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(tuán)設(shè)計(jì)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(chǎn)過程中，較易出現(xiàn)因高爐爐頂超壓引發(fā)的特大安全生產(chǎn)事故，造成人身傷害、環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。為避免類似事故再次發(fā)生，攀鋼公司研究開發(fā)了高爐超壓自動綜合保護(hù)系統(tǒng)，為高爐頂壓的穩(wěn)定提供了有力保障。

【關(guān)鍵詞】 高爐；超壓；綜合保護(hù)

1 概述

鋼鐵企業(yè)里煉鐵大中型高爐均為高壓生產(chǎn)，爐頂壓力一般在0.1~0.25 MPa，為回收能源，大部分企業(yè)都配備了余熱余壓回收裝置（TRT）。生產(chǎn)過程中，高爐爐頂壓力控制至關(guān)重要，一般采用 TRT 靜葉或減壓閥組調(diào)節(jié)頂壓偏差值以控制爐頂壓力^［1］。

高爐生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)以下異常情況：

1）因電纜故障、儀表校驗(yàn)、模塊損壞等原因造成高爐頂壓設(shè)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(diào)節(jié)失靈；

4）電氣、儀表控制系統(tǒng)掉電，數(shù)據(jù)采集失真；

5）高爐爐內(nèi)料柱崩塌、擊穿；

6）爐頂溫度過高，爐內(nèi)強(qiáng)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(nèi)急劇上升，迅速超過高爐最高承受壓力。2012―2023年，國內(nèi)多次發(fā)生大型高爐因超壓引發(fā)的高爐爆炸事故，事故統(tǒng)計(jì)見表1。

高爐超壓保護(hù)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(jìn)行放散。當(dāng)高爐內(nèi)壓力達(dá)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(nèi)部壓力始終恒定，避免因壓力過大導(dǎo)致事故發(fā)生。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，爐頂放散閥會因密封圈失效、高爐瓦斯灰結(jié)垢堵塞、碟簧組失效等原因卡阻，影響高爐超壓保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致大量煤氣泄漏。

部分企業(yè)按照規(guī)范在干式除塵器頂部設(shè)置彈簧式安全閥進(jìn)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(hù)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(nèi)壓力瞬間升高，造成煤氣上升管波紋補(bǔ)償器爆裂，爐內(nèi)大量高溫焦炭從爆裂處噴出，導(dǎo)致人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)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(xù)打水，打入的液態(tài)水未經(jīng)霧化，部分落在爐料上，導(dǎo)致爐內(nèi)減風(fēng)操作時出現(xiàn)崩料，含水爐料落入爐體下部高溫區(qū)，水分迅速汽化，體積急劇膨脹（約1 000~1 200倍），引發(fā)爐內(nèi)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(lián)鎖，未及時自動開啟，泄放爐內(nèi)壓力，導(dǎo)致上升管波紋補(bǔ)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(yù)設(shè)程序打開放散，而此時高爐鼓風(fēng)機(jī)仍在向高爐送風(fēng)，導(dǎo)致爐頂壓力迅速升高，最大壓力達(dá)到0.309 MPa，發(fā)生重力除塵器崩裂氣爆事故。崩裂的瞬間，爐頂下降管內(nèi)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(fā)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(dǎo)致高爐、TRT和附屬設(shè)施失電。高爐中控樓的 UPS 于事故前退出運(yùn)行，沒有恢復(fù)。中控樓電網(wǎng)供電系統(tǒng)，從高壓到低壓均為單母線分段運(yùn)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(dǎo)致放散閥無法及時打開。

2）高爐 TRT機(jī)組因電氣故障退出運(yùn)行后，頂壓應(yīng)轉(zhuǎn)由調(diào)壓閥組控制，但因高爐中控樓停電，送至調(diào)壓閥組的頂壓信號為零，導(dǎo)致減壓閥關(guān)閉。

3）高爐重力除塵器上配置的 DN 500 電動卷揚(yáng)（帶配重）煤氣放散閥，設(shè)計(jì)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(xù)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(dǎo)致高爐本體、下降管、重力除塵器、布袋除塵器以及調(diào)壓閥組煤氣系統(tǒng)形成一個相對密閉的狀態(tài)，此時高爐鼓風(fēng)機(jī)未減風(fēng)降壓運(yùn)行，造成高爐煤氣系統(tǒng)超壓。

2.3 事故案例三

2012年，遼寧某煉鐵廠2#高爐大修后復(fù)產(chǎn)不到一個月，出現(xiàn)比肖夫洗滌系統(tǒng)脫水塔液位控制失靈現(xiàn)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(nèi)反復(fù)出現(xiàn)。TRT靜葉固定 50% 開度，高爐依靠比肖夫洗滌系統(tǒng)調(diào)節(jié)開度、控制頂壓，TRT負(fù)荷最高達(dá)到27 000 kW，遠(yuǎn)超過裝機(jī)負(fù)荷。此過程中沒有人工采取減風(fēng)、轉(zhuǎn)常壓等措施，爐頂放散閥沒有超壓聯(lián)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(nèi)料涌出落地，直接經(jīng)濟(jì)損失上億元。

根據(jù)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(hù)作用，研究高爐超壓自動綜合保護(hù)系統(tǒng)至關(guān)重要。

3 高爐超壓自動綜合保護(hù)系統(tǒng)

為避免發(fā)生重大事故，開發(fā)了攀鋼高爐超壓自動綜合保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由8個獨(dú)立控制系統(tǒng)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(xù)使用機(jī)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(hù)。高爐爐頂自動超壓放散閥由高爐爐頂壓力進(jìn)行自動控制，其設(shè)定值略低于高爐強(qiáng)度試驗(yàn)壓力值，一旦超過設(shè)定值，系統(tǒng)自動放散，并發(fā)出聲光報警，以保證爐頂壓力不超過高爐強(qiáng)度試驗(yàn)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(jìn)行聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)自動快開。將高爐爐頂壓力檢測值與高爐爐頂壓力設(shè)定值（該設(shè)定值小于設(shè)計(jì)值）進(jìn)行比較，爐頂壓力檢測值一旦超過設(shè)定值，系統(tǒng)自動快速開啟減壓閥組的一個液壓減壓閥，開度100%，并發(fā)出聲光報警，通過減壓閥組將煤氣送至高爐煤氣主管網(wǎng)，以保證爐頂壓力不超過設(shè)計(jì)值。

3.3 增加高爐送風(fēng)閥自動減風(fēng)功能

高爐送風(fēng)閥由系統(tǒng)根據(jù)高爐爐頂壓力進(jìn)行自動控制。爐頂壓力設(shè)定值略低于高爐嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力值，一旦超過該值，高爐送風(fēng)閥自動關(guān)小開度，減少煤氣發(fā)生量以控制爐頂壓力不超過高爐嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力，并發(fā)出聲光報警，減風(fēng)幅度為當(dāng)前入爐風(fēng)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(shè)定值或者實(shí)際檢測值）曾多次因儀表故障、DCS控制系統(tǒng)故障、電纜故障以及控制模塊損壞等原因引發(fā)失真問題，導(dǎo)致 TRT靜葉全開（頂壓設(shè)定值丟失）或者全關(guān)（頂壓實(shí)際檢測值丟失），出現(xiàn)頂壓快速下降（頂壓設(shè)定值丟失）或者快速上升（頂壓實(shí)際檢測值丟失）問題。

為解決該問題，增加透平機(jī)組前高爐除塵系統(tǒng)多個在線檢測壓力與高爐爐頂壓力實(shí)時比較功能，當(dāng)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(shè)定值或者實(shí)際檢測值）失真，并發(fā)出聲光報警，隨后將透平機(jī)組靜葉調(diào)節(jié)由自動跟隨高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)切換為手動調(diào)節(jié)，并自動輸出靜葉開度（比正常生產(chǎn)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(tǒng)自動超壓放散系統(tǒng)

攀鋼高爐爐頂壓力信號（實(shí)際檢測值）曾多次出現(xiàn)失真問題，導(dǎo)致透平機(jī)組靜葉全關(guān)，頂壓快速上升，在前述功能沒有發(fā)揮作用的情況下，增加高爐除塵系統(tǒng)自動超壓放散系統(tǒng)，作為高爐超壓保護(hù)的備用手段，放散能力按照煤氣發(fā)生量的 2/3 以上設(shè)計(jì)。當(dāng)透平機(jī)組前高爐除塵系統(tǒng)的多個在線檢測壓力超過高爐除塵系統(tǒng)強(qiáng)度試驗(yàn)壓力時，自動開啟高爐除塵系統(tǒng)超壓放散閥，并發(fā)出聲光報警。

3.6 增加透平機(jī)組與減壓閥組聯(lián)鎖功能

當(dāng)透平機(jī)組跳機(jī)時，自動向高爐控制系統(tǒng)發(fā)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(wǎng)，并發(fā)出聲光報警，以保證高爐不超壓。

3.7 增加透平機(jī)組靜葉調(diào)節(jié)失靈聯(lián)鎖功能

當(dāng)高爐透平機(jī)組靜葉調(diào)節(jié)失靈，高爐除塵系統(tǒng)的多個在線檢測壓力信號超過高爐除塵系統(tǒng)嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力時，自動向高爐控制系統(tǒng)發(fā)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(wǎng)，并發(fā)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(qiáng)制切換功能

正常生產(chǎn)情況下，攀鋼高爐爐頂壓力控制權(quán)在透平機(jī)組^［3］，由透平機(jī)組靜葉根據(jù)高爐爐頂壓力設(shè)定值自動進(jìn)行開關(guān)，以控制高爐爐頂壓力在設(shè)定值附近波動，穩(wěn)定爐頂壓力。此模式下減壓閥組調(diào)節(jié)速率自動變慢（雙 PID 參數(shù)控制），以保證減壓閥組全關(guān)，煤氣全部經(jīng)過TRT，提高其發(fā)電量。當(dāng)現(xiàn)場人員判斷透平機(jī)組靜葉控制頂壓模式不能滿足高爐頂壓控制需求或出現(xiàn)緊急情況時，可在計(jì)算機(jī)上按動高爐頂壓控制模式切換按鈕，向高爐控制系統(tǒng)發(fā)出信號，將透平機(jī)組靜葉控制頂壓模式強(qiáng)制切換為高爐凈煤氣減壓閥組控制頂壓模式，以實(shí)現(xiàn)高爐頂壓控制權(quán)的切換。

攀鋼釩新3#2 000 m³高爐正常爐頂壓力為210 kPa，設(shè)計(jì)值 250 kPa，其超壓保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。

攀鋼高爐超壓自動綜合保護(hù)系統(tǒng)研發(fā)實(shí)施后，先后十余次正確動作，保證了高爐頂壓的穩(wěn)定，避免了事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

攀鋼高爐超壓自動保護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)施，可有效防止高爐超壓引發(fā)的重特大安全生產(chǎn)事故、人身傷害事故、環(huán)保事故的發(fā)生，既避免了經(jīng)濟(jì)損失，也保證了企業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

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