炉膛压力控制器动作的原因分析及预防对策

李嘉琦

（晋能控股电力有限公司河津发电分公司， 山西 运城 043300）

引言

某电厂二期4 号机组为330 MW 级机组，锅炉为亚临界参数、一次中间再热、自然循环锅筒炉，采用平衡通风、直流式燃烧器、四角切圆燃烧方式。根据运行规程中的相关规定，炉膛在正常情况下要维持微负压方式运行，所以机组运行期间，炉膛压力波动范围一般维持在-150～30 Pa 之间。

1 炉膛压力测量系统概述

炉膛压力是表征锅炉安全燃烧的重要参数，当燃烧系统故障或其他原因造成炉膛燃烧不稳定时，炉内局部积聚的燃料会发生突然点燃的情况，此时在炉膛内部会产生正压，严重时会造成灭火或炉墙破坏[1]。而炉膛内部压力过低，会造成炉膛及烟道内爆，给炉体造成破坏。因此使用测量仪表准确测量炉膛内部的压力促使压力开关作出正确反应，使机组安全运行、及时停止，可以避免发生炉膛损坏事故。此外炉膛压力测点取样的位置对于能否准确测量炉膛内部压力具有至关重要的作用，正确的位置应能真实反应炉膛内部的燃烧工况[2-3]。4 号炉炉膛压力测点取自锅炉两侧的喷燃室火焰上部，锅炉标高为63 m，测点取样位置为58 m。

根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》的第6.2 条“防止锅炉炉膛爆炸事故”和第9.4 条“防止热工保护失灵”的相关要求，现场共配置8 台炉膛压力控制器以及4 台压力变送器对炉膛压力进行测量，该12 套炉膛压力测量仪表的取样管路从11 个取样装置引出。炉膛左右两侧各安装了6 套取样测量装置。压力控制器及变送器具体的分布情况为：在炉膛左侧安装有2 台炉膛压力低二值压力控制器（简称为“炉膛压力低低控制器”）、1 台炉膛压力高二值压力控制器（简称为“炉膛压力高高控制器”）、1 台炉膛压力高报警控制器以及2 台压力变送器。在炉膛右侧安装有2 台炉膛压力高高控制器、1 台炉膛压力低低控制器，1 台炉膛压力低报警控制器以及2 台压力变送器。

该套炉膛压力测量系统的测量原件均使用进口产品，压力控制器选择使用的是美国UE 压力控制器，变送器选择使用的是日本横河EJA 型压力变送器。压力控制器包括炉膛压力低低控制器（控制器动作值为-2 540 Pa）、炉膛压力高高保护控制器（动作值为+3 300 Pa）、炉膛压力高报警控制器（动作值为+1 000 Pa）、炉膛压力低报警控制器（动作值为-1 000 Pa）。压力变送器的量程为-4 000～+6 000 Pa，其中有3 台进入CCS 系统中参与炉膛压力调节，另1 台则进入DAS 系统对炉膛压力进行监视。

电厂主燃料跳闸保护中炉膛压力保护设计是通过压力控制器直接控制的，根据25 项反措的要求，将炉膛压力保护逻辑设计为压力控制器信号通过硬接线输入至DCS 系统中，在DCS 逻辑中分别对压力控制器的信号进行判断，以炉膛压力高高控制器来讲，当炉膛压力高高控制器3 台控制器中有任意2 台控制器动作触发并发出信号输入至DCS 系统，在逻辑中进行三取二模块判断后发出信号，信号输出至MFT保护系统，随即MFT 跳闸继电器动作，继而导致锅炉MFT 保护动作。炉膛压力低低控制器亦是如此。

2 炉膛压力控制器动作的事件经过及原因分析

2.1 事件经过

2021 年7 月2 日中午，环境温度由35 ℃快速下降到12 ℃。13 时42 分，4 号炉左侧炉膛压力低低控制器1 动作，LCD 画面显示报警信息，查看趋势后，此时炉膛压力在-30 Pa，机组运行正常，工况稳定，此压力控制器的取样装置上同时引出1 台压力变送器，事件发生时，压力变送器的示数从-30 Pa 缓慢变化至-3 000 Pa，变化时长有30 min，当压力达到控制器动作值-2 540 Pa，炉膛压力低低保护控制器1 动作，光字牌报警发出信号动作，而此时4 号炉其他3 个炉膛压力变送器显示-30 Pa 左右，锅炉正处于微负压状态下正常运行。

随后检修人员对该炉膛压力低低控制器的炉膛压力取样装置进行检查，发现取样管在测量装置引出端弯管处完全堵塞，取样装置正常情况下是取样管一端通向炉膛，一端通向压力控制器，此时通向炉膛的接口被杂质完全堵塞，这样就在压力取样管的内部形成一个密闭的空间，此时空间中内部的气体就是密闭空间的气体，可以用理想气体来分析。

2.2 原因分析

理想气体是热力学和统计物理学中一个基本而重要的模型，通常把它定义为：一定量的真实气体当压强趋近于零时的极限情况，或严格地定义为：严格遵从理想气体状态方程和焦耳定律的气体。在实际应用中，把温度不太低，压强不太高条件下的气体近似地当作理想气体，通常的压强和温度下，实际气体可以近似地用理想气体来描述，且压强越低，描述的精确度就越高，也就越接近于理想气体。

根据热力学，理论上的理想气体模型需要满足以下三个条件：分子本身的大小比起它们之间的平均距离可忽略不计；除了短暂的碰撞过程外，分子间的相互作用可忽略；分子间的碰撞是完全弹性的。

综上，当取样管内部的密闭空间的压力处于-30 Pa 左右的微负压状态下，温度在10 ℃左右，即可满足理想气体模型的要求，即温度不太低，压强不太高，这样可以将取样管内密闭的空气近似地当作理想气体，同时也满足理想气体方程[4]。

理想气体物理学的解释为一定质量理想气体由N 个同种气体分子组成，每个气体分子的质量为m，气体的质量M=mN，气体的摩尔质量μ=NAm，其中NA称为阿伏伽德罗常数（NA=6.02×1023mol-1）。令n=N/V，n 表示单位体积内的气体分子数；k=R/NA，其值取为1.38×10-23J/K，称为玻尔兹曼常数。

理想气体的状态方程可以进一步写为p=nkT，n=N/V。其中 p 为压强，Pa；T 为温度，K；n 为单位体积内的气体分子数。

当取样管堵塞后，与压力控制器之间的取样管就形成一个密闭的空间，此时n 就为定值，压强p 与温度T 则成正比例关系，即当温度越低时，压力就越低，反之温度越高，压力也越高。由于当天中午突降大暴雨，环境温度由35 ℃快速下降，压力也随之降低，最终当压力值下降至-2 540 Pa 后触发控制器动作，发出报警信号。

3 消除炉膛压力取样装置堵塞的对策

此次炉膛压力低低保护控制器动作的直接原因是取样管内压力的变化，根本原因还是由于压力取样管堵塞，检修人员针对取样管易堵塞的部位提出相应的对策。

1）采用防堵型取样装置。炉膛压力取样装置易进灰，因运行工况不是非常稳定，炉膛压力经常性波动，当炉膛压力冒正时，炉灰就会从取样装置进入取样管路，久而久之就会堵塞取样管。为了防止炉灰进入取样管路，可以采用防堵型取样装置，取样装置采用长度为8 500 mm、外径为60 mm、内径为50 mm 的无缝管，插入端面为椭圆形，这样可以增加取样管插入炉膛内部感应炉内压力变化的单位面积，使测量装置对炉膛压力的响应时间缩短。

2）更换取样管路。取样管线结点处也是易堵塞的部位，金属硬管焊接时，由于焊接工艺可能会导致焊接部位的管路内部管径变小，当进入取样管路的炉灰或取样管内的铁渣，极易积聚在焊接结点处，最终会完全堵塞取样管，可以重新更换取样管路，将结点处打磨抛光重新焊接。

3）采用金属软管连接取样装置与取样管路。测量装置取样管路引出端弯曲处易积灰，可以将取样装置引出端管路采用金属软管连接，从而减少管路弯曲导致的炉灰积聚现象的发生。

4）定期清理取样管路。取样管路内部积灰严重，定期进行取样管路清理，可以制定详细的标准作业卡，做好安全措施，对所有压力测点测量取样装置定期进行检查并用压缩空气对管路进行反吹，反吹时应注意要从保护控制器处反吹，防止损坏设备。

4 号炉炉膛压力低低控制器的取样装置执行以上措施后，彻底消除取样管路堵塞，此后，对其他所有的压力取样装置进行同样方案的处理，自此以后炉膛压力控制器未再发生误动作的现象。自从处理完成后，压力变送器的测量值也变化的很稳定，波动幅度比以前小。因此保证了炉膛压力测点测量的稳定性、准确性以及安全性，也保证了机组的安全稳定运行。

4 结语

炉膛压力保护是保证锅炉安全稳定运行的最主要的保护，也是FSSS 系统的核心保护之一，对炉膛安全起到至关重要的作用。确保炉膛压力取样装置的畅通，是炉膛压力测量准确的基础。测量元件的测量质量提升，测量的数据才有了准确的保证，才能更好地维持机组安全稳定运行。在日后的工作中，要不断吸取经验教训逐步完善设备管理制度，提高设备运行的安全可靠性。