鍋爐無法啟動分析和處理

張 戎，張志慧，劉 博，黃曉妍

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

本文以鍋爐無法啟動這一故障現象作為切入點，深入分析鍋爐燃油系統回油壓力高觸發鍋爐安全聯鎖保護動作的各個環節，從保護邏輯信號開始，通過反復試驗，深入挖掘故障的根本原因，對目前進入商業運行模式的核電廠，在故障信息數據不全以及盡量縮短維修工期的要求下，如何查找故障的根本原因摸索出一條行之有效的解決方法，對其他電站或同類設備的運行維護具有重要的參考價值。

1 背景描述

秦山核電站12#備用供熱站（鍋爐房）是全廠在定期停堆檢修或因意外停堆時，緊急啟動向外網供汽的備用供熱站。主要用戶有：除氧器加熱、副控廢液蒸發、淋浴水系統加熱和夏季09#溴化鋰機組制冷供汽。鍋爐作為特種設備，同時受國家相關部門監管并安排定期特檢。因此，鍋爐的熱備對核電廠來說是至關重要的。

圖1 鍋爐程序控制器時序圖Fig.1 Sequence diagram of boiler program controller

2019 年12 月27 日，運行人員在實施鍋爐定期啟動試驗時，鍋爐多次啟動失敗，具體現象為：鍋爐手動啟動按鈕按下后，風機啟動，約2min 后供油泵啟動，鍋爐即將點火一瞬間突然停機，同時鍋爐就地控制柜發出故障報警，PLC 控制屏發出回油壓力高報警。

2 原因分析及相關試驗

2.1 鍋爐基本控制原理

秦山核電站12#鍋爐房使用的是雙良WNS 型蒸汽鍋爐[3]，采用PLC（可編程邏輯控制器）和程序控制器聯合控制，以觸摸屏和按鈕為雙重操作界面的控制方式，同時設有水位控制器和負荷控制器等控制、監測和顯示裝置。

其中，水位控制器，用于控制鍋爐比例或位式進水，以確保鍋爐水位在正常范圍內。

程序控制器，用于控制和監測燃燒器，以實現整個燃燒過程的全自動運行。

負荷控制器，用于不斷檢測鍋爐壓力，將壓力信號不斷地傳給燃燒器的程序控制器，以使程序控制器根據負荷的變化來及時調整燃燒。

以上各控制元件同時都有信號送給PLC，PLC 對收到的信號不斷進行分析、判斷，對以上各控制元件有監控作用；同時，又將處理信號送給觸摸屏，通過觸摸屏將鍋爐運行情況及時顯示出來，并通過觸摸屏對鍋爐進行控制操作。

表1 秦山核電站鍋爐設備參數Table 1 Qinshan Nuclear Power Plant boiler equipment parameters

觸摸屏是鍋爐當前所處狀態的直觀顯示裝置，也是對鍋爐進行控制的操作面板，是判斷本次鍋爐無法啟動故障的重要裝置。

秦山核電站12#鍋爐房的鍋爐使用的燃料是0#柴油，燃油經油泵加壓打入燃燒器，通過機械霧化、高壓點火后，在爐膽內產生火焰并開始燃燒，多余的燃油經回油管線返回日用油箱。鍋爐程序控制器時序圖如圖1 所示[1]。

圖2 鍋爐報警指示電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic diagram of boiler alarm indication

2.2 鍋爐安全聯鎖保護動作及原因分析

2.2.1 鍋爐安全聯鎖保護動作邏輯[3]

MNS 型蒸汽鍋爐設有7 個安全聯鎖保護信號，分別為：油泵電機過載（KH3）、風機電機過載（KH1）、變頻器故障（ATV）、回油壓力高（KA19）、汽壓極高（KA3）、水位低限（KA4）、水位極高（KA6），其中水位極高為鍋爐允許啟動條件之一。鍋爐啟動后會報警，但不會觸發鍋爐停機，其余信號均會在鍋爐啟動后觸發保護停機。

從鍋爐停機時，就地控制柜發出故障報警及PLC 觸摸屏顯示回油壓力高報警的現象綜合判斷，鍋爐回油壓力高是導致鍋爐無法啟動的直接原因。

2.2.2 鍋爐無法啟動原因分析

1）回油壓力高，觸發保護停機邏輯

從圖4 可以看出，手動按下鍋爐啟動開關后，風機啟動，KM1.1 觸點閉合，風壓開關SP6 進行風壓檢測，建立待機汽壓；KA2 繼電器觸點閉合，緊接著油泵啟動建立油路，此時回油壓力開關SP3 已經工作，但未參與保護功能；隨后準備鍋爐點火，點火一瞬間KA11 繼電器觸點閉合，若回油壓力開關達到動作值，此時回路接通KA19 繼電器動作，觸發繼電器KA1 故障報警，同時斷開鍋爐啟動回路，導致鍋爐停機。

該回油壓力開關的主要功能為保護回油管線，防止回油管線壓力過高撐爆油管引發事故。由此可見，該壓力開關動作是回油壓力高觸發鍋爐保護停機的充分必要條件。導致該壓力開關動作的原因可能是：

圖3 鍋爐運行電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of boiler operation

圖4 回油壓力高，觸發保護停機邏輯Fig.4 High return pressure triggers protection shutdown logic

① 壓力開關誤動作或設定值漂移。

② 實際回油壓力增高。

2）回油壓力開關性能檢查

現使用回油壓力開關量程為0bar ～6bar，設定動作值為5.5bar。使用壓力校驗臺和精密壓力表對壓力開關進行校驗，得出表2 數據。從校驗記錄中明顯可以看出，該壓力開關動作定值發生漂移，調整設定值后依然不滿足要求，設備可靠性降低。最終選擇更換新的壓力開關，并對新壓力開關進行校驗，校驗后滿足要求。

表2 壓力開關校驗記錄表Table 2 Pressure switch calibration record table

回裝回油壓力開關后，嘗試啟動鍋爐失敗，故障現象沒有變化。因此，回油壓力開關定值漂移是導致鍋爐無法啟動的必要不充分條件。

3）回油壓力監視試驗

由于壓力開關無法連續測量壓力，為了準確監視回油壓力在鍋爐啟動、停止階段的變化情況，該試驗選擇將原管線壓力開關拆除，屏蔽回油壓力高信號，在原壓力開關管線上重新配接頭，連接壓力變送器（量程0MPa ～2MPa），通過8841 快速記錄儀監視壓力信號（1V ～5V 電壓）的變化。連續3 次啟動鍋爐，試驗數據見表3。

連續三次啟動鍋爐，除了第一次啟動失敗，第二、三次均啟動成功。從試驗數據可以發現，鍋爐第一次啟動時，回油壓力有明顯地瞬時升高，最高壓力達到了7.49bar，超過了壓力開關動作值5.5bar，持續約4s 后，壓力恢復穩定。結合鍋爐的啟動時序分析，該壓力瞬時升高與油泵啟動發生在同一時刻，可以判斷回油壓力瞬時升高是由于油路建立初期，管線中的燃油克服靜摩擦力流動而導致的，當燃油流動起來后回油壓力恢復正常。燃油和管壁的摩擦力大小與燃油的粘度成反比，即燃油的粘度越大，對管壁摩擦力越大。而決定燃油粘度的則是燃油型號和溫度，同型號燃油，溫度越高，粘度越小。鍋爐啟動時間是2019 年12月27 日，當時環境溫度僅有4℃，該鍋爐使用的是0#柴油[1]，雖然達不到凝結點，但其粘度會有明顯地增大，由于鍋爐長期處于備用狀態，0#柴油長時間管道靜置，大大增加了與管線附著、粘連的可能性[2]。

以上試驗說明，實際回油壓力增高是導致鍋爐無法啟動的直接原因，而導致實際回油壓力增高并非回油管線堵塞，是由燃油的固有特性和環境溫度決定的。

表3 鍋爐啟、停時回油壓力變化曲線Table 3 Variation curve of oil return pressure when the boiler starts and stops

3 結論

本次鍋爐無法啟動的根本原因是由于當時環境溫度低，導致0#柴油粘度過大，管線中的燃油為克服靜摩擦力流動，最終導致回油壓力瞬時升高，超過回油壓力開關動作限值，觸發鍋爐停機保護邏輯。針對這一問題可以通過以下方法解決：

1）增加回油壓力停爐延時邏輯，屏蔽瞬時的回油壓力增大信號。

2）重新選擇燃油型號，優化燃燒控制程序。

3）增大回油管道直徑，降低回油壓力。