О причинах взрывов в содорегенерационных котельных установках (СРК) и мерах по их предупреждению

На целлюлозно-бумажных комбинатах, в современном сульфат-целлюлозном производстве, содорегенерационный котлоагрегат (СРК) является одним из основных компонентов оборудования. В нем сжигаются отработанные щелока, в результате происходит регенерация химикатов, используемых в дальнейшем для варки целлюлозы, одновременно генерируется пар энергетических параметров. Являясь энерготехнологическим агрегатом, СРК состоит из собственного котла и комплекса вспомогательного технологического оборудования, входящего в схемы подготовки щелока к сжиганию, очистке дымовых газов и технологических выбросов. Использование потенциального тепла отработанного щелока, позволяет покрывать ощутимую долю баланса энергопотребления производства.

Специфика СРК заключается в том, что сжигаемый в топке отработанный черный щелок с энергетической точки зрения является влажным высокозольным и низкокалорийным топливом, а также в аккумуляции на поду топочной камеры значительного количества расплавленных натриевых солей при температуре порядка 850-9000С [1].

Ранее на подавляющем большинстве целлюлозно-бумажных комбинатах СРК применялись при рабочих параметрах: давление до 4,0 МПа (40 кгс/см2) и температура перегретого пара до 4400С. Это было вызвано необходимостью предупреждения высокотемпературной коррозии труб поверхностей нагрева. В настоящий момент, в соответствии с федеральными Нормами [2] применение СРК на более высоких параметрах допускается при обеспечении специальных мер по предупреждению высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева.

Учитывая высокую специфическую потенциальную опасность, которую представляют содорегенерационные котлоагрегаты, они в соответствии вышеуказанными Нормами, должны устанавливаться в отдельных зданиях, а пульт управления – в отдельном от котельного цеха помещении, имеющем выход помимо помещения для СРК.

Разрешается компоновка СРК в одном общем блоке с энергетическими, водогрейными и утилизационными котлами, а также неотрывно связанными с выпарными и окислительными установками щелоков.

Программа обеспечения надежности при производстве содорегенерационных котлоагрегатов имеет три этапа: конструирование, разработка технологии изготовления, процесс изготовления. Реализация этапов приводит к созданию исходных свойств, которые можно охарактеризовать как потенциально возможные. В разные периоды эксплуатации фактические свойства сравнивают с потенциально возможными и по степени изменения оценивают надежность.

Основными показателями надежности являются безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Надежность обеспечивается на этапах проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонтов. Ошибки, допущенные на любом из них, сводят на нет материальные средства, трудозатраты и время, потраченное на всех других этапах. Совершенная конструкция СРК с высокими технико-экономическими показателями, широкомасштабной автоматизацией, обеспечивающими комфортные условия труда, не может быть реализована, если для его изготовления использовались трубы, тройники, арматура, прокат металлов и другие материалы и оборудование плохого качества, а технологический процесс осуществлялся с нарушениями требований нормативной технологической документации. Котлы с высокой потенциальной надежностью могут быть быстро приведены в полную негодность, если не будут соблюдаться заданные проектом режимы работы, а эксплуатация будет осуществляться недостаточно квалифицированным персоналом [3].

Поэтому к эксплуатационному персоналу должны предъявляться повышенные требования по знанию основных принципов организации топочного процесса и физико-химических свойств жидкого сульфатного плава, т.к. при определенных условиях взаимодействие плава с водой может привести к взрывам. Кроме того, в СРК используется высококалорийное вспомогательное топливо (газ, мазут), которые применяется при пуске и останове СРК, при перебоях в подаче черного щелока с выпарной станции и для «подсвечивания» в случае повышения влажности щелока сверх предела устойчивого горения. Это налагает дополнительные условия на организацию работы рассматриваемых котлов т.к. несоблюдение правил сжигания мазута или газа может явиться причиной взрывов в топках. Не исключена вероятность взрывов в баке-растворителе в момент контакта плава с зеленым щелоком. Такие взрывы могут привести к серьезным разрушениям оборудования. В отечественной промышленности имели место несколько случаев взрывов различной силы в СРК. Продолжительность аварийно-восстановительных ремонтов при этом составляла от нескольких дней до нескольких месяцев. Необходимо помнить, что взрыв горючих газов в топке СРК может привести к повреждению трубной системы и попаданию воды на плав, что еще более усугубит аварию.

Из публикации (стр. 164) [4] следует, что в 1964 г. и в начале 1965 г. фирмы «Тампелла», «Альстрем-Варкаус», а.о. «Свенска Машинен Верке», «Мицубиси» «Санчи», «Парсонс» и другие прислали в Советский Союз информационные письма о взрывоопасности содорегенерационных котлов. Из этих сообщений, а также из опубликованных материалов стало известно, что в то время за границей произошел ряд взрывов в процессе эксплуатации содорегенерационных котлоагрегатов.

Например, в США из 223 содорегенерационных котлоагрегатов взорвалось 38; в Канаде на 76 предприятиях, где работает 174 содорегенерационных котлоагрегата, произошло 33 взрыва. Взрывы привели к чрезвычайно серьезным последствиям. Было установлено, что примерно 40% аварий произошло вследствие взрыва накопившейся в топке взрывоопасной смеси газов от несгоревшего вспомогательного топлива, 40% взрывов произошло в результате попадания воды на огарок и в плав при разрывах экранных труб котла и 20% вследствие грубых нарушений элементарных правил технической эксплуатации.

В настоящий момент мы не располагаем статистическими данными за период 1964-1965 г., но имеющиеся в нашем распоряжении отдельные архивные материалы позволяют утверждать, что в отечественной практике эксплуатации взрывы СРК различной силы не являлись редким явлением. Так, в 1966 г. [4] на одном из предприятий в период остановки содорегенерационного котлоагрегата было оставлено на поду топки большое количество невыжженного огарка. В период пуска котла после включения его в паропровод было обнаружено, что единственная летка топки забита застывшим плавом и огарком.

Поскольку пробить летку плава в течение длительного времени не представлялось возможным, операторы для повышения температуры в топке с целью расплавления плава, застывающего в летке, включили одну щелоковую форсунку при усиленном сжигании мазута. Через некоторое время накопившийся в топке плав хлынул через неплотности пода. Обслуживающий персонал, отключив мазутные горелки, вентилятор и отсоединив котел от паропровода с целью охлаждения, стал обильно поливать массу раскаленного плава щелоком. Через несколько минут после этого произошел взрыв, в результате которого прогнулись трубы экранов, стягивающие их балки, каркасы и была разрушена обмуровка котла.

Анализ эксплуатации содорегенерационных котлов [5], проведенный на основании результатов обследований комиссиями и службой ведомственного технического надзора, показывает, что несмотря на ряд указаний Министерства целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности СССР, на многих предприятиях отрасли работа СРК осуществлялась с отступлениями от Правил и норм, на низком техническом уровне, что приводило к возникновению аварийных ситуаций. Так, 11 ноября 1981 г. на Байкальском ЦБК был аварийно остановлен СРК-350. Рассмотрение обстоятельств, предшествовавших аварийному останову, показывает, что котел в течение двух часов работал при отсутствии напряжения на пульте управления, без оперативного контроля со стороны эксплуатационного персонала, в результате произошел упуск воды, нарушение циркуляции, перегрев труб поверхностей нагрева и последовавший разрыв одной из них на отметке +9,3м. правого заднего блока.
В производственном объединении «Братский ЛПК» 26 ноября 1981 г. произошел взрыв в топке СРК. Расследование причин этой аварии показало, что после реконструкции с заменой нижней части топки, котел включили в работу с отключенными защитами, блокировками и сигнализацией. Из-за неверных показаний датчиков уровня, котел работал без подачи питательной воды, что привело к упуску воды и нарушению циркуляции. Эксплуатационный персонал не принял мер по остановке работы котла, а включил мазутные форсунки, это вызвало перегрев экранных труб и разрыв одной из них. Вместо полного прекращения подпитки котла, персонал перевел управление питательным клапаном на ручное управление и осуществлял питание котла после разрыва экранной трубы в течение 30-40 мин. В результате, спустя два часа после останова котла, произошел взрыв в топке, топочная камера получила деформации, что привело к необходимости проводить восстановительные работы в течение длительного времени.

На Сегежском ЦБК 18 февраля 1982 г. произошел взрыв в топке СРК-700, в результате фронтовой экран от боковых был оторван с отметки +14,4м до верха топки (отметка +31,5 м). Остальные экраны были деформированы. Авария произошла вследствие неверных действий персонала по ликвидации течи плава помимо летки. Вместо останова котла, как это предусмотрено разработанным на ТЭС-2 «Планом ликвидации аварий» персонал путем снятия с качального устройства и разворота щелоковой форсунки в течение 20 минут заливал щелоком район предполагаемой протечки плава. В результате газификации щелока, налитого на под топки, образовалась взрывоопасная смесь газов, и произошел ее взрыв. Анализ эксплуатационной документации показал, что в схеме защит, блокировок и сигнализации имелись отступления от требований действующих правил и норм, а инструкции по эксплуатации СРК не пересматривались с 1972 г. и имели существенные ошибки.

Аварийные остановы СРК, связанные с неработоспособностью систем автоматического управления, контрольно-измерительных приборов, блокировок и защит, были и на ряде других предприятий отрасли.

На ТЭЦ Астраханского ЦКК [6] 24 ноября 1984 г. произошел взрыв в топочной камере СРК-560 станционный № 2. Непосредственно перед взрывом из-за отсутствия щелоков СРК был переведен на сжигание топочного мазута. В эту же смену в мазутном хозяйстве комбината производился слив мазута из железнодорожных цистерн. Прием мазута из-за отсутствия приемного резервуара осуществлялся непосредственно в расходные резервуары, из которых мазут подавался в котельную.
В 14 часов 40 минут начальником смены ТЭЦ и обслуживающим персоналом котельной по снижению нагрузки котлов БКЗ-75-39 ГМ станции было установлено попадание воды в мазутопроводы котлов. Давление в барабанах котлов БКЗ-75-39 снизилось до 25 ати, а СРК ст. № 1, работавший на мазуте – погас. Начальник смены ТЭЦ предупредил персонал, обслуживающий СРК ст. №2 о попадании воды в мазутопроводы, дал распоряжение о прекращении слива мазута из оставшихся цистерн и об открытии линии рециркуляции мазута на СРК ст. № 2 с целью увеличения его расхода. В 14 час. 45 минут произошел взрыв в топке СРК ст. № 2 в результате чего экраны топки получили деформацию, произошло раскрытие до 145 мм передних углов топки, разрывы угловых соединений поясов жесткости, деформация 10 задних труб кипятильного пучка, нарушение изоляции и обшивки.
Причиной аварии явилось попадание воды в мазутопроводы и мазутные форсунки и неверные действия эксплуатационного персонала, который знал о попадании воды в мазутопроводы, но н принял меры к аварийному останову СРК.

На ТЭС-3 ПО «Братский ЛПК» 04.12.1984 г. произошла авария с содорегенерационным котлом СРК ст. № 12. В результате взрыва в топке котла произошло ее раскрытие по всей высоте во всех четырех углах с образованием свищей в экранных трубах и пароперегревателе. При этом были деформированы стенки топочной камеры, пояса и балки жесткости. Максимальная стрела прогиба на высоте пятого пояса жесткости составляет 210 мм. Проведенное расследование показало, что авария возникла в результате грубого нарушения эксплуатационным персоналом и должностными лицами «Производственной инструкции по безопасной эксплуатации СРК» при ликвидации течи плава в левом углу пода топки. Вместо подвода сжатого воздуха или останова котла, как это предусмотрено Инструкцией было принято решение ликвидировать течь плава подачей к поврежденному месту черного щелока посредством разворота щелоковой форсунки. При погашенных мазутных форсунках и в отсутствии огарка на поду произошла газификация щелока, образование взрывоопасной смеси газов и взрыв в топке котла. Расследованием также было установлено, что нарушение эксплуатационным персоналом Правил и инструкций по эксплуатации СРК на ТЭС-2 и 3 Братского ЛПК стало системой. Так, аналогичная авария на СРК-12 с менее серьезными последствиями была 7 марта 1984 г. Однако и после этого на станции продолжали нарушать Инструкции по ликвидации течи плава (01.12.84. и 02.12.84).

Происшедшие аварии свидетельствовали об отсутствии планомерной систематической работы с эксплуатационным персоналом, бесконтрольности со стороны руководства ТЭЦ за действиями персонала при выполнении производственных обязанностей, формальном проведении противоаварийных тренировок.

Из международного опыта следует, что специально созданная в свое время Консультационная комиссия по содорегенерационным котлам (BLRBAC) разработала рекомендуемую систему, направленную на профилактику или уменьшение последствий взрывов при попадании воды в плав. Эта система известна как процедура аварийного останова (ESP-процедура). Если понятно или предполагается что вода попадает в топку BLRB (СРК), оператор обязан активизировать ESP-процедуру, которая одновременно подает сигнал об аварийной эвакуации людей и по заданной изготовителем СРК программе осуществляет аварийную остановку работы котла.

Консультационная комиссия для обобщения и анализа причин располагает материалами о случаях взрывов СРК на предприятиях Северной Америки, в результате которых для восстановления котлоагрегатов требовалось несколько дней, а в худших случаях ущерб был настолько велик, что восстановление занимало несколько месяцев. При этом отмечалось, что основными источниками воды, попадающей в топку СРК, являлись утечки через напорные компоненты котла. В дополнение к полугодовой или годовой проверкам огневой стороны котлов Комиссия рекомендовала проводить ежегодные осмотр напорных частей для выявления существующих и идентификации потенциальных утечек, чтобы принимать упреждающие меры по предотвращению контакта воды с плавом. В ходе ежегодного осмотра также рекомендовалось проверять: систему ESP, защиты при низком уровне воды, систему черного щелока и вспомогательную систему сжигания топлива. Особое внимание обращалось на необходимость проведения периодического контроля уровня подготовки операторов для определения того, что они не только обладают знаниями об эксплуатации СРК в обычном режиме, но и способны распознавать различные нештатные ситуации, знают, какие корректирующие действия являются целесообразными, умеют определять, когда вода попадает в топку, и как система ESP приводится в действие.

Кроме попадания воды в топку при разрушении поверхностей нагрева (свищи, разрывы) существует еще несколько других источников воды. Если содержание воды в черном щелоке превышает 42%, это может привести к взрыву. Может произойти попадание конденсата через неисправную систему обдувки сажи или неисправный калорифер парового змеевика. Вода может попасть из внешних промывочных водяных шлангов, из системы промывки трубопроводов черного щелока водой или неисправных теплообменников щелока.

С целью предупреждения высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева, при применении содорегенерационных котлов на рабочих параметрах более 4,0 МПа и температуре перегретого пара более 4400С, широко применяются композитные трубы, применение хромирования труб, металлизации напылением и наварки нержавеющего покрытия. Композитные материалы – это принципиально новый класс конструкционных материалов, без которых был бы невозможен прогресс в энергомашиностроении. При наплавке нержавеющего покрытия, в том числе и при ремонтах, если в этом возникает необходимость, следует учитывать рекомендации главы 12 [7] и надо помнить, что при монтаже, ремонте, реконструкции (модернизации) указанных котлоагрегатов запрещается использование стальных труб, ранее бывших в употреблении.

Изучение технической документации предприятий – изготовителей для поставляемых в Россию зарубежных содорегенерационных котлов свидетельствует о том, что изготовители очень заботливо и достаточно конкретно регламентируют периодичность, объемы и методы контроля и дефектоскопии узлов и элементов СРК в период их эксплуатации, определяя при этом требования к квалификации персонала, который это может выполнять, требования к приборам и контрольному оборудованию, а также к качеству применяемых инструментов.

В этом наши специалисты убедились при проведении работ по контролю металла в период ежегодного капитального останова содорегенерационного котла производительностью 3560 т. с.в./сутки, расчетные параметры пара а барабане 12,4 МПа (124 кгс/см2),температура перегретого пара 490±50С.

Котел изготовлен предприятием ″Andritz Oy″ Satakunnaankatu 7, Varkaus, Finland в 2009 г., смонтирован на предприятии ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК», установлен в отдельном здании, а пульт управления в отдельном от котельного цеха помещении, имеющим выход помимо помещения для СРК.

В приложении к техническому заданию, утвержденному Техническим директором ОАО «Монди СЛПК» было указано: матрица разграничения ответственности, объем контроля металла, сортамент примененных труб и допустимая их толщина, инструкция по проверкам в период ежегодного останова (Andritz).

В настоящей статье не рассматривается, но при эксплуатации СРК исключительно важную роль для обеспечения работы без повреждения поверхностей нагрева и других элементов содорегенерационных котельных агрегатов имеет выполнение требований предприятий – изготовителей СРК по организации водно-химического режима и надлежащего контроля за его осуществлением.