重的设计缺陷，虽然在热电偶外穿有陶瓷保护套管，但炉丝（材质为镍铬合金）熔断后的金属溶液温度达1350 ℃左右，其滴落在陶瓷管上也会造成陶瓷管破裂，导致高电压引入低压控制柜，会造成设备的损坏甚至威胁到人身安全，此种后果是极为可怕的。事后这点也得以验证，对热电偶保护陶瓷管进行了交流耐压和模拟炉丝熔断的测试，其耐压值可到4 倍的工作电压（24 kV）是满足要求的。但是在测试其耐高温性能时，不管是在热态还是冷态，用熔融的金属铜熔液滴落在陶瓷管上时，均会导致陶瓷管的破裂。通过以上可以得出，这种测温方式存在巨大的安全隐患，是不可取的。

4 改造方案

如何避免这种潜在的事故再次发生，成为再次投运电蓄热锅炉前的首要重点工作。因炉体内蓄热砖的测温点已经固定，改变其测点位置的工作难度较大，经分析考虑，此次改造主要从以下2 个方面进行:如何避免电蓄热锅炉发生故障时对厂区供电电网的影响，如何避免将高电压引入低压控制系统造成安全事故的发生。

4.1 电源保护系统改进

针对电蓄热锅炉炉丝出现单相接地故障对供电电网造成的影响，在原有保护测控装置PSL641UX 中增加了零序过电流保护，当零序电流用作跳闸或告警时，零序电流可以由运行参数中的控制字一的KG1.7 位选择零序电流由外部专用的零序CT（LXK-240 型，10p10）引入，装置默认为零序电流外接。装置的零序过电流保护可通过设置相关控制字选择定时限或反时限方式。同时，复效其过流值，并进行保护试验，确保短路情况下能及时分断电源。

零序过电流保护在满足以下条件时出口跳闸:①3I0＞I0n，I0n为接地n 段定值；②T＞T0n，T0n为接地n 段延时定值；③相应的方向条件满足（若需要）。

4.2 炉温测量方式改进

4.2.1 热电偶直接测温模式

采用双层陶瓷套管加强对热电偶的保护，优点是改造价格便宜，较原先的单层套管保护热电偶的能力有所提升，但还是会出现里层套管破裂的可能，且故障再次发生后又得将热电偶抽出更换陶瓷管，容易造成炉体内陶瓷碎片堆积，影响热电偶再次安装。

4.2.2 非接触式测温模式

将原有炉体内5 只热电偶全部拆除，采用1 套红外线测温仪表，其原理是基于物体的热辐射，以被测体的红外辐射热量与温度成一定关系，将辐射热量转换为电信号显示被测体的温度值，其避免了测量装置和炉体的直接接触。因实际使用中，主要是在谷电量时段蓄热，以时间控制为主、温度控制为辅，对电蓄热锅炉的温度精确度要求不是很高，所以采用该测量方式是满足要求的。但是在实际过程中，由于红外线只能探测到炉砖表面的温度，不能真实反应炉体内部的真实温度，且容易受到中间介质的影响，对测量结果影响比较大，要想避免中间环境因素的影响，就必须进行温度修正。系统采用了国产某公司HE-TCH 型红外测温仪2 只，该测温仪可直接将光信号转换成4～20 mA 电流信号输入至温控仪表中，可安全迅速地测量炉体温度，其测温原理见图4。

图4 红外测温原理

图5 红外测温仪安装位置

在炉体外部中上部选取两个位置分别开孔并安装玻璃窗口，实现对炉砖的温度测量（图5），图中圆圈处为实际测温点。

4.2.3 方案分析

方案1 仍采用传统的接触式测温方式，虽有双重陶瓷管保护，但通过分析炉丝熔断现象，不可能完全避免高温电弧所造成伤害，不能彻底解决这一隐患；方案2 采用非接触式红外线测温方式，彻底避免了高电压引入低压控制系统的隐患，虽投资成本较大，但对人身和设备不会带来损害。新增加的零序过电流保护也进一步完善了电源保护系统，使电蓄热锅炉发生单相接地故障下能及时与供电网络断开连接，避免了对公司电网带来的不利影响。

5 其余故障及应对策略

5.1 安全阀泄露

若锅炉房内温度（环境温度25 ℃）太高，会造成安全阀弹簧受力下降，介质冲刷造成结合面损坏，使安全阀微泄露。安全阀泄露会造成系统大量汽水流失，影响到工作人员的安全和机组的安全经济运行，当出现安全阀微泄露时，要根据安全阀的压力参数进行适当的压紧调整，直到安全阀无泄露现象。

5.2 蓄热过程中遇到突然停电或停水

电蓄热锅炉突然停水或停电时，如果不及时处理会对固体电蓄热装置系统造成损害。如突遇停水时，应及时关闭电锅炉电源，并关闭放热风机；停电时也应及时关闭循环水以保障电蓄热锅炉系统的内部压力，待查明原因后方可再使用。

当遇到热交换进水侧水压降低时或发现压力表指示不稳定，很可能是内部管道内的空气未排除干净，容易造成换热系统出现故障，应尽快开启排气阀把管道内部的气体排出，同时应把系统其他部分关闭，检查管路有无异常。

5.3 温升缓慢或电流异常

当发现电蓄热锅炉升温较慢时，应及时查看其三相电流值是否在合适范围，当出现一相电流减小或三相电流为0 时，可能一相炉丝或两相炉丝发生熔断，应立即断开电锅炉进行电源并测量炉丝三相阻值，待炉体冷却后进入炉膛内对异常的炉丝抽出检查或进行更换。

6 总结

通过这次事故的发生，对6 kV 电蓄热锅炉测温方式进行了改进，使得改进后电蓄热锅炉彻底避免了高电压引入低压控制系统的设计隐患，可靠保障了供电电网、控制设备及人身安全，并对电蓄热锅炉可能发生的故障进行了分析并制定了解决方案，为电蓄热锅炉后期可靠运行奠定了良好的基础。