呂 勇1，賈冬穎2，胥中平1
（1.攀鋼釩能源動力分公司；2.攀鋼集團設計研究院有限公司，四川攀枝花617062）
【摘 要】 在大中型高爐高壓生產過程中，較易出現因高爐爐頂超壓引發的特大安全生產事故，造成人身傷害、環境污染和經濟損失。為避免類似事故再次發生，攀鋼公司研究開發了高爐超壓自動綜合保護系統，為高爐頂壓的穩定提供了有力保障。
【關鍵詞】 高爐；超壓；綜合保護
1 概述
鋼鐵企業里煉鐵大中型高爐均為高壓生產，爐頂壓力一般在0.1~0.25 MPa，為回收能源，大部分企業都配備了余熱余壓回收裝置（TRT）。生產過程中，高爐爐頂壓力控制至關重要，一般采用 TRT 靜葉或減壓閥組調節頂壓偏差值以控制爐頂壓力［1］。
高爐生產過程中，經常會出現以下異常情況：
1）因電纜故障、儀表校驗、模塊損壞等原因造成高爐頂壓設定值、測定值信號丟失或者失真；
2）煤氣通路因操作失誤或者閥門故障切斷；
3）TRT靜葉或減壓閥組自動調節失靈；
4）電氣、儀表控制系統掉電，數據采集失真；
5）高爐爐內料柱崩塌、擊穿；
6）爐頂溫度過高，爐內強制打水降溫，水汽化后快速膨脹。
以上情況通常會造成高爐爐頂壓力在短時間（60 s）內急劇上升，迅速超過高爐最高承受壓力。2012―2023年，國內多次發生大型高爐因超壓引發的高爐爆炸事故，事故統計見表1。
高爐超壓保護一般采用配重式爐頂放散閥或者碟簧倉式爐頂放散閥對壓力進行放散。當高爐內壓力達到所允許的最大值時，爐頂放散閥開啟，放散掉多余的壓力，以保證高爐內部壓力始終恒定，避免因壓力過大導致事故發生。但在實際生產過程中，爐頂放散閥會因密封圈失效、高爐瓦斯灰結垢堵塞、碟簧組失效等原因卡阻，影響高爐超壓保護功能的實現，導致大量煤氣泄漏。
部分企業按照規范在干式除塵器頂部設置彈簧式安全閥進行超壓放散，但因其流通直徑小，作用有限，不能起到超壓保護作用。
2 事故原因分析
2.1 事故案例一
2019年，某煉鐵廠2#高爐在處理爐況異常過程中，爐內壓力瞬間升高，造成煤氣上升管波紋補償器爆裂，爐內大量高溫焦炭從爆裂處噴出，導致人員傷亡，直接經濟損失超2 700萬元［2］。此次超壓事故原因如下。
1）為降低爐頂溫度，兩個班次通過爐頂打水裝置長時間連續打水，打入的液態水未經霧化，部分落在爐料上，導致爐內減風操作時出現崩料，含水爐料落入爐體下部高溫區，水分迅速汽化，體積急劇膨脹（約1 000~1 200倍），引發爐內壓力陡升。
2）爐頂放散閥處于手動操作模式，無法與爐頂壓力形成聯鎖，未及時自動開啟，泄放爐內壓力，導致上升管波紋補償器爆裂。
2.2 事故案例二
某鋼廠變電所故障造成高爐爐頂 3 臺 DN 650煤氣放散閥無法按預設程序打開放散，而此時高爐鼓風機仍在向高爐送風，導致爐頂壓力迅速升高，最大壓力達到0.309 MPa，發生重力除塵器崩裂氣爆事故。崩裂的瞬間，爐頂下降管內的高溫爐料伴隨著高壓煤氣快速沖向重力除塵器殘余段，造成空氣與煤氣混合，發生爆燃起火事故。此次超壓事故原因如下。
1）鐵前變電所35 kVⅡ段母線C相單相接地、高爐變電所35 kVⅡ段母線PT接地，導致高爐、TRT和附屬設施失電。高爐中控樓的 UPS 于事故前退出運行，沒有恢復。中控樓電網供電系統，從高壓到低壓均為單母線分段運行，沒有備用自投裝置，需人工切換備用電源。高爐中控樓停電后，煤氣放散閥油缸電磁閥斷電，導致放散閥無法及時打開。
2）高爐 TRT機組因電氣故障退出運行后，頂壓應轉由調壓閥組控制，但因高爐中控樓停電，送至調壓閥組的頂壓信號為零，導致減壓閥關閉。
3）高爐重力除塵器上配置的 DN 500 電動卷揚（帶配重）煤氣放散閥，設計壓力為0.25 MPa，煤氣壓力超壓后，該閥沒有打開，失去了輔助放散作用。
4）高爐壓力持續升高并超過最高工作壓力時，爐頂放散閥、重力除塵器放散閥和布袋除塵器安全放散閥均未打開，從而導致高爐本體、下降管、重力除塵器、布袋除塵器以及調壓閥組煤氣系統形成一個相對密閉的狀態，此時高爐鼓風機未減風降壓運行，造成高爐煤氣系統超壓。
2.3 事故案例三
2012年，遼寧某煉鐵廠2#高爐大修后復產不到一個月，出現比肖夫洗滌系統脫水塔液位控制失靈現象。液位升高切斷了煤氣通路，爐頂壓力從正常的 240 kPa 快速升高到 420 kPa，并在 30 min 內反復出現。TRT靜葉固定 50% 開度，高爐依靠比肖夫洗滌系統調節開度、控制頂壓，TRT負荷最高達到27 000 kW，遠超過裝機負荷。此過程中沒有人工采取減風、轉常壓等措施，爐頂放散閥沒有超壓聯鎖打開，最終造成脫水塔與減壓閥組之間膨脹器爆炸，DN 2800煤氣總管斷裂著火，高爐爐內料涌出落地，直接經濟損失上億元。
根據上述案例可知，采用爐頂超壓放散閥不能有效起到超壓保護作用，研究高爐超壓自動綜合保護系統至關重要。
3 高爐超壓自動綜合保護系統
為避免發生重大事故，開發了攀鋼高爐超壓自動綜合保護系統，該系統由8個獨立控制系統組成。
3.1 增加爐頂超壓自動控制放散閥
高爐爐頂超壓放散閥除繼續使用機械式超壓放散閥外，增加超壓高爐爐頂自動控制放散閥，形成兩套超壓保護。高爐爐頂自動超壓放散閥由高爐爐頂壓力進行自動控制，其設定值略低于高爐強度試驗壓力值，一旦超過設定值，系統自動放散，并發出聲光報警，以保證爐頂壓力不超過高爐強度試驗壓力值。
3.2 增加凈煤氣減壓閥組超壓快開功能
增加高爐凈煤氣減壓閥組超壓自動切換控制功能，將減壓閥組的一個液壓閥與高爐頂壓測量值進行聯鎖，實現自動快開。將高爐爐頂壓力檢測值與高爐爐頂壓力設定值（該設定值小于設計值）進行比較，爐頂壓力檢測值一旦超過設定值，系統自動快速開啟減壓閥組的一個液壓減壓閥，開度100%，并發出聲光報警，通過減壓閥組將煤氣送至高爐煤氣主管網，以保證爐頂壓力不超過設計值。
3.3 增加高爐送風閥自動減風功能
高爐送風閥由系統根據高爐爐頂壓力進行自動控制。爐頂壓力設定值略低于高爐嚴密性試驗壓力值，一旦超過該值，高爐送風閥自動關小開度，減少煤氣發生量以控制爐頂壓力不超過高爐嚴密性試驗壓力，并發出聲光報警，減風幅度為當前入爐風量的1/2~2/3。
3.4 增加爐頂壓力失真判斷功能
攀鋼高爐爐頂壓力信號（頂壓設定值或者實際檢測值）曾多次因儀表故障、DCS控制系統故障、電纜故障以及控制模塊損壞等原因引發失真問題，導致 TRT靜葉全開（頂壓設定值丟失）或者全關（頂壓實際檢測值丟失），出現頂壓快速下降（頂壓設定值丟失）或者快速上升（頂壓實際檢測值丟失）問題。
為解決該問題，增加透平機組前高爐除塵系統多個在線檢測壓力與高爐爐頂壓力實時比較功能，當多個在線檢測壓力超過高爐爐頂壓力時，判斷高爐爐頂壓力信號（頂壓設定值或者實際檢測值）失真，并發出聲光報警，隨后將透平機組靜葉調節由自動跟隨高爐爐頂壓力調節切換為手動調節，并自動輸出靜葉開度（比正常生產時靜葉開度增加10%~20%），以確保高爐壓力不快速變化。
3.5 增加除塵系統自動超壓放散系統
攀鋼高爐爐頂壓力信號（實際檢測值）曾多次出現失真問題，導致透平機組靜葉全關，頂壓快速上升，在前述功能沒有發揮作用的情況下，增加高爐除塵系統自動超壓放散系統，作為高爐超壓保護的備用手段，放散能力按照煤氣發生量的 2/3 以上設計。當透平機組前高爐除塵系統的多個在線檢測壓力超過高爐除塵系統強度試驗壓力時，自動開啟高爐除塵系統超壓放散閥，并發出聲光報警。
3.6 增加透平機組與減壓閥組聯鎖功能
當透平機組跳機時，自動向高爐控制系統發送減壓閥組快開信號，在0.5~2 s自動將減壓閥組的一個液壓快開閥全部打開，將煤氣直接送往高爐煤氣主管網，并發出聲光報警，以保證高爐不超壓。
3.7 增加透平機組靜葉調節失靈聯鎖功能
當高爐透平機組靜葉調節失靈，高爐除塵系統的多個在線檢測壓力信號超過高爐除塵系統嚴密性試驗壓力時，自動向高爐控制系統發送快開信號，在0.5~2 s自動打開減壓閥組的一個液壓快開閥（開度 100%），將煤氣直接送往高爐煤氣主管網，并發出聲光報警，以保證高爐不超壓。
3.8 增加兩種頂壓控制模式強制切換功能
正常生產情況下，攀鋼高爐爐頂壓力控制權在透平機組［3］，由透平機組靜葉根據高爐爐頂壓力設定值自動進行開關，以控制高爐爐頂壓力在設定值附近波動，穩定爐頂壓力。此模式下減壓閥組調節速率自動變慢（雙 PID 參數控制），以保證減壓閥組全關，煤氣全部經過TRT，提高其發電量。當現場人員判斷透平機組靜葉控制頂壓模式不能滿足高爐頂壓控制需求或出現緊急情況時，可在計算機上按動高爐頂壓控制模式切換按鈕，向高爐控制系統發出信號，將透平機組靜葉控制頂壓模式強制切換為高爐凈煤氣減壓閥組控制頂壓模式，以實現高爐頂壓控制權的切換。
攀鋼釩新3#2 000 m3高爐正常爐頂壓力為210 kPa，設計值 250 kPa，其超壓保護系統相關參數設置見表2。
攀鋼高爐超壓自動綜合保護系統研發實施后，先后十余次正確動作，保證了高爐頂壓的穩定，避免了事故的發生。
4 結語
攀鋼高爐超壓自動保護系統的研發和實施，可有效防止高爐超壓引發的重特大安全生產事故、人身傷害事故、環保事故的發生，既避免了經濟損失，也保證了企業生產的正常運行。
［參考文獻］
[1] 張 克 宏 . 高爐爐頂壓力控制技術［J］. 電氣時代 ，2008（6）：140-142.
[2] 趙興瑜，李愛蓮，崔桂梅 . 包鋼高爐爐頂壓力控制［J］. 內蒙古科技與經濟，2016（3）：122-123.
[3] 武衛軍，王莉，龔雅琴，等 . 高爐頂壓控制系統改進［C］//2008 全國第十三屆自動化應用技術學術交流會論文集.2008：923-924.