工业燃煤蒸汽锅炉故障模式分析及事故预防

刘 铎*

（沈阳特种设备检测研究院）

0 引言

锅炉在人民生活中有着巨大的作用，一旦发生事故，产生的危害也是巨大的。近年来，锅炉技术有了很大的发展，数量也日渐增多，根据不完全统计，我国仅工业锅炉就有30 余万台。锅炉是一种可承受高压高温、具有爆炸危险的特种设备，由于受到运行管理人员和司炉人员的影响，锅炉事故时有发生，特别是爆炸、爆管、缺水等恶性事故和重大事故还无法彻底避免，可能会危害人民生命财产安全。对近年来的锅炉事故进行统计后可知，因锅炉运行、管理及操作不当而发生的锅炉爆炸事故和重大事故占事故总数的80%以上。锅炉运行中出现的事故大致可以分为3 类：

（1）爆炸事故是指锅炉中的主要受压部件（如锅筒（壳）、集箱、炉胆、管板等）发生破裂爆炸事故。锅炉爆炸具有巨大的破坏力，这是由于锅炉内的高温高压蒸汽介质具有巨大的能量，在锅炉爆炸时瞬间所释放的能量即为爆炸能量。将历年来国内外锅炉爆炸事故进行统计比较后可知，锅炉爆炸大致可分为超压爆炸、缺陷导致的爆炸以及严重缺水导致的爆炸。锅炉爆炸事故常会导致设备、厂房损坏和人员伤亡，造成重大损失。

（2）重大事故是指锅炉无法维持正常运行而被迫停炉，主要有缺水事故、满水事故、汽水共腾、炉管爆破、过热器管损坏、省煤器管损坏、水击、炉膛爆炸、二次燃烧等。这类事故虽然不如爆炸事故严重，但也会造成设备损坏和人身伤亡，并使锅炉被迫停运，造成严重的经济损失。

（3）一般事故是指在运行中可以排除的事故或经过短暂停炉即可排除的事故，其影响和损失较小。

本文根据系统安全的分析方法对工业燃煤蒸汽锅炉的事故模式进行分析，主要利用预先危险性分析方法分析系统的危险因素，找出导致锅炉系统发生事故的主要因素。使用故障类型与影响分析方法对锅炉系统主要部件可能发生的事故、处理办法及这些故障类型对系统的影响做出分析。最后根据分析结果按照最小风险设计、安全装置的使用、报警装置的应用、制定专用规程和进行培训的顺序对锅炉系统进行事故预防，减小锅炉事故发生的概率。

1 工业燃煤蒸汽锅炉事故危险因素辨识与分析

1.1 危险因素辨识

（1）超压爆炸

运行压力超过锅炉最高的允许工作压力，钢板（管）应力增高超过极限值，同时安全阀与超压联锁失灵有超压爆炸的危险性。

（2）缺水事故

由于司炉工误操作，水位表或自动给水装置失灵，以及省煤器渗漏大量跑水或排污阀关闭不严、止回阀故障等原因造成缺水事故的危险性。

（3）满水事故

司炉工失职、水位表故障、自动上水失灵有导致满水事故的危险性。满水事故会使蒸汽大量带水会降低蒸汽品质甚至发生水击，损坏管道，破坏用汽设备。

（4）汽水共腾

水质不符合要求，锅炉水含量达到临界值，或超负荷运行，用汽量突然增加，压力降低过快有造成汽水共腾的危险性。

（5）结垢、腐蚀与结渣

水质不良会使锅炉结垢、腐蚀；煤质不良，吹灰和锅炉清理不当会造成锅炉结渣，有导致锅炉炉管爆破甚至锅炉爆炸的危险性。

（6）炉膛爆炸

点火不当，或熄火后炉膛内可燃物未排除，其与空气混合达到爆炸下限，在点火或遇引爆能量的作用下，有发生炉膛爆炸的危险性。

1.2 工业燃煤蒸汽锅炉的预先危险性分析

综上所述，锅炉的主要危险因素是缺水、锅炉结垢与腐蚀、焊接缺陷超压、人员操作不当等。所以根据有害因素分析，该系统可能发生的故障或事故包括水位事故（如缺水、满水、汽水共腾等）、爆炸事故、设备结垢或腐蚀等，因此可采用预先危险性分析方法分析工业燃煤蒸汽锅炉的危险因素、后果、危险等级及可采取的预防措施。

2 工业燃煤蒸汽锅炉的故障类型与影响分析

2.1 工业燃煤蒸汽锅炉系统分析

锅炉系统主要由汽水系统、燃烧系统及炉体内相关的部件及安全附件组成。汽水系统包含给水设备、省煤器、锅筒（壳）、对流管束、水冷壁、过热器等。燃烧系统包含鼓风机、引风机、烟风管道、给煤装置、除尘器、烟囱等。安全附件主要包含安全阀、水位表、压力表、水位报警器等。炉体内相关部件包含管道、炉膛、一些阀门及排污装置等。

2.2 工业燃煤蒸汽锅炉系统工作原理

锅炉工作过程主要是燃料由皮带运煤机送入煤仓，再送入位于炉膛下部的炉排，一边随炉排运动一边燃烧。空气由鼓风机送入空气预热器预热，再被送入炉排下部的风室并通过炉排进入炉膛进行燃烧。燃烧的产物在炉膛、烟道中一边运动一边向汽水系统传递热量，自身温度不断降低，最后经除尘器、鼓风机排入烟囱。

同时，经过合格处理的水由水泵送入省煤器，省煤器布置在烟道后边，烟气在外部冲刷省煤器而水在省煤器内部流动，因而发生烟气与水的热交换使烟气降温。升温后的水通过管道送入锅筒（壳），再分成两路循环流动：一路经下降管进入水冷壁，另一部分进入对流管束分别吸热形成汽水混合物的形式再流回锅筒（壳）。汽水混合物在锅筒（壳）中经过分离，与省煤器中加入的水混合，继续进入水冷壁和对流管束循环流动，分离出的饱和蒸汽则进入蒸汽过热器，吸热升温至额定的温度成为过热蒸汽，然后送入供汽的分汽缸，工业锅炉系统工作原理如图1 所示。

图1 工业燃煤蒸汽锅炉系统工作图

2.3 工业燃煤蒸汽锅炉故障类型与影响分析

根据锅炉的系统功能框图可以判明系统中所有可能发生的故障类型以及这些故障类型对系统的影响。对工业燃煤蒸汽锅炉的事故类型与影响分析中主要根据锅炉系统各主要部件常见的发生的事故类型进行原因分析并提出解决方案，最后分析这些事故类型对整个锅炉系统的影响。

在故障类型与影响分析中主要研究的部件包括锅炉的安全附件。主要阀门，锅炉工作的主要设备。综上所述，可采用故障类型与影响分析对工业燃煤蒸汽锅炉进行故障类型、触发原因、故障消除措施及对系统的影响进行分析。

3 工业燃煤蒸汽锅炉事故预防

对事故影响因素进行分析，可在系统安全优先次序的前提下对锅炉事故进行预防。系统安全优先次序是最小风险设计，安全装置的应用，报警装置的应用，制定专用规程和进行培训。

3.1 最小风险设计

最小风险设计应在设计阶段消除可能发生的风险。根据锅炉应用的环境条件合理设计锅炉的结构，依据国家有关的锅炉设计规定进行研究设计。

工业锅炉一般容量小于65 t/h，工作压力通常小于3.8 MPa，设计时必须根据锅炉的基本参数进行合理设计，保证锅炉正常运行的能源使用和生产效率。在结构设计阶段要重点考虑锅炉的使用地点和环境，正确选择锅炉部件型号并合理安排锅炉各部件的结构位置，如吹灰机、炉排、吸水管等主要部件的结构位置，防止锅炉不正常燃烧、炉膛事故、锅炉结渣、炉管爆破等事故发生。

根据锅炉工作压力和容量以及锅炉的应用场所和锅炉作用对锅炉进行设计计算，主要包括锅炉钢结构计算、锅炉抗震计算、锅炉焊角强度计算，锅炉水压计算、锅炉热力学计算、受压元件的强度计算等，防止锅炉的结构破坏和元件的损坏。

3.2 安全装置应用

对工业燃煤蒸汽锅炉系统对于已识别的危险和在设计阶段不能充分降低的危险，通过装配安全保护装置以降低锅炉系统发生危险的频率和减少锅炉事故发生后的损失。

锅炉系统需要安装的主要安全装置有安全阀，水位表，自动给水装置，自动灭火装置，点火程序，自动控制风机，燃料供给联锁装置，自动吹灰装置，排污装置，水处理检测装置，防护栏，止回阀及蒸汽阀以及一些相应的联锁装置，如当全部引风机断电时，可自动切断全部送风和燃料的供应，当全部引风机断电时，自动切断全部燃料的供应。煤粉炉应有炉膛风压保护装置，炉膛负压过高或过低时应发出警报。同时还应设置相应的备用装置（如备用电源、风机等），防止锅炉被迫停炉时可以继续进行生产。

燃煤粉的室燃锅炉应当装设点火程序控制装置和熄火保护装置，并且满足以下要求：（1）在点火程序控制中，点火前的总通风量应当不小于3 倍的从炉膛到烟囱进口烟道总体积；0.5 t/h（350 kW）以下的液体燃料锅炉通风时间至少持续10 s，锅壳锅炉、贯流锅炉和非发电用直流锅炉的通风时间至少持续20 s，水管锅炉的通风时间至少持续60 s；因结构原因不易做到充分吹扫时，应适当延长通风时间；（2）单位时间通风量一般保持额定负荷下的燃烧空气量，对额定功率大的燃烧器，可以适当降低但不能低于额定负荷下燃烧空气量的50%；（3）熄火保护装置动作时，应当保证自动切断燃料供给，并进行充分后吹扫。

通过这些基本装置来降低锅炉超压、缺水、结渣、腐蚀、炉膛的爆炸，汽水倒流及蒸汽的泄漏等事故发生的可能性。

3.3 报警装置的应用

通过设计和安全保护装置还不能降低锅炉的一些危险时，可在锅炉系统上装备一些安全报警装置。当锅炉发生故障时可以发出警报，使工作人员及时发现故障并对故障进行处理，防止发生重大事故。

锅炉系统的主要报警装置应安装压力报警系统，当锅炉发生超压时发出警报，防止锅炉超压爆炸，报警情况主要有以下几种：

（1）高低水位报警系统，对锅炉水位进行监测，一旦锅炉水位过高或过低时发出报警防止锅炉的缺水，满水事故。

（2）炉膛压力报警系统，当炉膛压力过高或过低时发出报警，预防炉膛爆炸事故的发生。

（3）蒸汽报警系统，锅炉炉内蒸汽过小或过大时发出报警，防止锅炉的超压爆炸事故。

（4）电力报警系统，对电力故障发出报警，避免由于电力原因造成锅炉的被迫停炉。

（5）燃烧报警装置，对锅炉的不正常燃烧进行报警，防止炉膛的爆炸及炉墙损坏等事故。

（6）水质报警装置，对进入锅炉的用水进行检测，不符合锅炉用水标准进行报警，防止锅炉结垢导致其他重大事故的发生。

3.4 制订专用规程和进行培训

当通过设计，安全装置和报警装置的使用后也不能充分降低锅炉的有关风险，则可以通过制定相关的使用规程和人员培训来降低锅炉的风险。

（1）规程制定

首先编制锅炉的安全运行方法，要求工作人员严格要求这些规定对锅炉进行使用。其次对工作人员的行为编制相应的规定包括人员的上下班、交接班的规定，工作中行为、服装的规定。并制定人员工作行为考核制度，对工作人员进行定期的考核。

（2）人员培训

对工作人员进行专业知识和安全教育培训和考核。安全教育培训，对锅炉工作人员进行安全教育，主要内容是产生锅炉事故或故障的主要因素，锅炉事故的危害性教育，锅炉发生事故后的解决方法，锅炉工作人员在工作时的个人行为，同时制定考核制度，对锅炉工作人员进行定期的安全工作考核。

（3）建立锅炉事故应急预案

一旦发生事故，可以使工作人员能够合理处置事故，防止发生更加严重的事故。同时在锅炉的一些危险区域设立安全警告板以提醒人员。

一些锅炉单独使用以上各方法不能很好地降低锅炉的危险性，则可以通过联合使用的方法来降低锅炉的危险性，但必须遵守系统安全优先次序，因为系统安全的最终目的是让设计的系统不包含能导致不可接受的事故风险水平的危险。

4 结语

工业锅炉在人民的生产生活中起着重要作用，锅炉事故会造成巨大的经济损失甚至造成人员伤亡。因此，本文主要对工业燃煤蒸汽锅炉进行了系统的安全分析。

（1）通过对锅炉危险因素的预先危险性分析，锅炉超压、缺水、炉膛爆炸导致锅炉停炉，造成人员伤亡和巨大的经济损失，都会造成巨大的影响。而汽水共腾、满水事故、锅炉的腐蚀、结渣和结垢会造成锅炉部件损坏，严重时会导致锅炉被迫停炉，造成经济损失。

（2）对工业燃煤蒸汽锅炉的故障类型与影响分析主要是针对锅炉系统的主要组成部件，通过分析得出锅炉的主要故障原因主要是人员操作不当，部件的缺陷、损坏，锅炉在设计阶段的结构设计不合理、锅炉清理及时或方法不当，锅炉给水质量不良等。

（3）在预防中首先在设计阶段消除一些可能导致事故发生的危险因素，根据国家有关标准合理设计锅炉结构，进行水压和热力学等试验选择合理的材料以及适合的锅炉部件。通过使用安全装置，应用报警装置及对工作人员进行培训和考核，使工作人员深刻认识锅炉，安全使用锅炉，并定期进行专业考核。