张宇栋，卿 黎，蒲 伟，张胜跃，牛 犇
（1.昆明理工大学国土资源工程学院
2．昆明锅炉有限责任公司）
摘要：为了保证余热锅炉安全运行，预防爆炸事故发生，利用FMECA方法和模糊FTA方法，研究 ．余热锅炉事故致因。通过对余热锅炉潜在危险因素的分析辨别，探讨设备故障类型、原因及相应处理方法，引入模糊FIlA对余热锅炉爆炸事故定性和定量分析，进而构建了基于FMECA与模糊F'TA的余热锅炉安全分析框架，并计算得出事故发生的模糊概率以及对基本事件的敏感性分析。
研究表明，余热锅炉系统的可靠度大约为96. 92%，未按规定排污，报警器失灵，安全阀压力连接管堵塞及除氧器不合格事件对顶事件发生概率的影响最大，从而为该系统的安全决策提供支持。
关键词：余热锅炉；FMECA；模糊FTA；爆炸事故；敏感性分析
0 引言
我国社会经济快速发展，不断提高对能源的需求和对环保的要求，当前能源与环保形势十分严峻，能源利用率低和经济效益差是目前所面临的最大问题在此背景下，余热锅炉越来越多的被企业所使用。以提高能源利用率利用率。其通过工业生产过程中的废气、废料及废液中的热量将水加热产生蒸汽或热水提供给其他工艺过程，在电力、冶金、石油、化工等多领域，余热锅炉作为通用的能源设备具有重要地位。
余热锅炉本身作为一个较复杂的系统，属于一种事故率高、事故后果严重的特殊设备。尤其涉及爆炸事故，其内部存在的巨大能量将对周围的人设备造成巨大的伤害。余热锅炉的热源来自运行过程中所产生的废热，无专门燃烧器，其内部相当于高温、高压气液共存的运行状态。这就决定了其必然作为一些大型复杂系统中一个重要支系统存 ，由于设备系统本身的复杂性以及其常处于高温、高压或腐蚀等不断变化的严工况环境，加之存在一主观因素（如人为失误、相关失效、共因失效等）影响，致使引起设备系统失效和发生安全故障的致非常复杂且具有模糊性、随机性。因此，对余热锅炉爆炸事故进行系统的风险分析，确保相关人身和设备的安全具有重大的意义。
随着余热锅炉使用量的快速增长，逐渐暴露出目前存在的安全技术研究滞后、装检及管理制度不善的问题，特别是针对余热锅炉的安全性分析，尚系统性的专门研究。故此，在综合考虑实际工程景的基础上，对余热锅炉的结构特点进行分析，运FMECA方法对影响余热锅炉爆炸的危险因素进分析辨识。同时，考虑到承压类特种设备属于高靠性系统，其故障发生概率往往很低，无法获取大的数据，这类较复杂系统的破坏性试验成本高昂，取大量直观检验数据也不具有经济可行性。此建立FTA方法与三角模糊理论耦合的安全事分析模型，以此对余热锅炉安全性进行定性和定的分析。
}余热锅炉运行原理及FMEA研究
1 余热锅炉运行原理
以昆明锅炉有限责任公司的对流管式余热锅炉Q30/900 - 20 -2.5/450)为例，其运行原理为利用E热获取热源，通过传热过程将锅炉内部的水和蒸汽加热汽化。锅炉运行时，使水及汽水混合物在闭合回路中持续规律地流动，受热面吸收的热量不断被水及汽水混合物带走，将受热面金属冷却，进而保持锅炉安全正常工作。此类余热锅炉中水被加热汽化的过程是水、汽在定压条件下的循环过程[2，对流管式余热锅炉汽水工作流程简图如图1所示。
给水箱中的水经锅炉给水泵送人省煤器，吸收烟气热量提高水温进入上锅筒，锅筒内的水在蒸发受热面内吸收热量汽化而形成汽水混合物，以自然循环的方式通过水冷壁上升进入上锅筒进行汽水分离，水由对流管束流向集箱，不断补充上升管中的水量，分离出来的蒸汽由上锅筒进入过热受热面进一步加热，形成过热蒸汽供其他工艺工程使用。
1.2余热锅炉FMEA危险因素识别
通过对余热锅炉运行原理及子系统之间关系的分析，运用FMEA对各系统进行风险识别，如表1所示。
2 余热锅炉模糊FTA分析
2.1FTA建立与分析
余热锅炉长期处于高温、高压的运行环境，由于操作管理不当、工况恶劣、设备缺陷等因素的影响，容易导致各种事故的发生。结合余热锅炉运行过程中的实际情况，综合考虑引起余热锅炉爆炸事故的主要影响因素，编制了余热锅炉爆炸事故树图，如图2所示。
通过上述事故树中所列出的因素，不但可以找髟响上层各事件发生的原因，而且能够针对这些因制定出相应的预防措施，为余热锅炉的设计、安装以及运营维护提供参考。各事件的称如表2所示。
利用布尔代数运算得到余热锅炉爆炸事故树有80个最小割集，反映出余热锅炉系统发生爆炸的危险性巨大，需要控制的危险因素很多，其中一阶最小割集6个，三阶最小割集74个。将事故树对偶变换为成功树，利用布尔代数运算求出余热锅炉爆炸事故树的最小径集为：
{X3 X4 X5 X9 X25 X26 X27 X28 X29 X30};
{ X6 X7 X8 X9 X25 X26 X27 X28 X29 X30};{XI X2
X9 X25 X26 X27 X28 X29 X30};{X3 X4 X5 X10
XIl X12 X13 X14 X15 X16 X25 X26 X27 X28 X29
X30};{X3 tX4 X5 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23
X24 X25 X26 X27 X28 X29 X30};{X6 X7 X8 X10
XII X12 X13 X14 X15 X16 X25 X26 X27 X28 X29
X30};{X6 X7 X8 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23
X24 X25 X26 X27 X28 X29 X30};{X1 X2 X10 X11
X12 X13 X14 X15 X16 X25 X26 X27 X28 X29
X30};{X1 X2 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23 X24
X25 X26 X27 X28 X29 X30}
2.2 三角模糊数定量计算顶事件概率
利用近十年锅炉部件的故障模式及发生概率统计数据可直接得到的基本事件发生概率值P，进行三角模糊数的归一化并表征为：；=（P，P，尸）。对于没有统计资料的基本事件，或其发生概率不能或较难通过精确的数据统计得出的，引入模糊综合评价法( FCE)结合3u法对基本底事件发生的模糊概率进行表征。
事故树危险性的大小可以用顶事件的发生概率衡量。顶事件模糊概率求解方法很多，由于余热锅炉爆炸事故树的最小径集数量较少，所以采用最小径集法来求解顶事件的模糊概率更为简捷，顶事件模糊概率计算如下：
式中：Ci为第i个基本事件的敏感性评价指标；P(r)为故障树顶事件的发生概率；P(I)为第i个基本事件不发生时顶事件的发生概率。
敏感性指标Ci越大，表明通过减小第i个基本事件发生的概率，更有利于减小顶事件的失效概率。对余热锅炉爆炸事故树进行敏感性分析，得到各基本事件的敏感性指标C．大于0.1的基本事件有：C28=0.2195,C26=0.1720, C9=0.1363,Cl=0. 1331,C6=0.1136,C30 =0.1071,C27=0. 1039。所以，基本事件X28、X26、X9、XI、X6、X30、X27对顶事件发生概率影响较大。未按规定排污，报警器失灵，安全阀压力连接管堵塞及除氧器不合格这4个基本事件是最大的风险源，通过采取适当的措施，减小以上几个基本事件的发生概率，能够快速减小余热锅炉爆炸事故发生的概率。
3结论
1)运用故障类型和影响分析( FMEA)方法分析在余热锅炉装检及运营管理方面影响设备安全运行的危险因素，分析了锅炉壳体、压力表、安全阀、水位计等锅炉安全设备的主要故障类型，提出了针对性的处理措施。
2)根据危险因素的识别和分析，建立余热锅炉爆炸事故树，对事故树进行定性分析得到最小割集80个，表明能导致顶事件发生的基本事件组合较多；运用三角模糊理论，计算顶事件发生概率的模糊概率分布为(0. 0109，0.0308，0.0545)，系统的可靠度大约为96. 92%；敏感性分析结果表明，未按规定排污、报警器失灵、安全阀压力连接管堵塞及除氧器不合格这4个基本事件对顶事件发生概率的影响最大，应优先采取控制措施。
