全自动蒸汽锅炉假水位特性研究

马 吉，杨宇军，虞惠丰

（绍兴市特种设备检测院，浙江绍兴 312071）

0 引言

近年来，随着燃煤锅炉的逐步淘汰，大量中小型的全自动燃气（油）蒸汽锅炉投入使用。与传统燃煤锅炉相比，由于采用了水位控制系统和蒸汽压力控制系统，全自动蒸汽锅炉自动化程度高、操作简单，安全系数较高。但是由于使用管理等方面的原因，中小型全自动蒸汽锅炉的安全状况不容乐观，特别是锅炉缺水事故屡有发生且占比较高，缺水事故也是危害性最大的锅炉事故。对某起卧式全自动燃气锅炉缺水事故进行分析后认为，事故直接原因是锅炉形成了假水位，导致水位示控装置及低水位联锁保护装置失效。因此，应对此类锅炉的假水位特性进行研究，以避免事故发生。

1 水位控制工作原理

与传统的燃煤锅炉相比，全自动蒸汽锅炉在水位表与锅筒之间增设了一套水位示控装置，用于自动控制锅炉水位（图1）。由于与水位表共用水连管和汽联管，正常工作状态下水位示控装置内的水位与水位表及锅筒内的水位保持一致。目前，在中小型的全自动蒸汽锅炉中，国内最常用的水位示控装置为三极棒水位示控系统，主要由水位电极筒、停泵水位探针、启泵水位探针和极低水位探针组成（图2）：启泵探针和停泵探针实现水泵的启停，起到锅炉正常进水的功能；极低水位探针则实现锅炉最低水位的探测功能，当水位低于探针时控制燃烧器熄火，这样就能有效避免锅炉缺水问题。

图1 水位示控装置

图2 水位示控装置结构

2 假水位形成及危害

锅炉水位表及电极筒水位利用连通器的原理，间接采集锅筒水位。有可能因水连管上水旋塞意外关闭，或水位表及电极筒冲洗不到位导致内部堆积污泥、水垢等情况，进而引起水连管堵塞（图3），导致连通器中断，锅筒水位与水位表、电极筒水位不一致，即形成假水位。假水位形成后，电极筒和水位表中一直显示有水且水位保持不动，此时探针探测到的水位为假水位信号，燃烧器持续燃烧，锅筒水位不断下降。而此时启泵探针和极低水位探针无法探测到真实水位，水泵无法启动，水位示控装置及低水位联锁保护装置失效，进而导致锅炉缺水，轻者导致锅炉干烧，锅炉钢板严重变形导致锅炉报废。如果在缺水后盲目进水，炉水瞬间汽化导致锅炉内压急速上升，甚至会造成锅炉爆炸事故。

图3 水连管水垢堵塞

3 假水位工况特性

为充分了解蒸汽锅炉假水位工况下的特性表征，通过实验方法，人为关闭水旋塞模拟假水位工况，与正常工况进行对比研究，发现以下特征：

（1）水位表水位停滞不动。正常燃烧工况下，随着锅筒内炉水不断汽化，气流湍动引起水面波动，仔细观察水位表中的水位也在轻微上下波动。而在假水位工况下，由于水通道不畅通，锅筒内水位波动无法传递到水位表，导致水位表水位停滞不动。

（2）水位表冲洗异常。按照锅炉安全操作的要求，水位表应至少每班冲洗一次，冲洗过程包括冲洗水连管、汽连管和玻璃管。由于水通道不畅，在冲洗水位表的过程中只能通过汽连管排出蒸汽而无法排出水。冲洗完毕后，未见水位表中水位上升，而正常工况下冲洗完毕阀门复位后水位应迅速上升。

（3）水位表中水温不断下降。在假水位工况下，电极筒以及水位表与锅筒之间的通道被切断，导致电极筒和水位表中的水与炉水之间的热交换大大减弱，水温会逐渐下降。某台型号为WNS2-1.0-Y（Q）的蒸汽锅炉，在其电极筒的下端装设一个测温点进行实验研究（图4）。实验过程中，锅炉房环境温度35℃，当达到额定压力时，测温点显示温度为120℃。此时关闭燃烧器和蒸汽出口阀门，关闭水旋塞模拟假水位工况，随着时间推移，电极筒内水温不断下降，关闭20 min后监测点显示温度为95℃、下降25℃，之后温度下降缓慢，到90℃后趋于平稳。而当水旋塞恢复开启状态后，监测点的水温又开始上升，5 min后升到120℃。由此可见，在假水位工况下，水位表及电极筒的水温较正常工况下有大幅下降，下降值与锅炉运行参数及水位表结构有关。

图4 电极筒水温测

（4）水泵工作异常。在正常工况下，随着蒸汽的输出，锅筒内水位降低，当水位到达启泵探针下端位置时，水泵开始运行打水，当水位升至停泵探针下端时，水泵停止运行，以此反复。而在假水位工况下，由于电极筒内水位保持不动，即使锅筒缺水，水泵也无法正常启动。

（5）蒸汽温度异常升高。TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》规定，锅壳锅炉的最低安全水位，应当高于最高火界100 mm；锅壳内径不大于1500 mm的卧式锅壳锅炉，最低安全水位应当高于最高火界75 mm。因此，在正常工况下锅炉受热面与水接触进行热交换，产生饱和蒸汽，蒸汽温度跟蒸汽压力对应。当锅炉缺水时，锅炉内水位不断下降，导致部分受热面与蒸汽接触进行热交换，饱和蒸汽转化为过热蒸汽，温度升高，锅炉内缺水越严重则过热蒸汽温度越高。

（6）锅炉产汽量减少。在假水位工况下，水泵无法探测到锅炉内水位，进水停止。而锅炉在燃烧状态下，锅筒内的炉水会不断汽化，导致炉水越来越少，水与锅炉受热面的接触面积也不断减少，热交换量减少，因此单位时间内的产汽量也会逐渐下降。

4 结束语

通过对全自动蒸汽锅炉的假水位工况进行模拟研究，详细了解假水位工况下的一些异常特性，为避免缺水事故的发生，有必要在锅炉使用管理及操作规范中作针对性的要求。

（1）建立定期巡查制度。目前，特种设备安全技术规范中，对于B级及以下全自动锅炉未要求设跟班作业人员，但必须建立定期巡回检查制度。巡回间隔不大于2 h，并应特别注意观察水位表中水位的波动情况。

（2）按时冲洗水位表。至少每班冲洗一次水位表，冲洗过程中注意观察出水情况，冲洗结束后所有阀门应确保复位，并注意观察水位是否立刻复位。

（3）加强温度监控。可以对电极筒水温或蒸汽温度进行监控，一旦发现水温异常降低或蒸汽温度异常升高则应停止锅炉运行。

（4）加强相关人员培训。应该对锅炉作业人员及锅炉使用相关人员（如用汽设备的操作人员）加强培训，学习锅炉安全运行的相关知识，培养其安全意识和敏锐感，此外平时还应注意观察产汽量减少、水泵长时间停止运行等异常工况，发现问题及时报告。

（5）异常状况正确处置。发现锅炉假水位水后应立刻停止锅炉运行，待查明原因并消除故障后方可恢复运行，切忌盲目进水。