驟冷器澆注段烘烤方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證①

孫小凌 胡 彬 趙 召 徐凱杰

(1.中國核電工程有限公司；2.海鹽秦核新能設(shè)備檢修有限公司)

驟冷器澆注段烘烤方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證①

孫小凌1胡 彬2趙 召1徐凱杰2

(1.中國核電工程有限公司；2.海鹽秦核新能設(shè)備檢修有限公司)

針對驟冷器襯里輕質(zhì)澆注段的烘烤問題，介紹了烘烤溫升曲線特性，在分析比較系統(tǒng)自有烘烤設(shè)備和獨(dú)立烘烤裝置的烘烤方案后，設(shè)計(jì)了一種基于智能溫度控制器和線性可控硅功率調(diào)節(jié)的電加熱器烘烤方案。烘烤方案實(shí)施過程中，根據(jù)烘烤數(shù)據(jù)記錄，結(jié)合工藝系統(tǒng)的實(shí)際聯(lián)動運(yùn)行，驗(yàn)證了驟冷器的冷卻效果，證明了該方案的可行性。

驟冷器 爐襯烘烤方案 線性可控硅功率調(diào)節(jié) 智能溫度控制器 烘烤曲線

某化工項(xiàng)目中，有機(jī)廢液被輸送到500℃的熱解爐中，在攪拌作用下受熱汽化進(jìn)而發(fā)生分解、中和反應(yīng)。反應(yīng)生成的熱解氣通過熱解爐中的金屬高溫過濾器進(jìn)入燃燒爐，完全燃燒生成煙道氣后在驟冷器中進(jìn)行驟冷，然后經(jīng)過噴射洗滌器冷卻凈化和高效氣體過濾器過濾后，自羅茨排風(fēng)機(jī)排至室外煙囪。該工藝過程中，離開燃燒爐的煙道氣溫度在850～1 000℃之間，進(jìn)入驟冷器后，在驟冷器內(nèi)與被霧化的去離子水接觸，水分蒸發(fā)進(jìn)而使煙道氣被快速冷卻到250℃，因此驟冷器是高溫?zé)煹罋庋杆俳禍氐闹匾O(shè)備。

驟冷器底部澆注段在施工完成后必須進(jìn)行烘烤，以除去澆筑材料內(nèi)的游離水和結(jié)晶水，方可投入正常使用；否則過快的升溫速度會造成澆注段內(nèi)的水分快速向外蒸發(fā)，造成澆注段產(chǎn)生裂紋，使?jié)沧⒍胃魺嵝Ч蠓档?，影響使用壽命[1，2]。

1 烘烤曲線

直通立式驟冷器由殼體(碳鋼和耐火隔熱材料)、噴嘴、氣體入口及氣體出口等部分組成。驟冷器的襯里結(jié)構(gòu)分為兩部分：1 290mm以下為隔熱輕質(zhì)澆筑料(熱面層為150mm的耐火澆筑料，冷面層為50mm的纖維板)，具備短時間直接接觸水的能力；1 290mm以上為3層50mm厚的隔熱高純纖維毯，內(nèi)套鋼桶以防止霧化水滴直接接觸纖維毯。

驟冷器隔熱輕質(zhì)澆注段厚200mm，因此烘烤過程溫升速度必須緩慢(圖1)，以保證澆注段熱面層和冷面層有充分時間傳遞熱量。澆注段內(nèi)表面、熱面層和冷面層的溫差小，能夠保證水分緩慢、均勻蒸發(fā)，以免受熱不均，影響烘烤效果。如果溫升速度過快，澆注段可能會產(chǎn)生裂紋，甚至炸裂[3，4]。

圖1 輕質(zhì)澆筑料爐襯烘烤溫度-時間曲線

2 烘烤方案

2.1 自有燃燒設(shè)備

襯里烘烤采用的熱源主要有燃料和電能兩種。通常采用自帶的燃燒設(shè)備通過燃燒燃料的方式進(jìn)行烘烤。例如在石油行業(yè)中，利用工藝系統(tǒng)中的燃燒器直接燃燒產(chǎn)生煙氣對驟冷器的輕質(zhì)澆筑襯里進(jìn)行烘烤。

但在該項(xiàng)目中，首先燃燒爐的點(diǎn)火器在燃油工況下只有大火和小火兩種工作模式，小火模式下點(diǎn)火器功率為20～60kW，即使是最小的20kW功率也會使溫升速度過快，無法滿足圖1要求的最小升溫速率(5℃/h)。其次，燃燒爐點(diǎn)火時需要啟動排風(fēng)機(jī)保持爐內(nèi)負(fù)壓，以保證火焰方向朝下，而后續(xù)的噴射洗滌器、高溫氣體過濾器及排風(fēng)機(jī)等工藝設(shè)備耐溫能力有限(最高溫度約350℃)，不能承受烘烤過程中600℃的介質(zhì)溫度。因此，不能直接利用系統(tǒng)中的燃燒爐對驟冷器襯里進(jìn)行烘烤，只能設(shè)計(jì)一套新的獨(dú)立烘烤裝置。

2.2 獨(dú)立烘烤裝置

燃燒器煙氣烘烤方案如圖2所示。采用可調(diào)節(jié)氣量的燃?xì)庑蜔犸L(fēng)爐對鼓風(fēng)機(jī)吸入的空氣進(jìn)行加熱。拆移原工藝系統(tǒng)的驟冷器入口設(shè)備，加工保溫管道將烘烤出口與驟冷器入口相連。取出驟冷器噴嘴并在該處安裝熱電偶，用于檢測烘烤煙氣溫度。將驟冷器出口原工藝管道移除，加工管道直接將煙氣排至室外。經(jīng)驟冷器廠家核實(shí)，在不考慮熱損失的情況下至少需要30kW的燃?xì)夤β什拍軐⒖諝饧訜岬?00℃，雖然成熟的燃?xì)庑蜔犸L(fēng)爐功率較大，但是在室溫至600℃范圍內(nèi)的任意溫度下難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，因此需要采購燃燒器、定制熱風(fēng)爐，采購周期較長。另外，該方案消耗的燃?xì)饬看?，現(xiàn)場需要貯存大量燃?xì)夤?，存在安全風(fēng)險。

圖2 燃燒器煙氣烘烤方案

內(nèi)壁貼片式電加熱烘烤方案中，拆除驟冷器的連接煙道，在驟冷器輕質(zhì)澆注段的內(nèi)表面上附著陶瓷電加熱片，利用電加熱精確控制溫升曲線，達(dá)到烘烤的目的。驟冷器輕質(zhì)澆注段內(nèi)部有兩個大小不同且垂直相交的圓柱體，相交部分為不規(guī)則面。由于澆注段內(nèi)表面空間狹小、施工困難，因此難以保證驟冷器輕質(zhì)澆注段內(nèi)部均勻覆蓋陶瓷電加熱片，進(jìn)而造成內(nèi)表面受熱不均勻，影響烘烤效果。

電加熱棒烘烤方案中，電加熱棒直接深入到驟冷器中，導(dǎo)致輕質(zhì)澆注段內(nèi)表面受熱不均勻，易造成澆注段炸裂、損壞。

電加熱器熱風(fēng)烘烤方案如圖3所示。采用可調(diào)功率式電加熱熱風(fēng)爐對鼓風(fēng)機(jī)吸入的空氣進(jìn)行加熱。加工保溫管道將熱風(fēng)爐出口和驟冷器入口相連。熱風(fēng)爐出口安裝溫度計(jì)用于聯(lián)鎖控制電加熱功率。移除驟冷器出口原工藝管道，加工管道直接將煙氣排至室外。由于該方案采用熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)對驟冷器輕質(zhì)澆注段的烘烤，因此不存在受熱不均的情況。同時，電加熱器的功率控制方式可實(shí)現(xiàn)對空氣介質(zhì)溫度的連續(xù)控制，滿足烘烤溫升曲線關(guān)系。

圖3 電加熱器熱風(fēng)烘烤方案

綜上所述，經(jīng)過對4種烘烤方案的分析比較可知，電加熱器熱風(fēng)烘烤方案原理簡單，各主要設(shè)備成熟，易于實(shí)現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目驟冷器輕質(zhì)澆注段烘烤的最優(yōu)方案。

3 電加熱器熱風(fēng)烘烤方案設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

電加熱器熱風(fēng)烘烤方案控制流程如圖4所示。采用一臺60kW專用管道型電加熱器對驟冷器輕質(zhì)澆注段進(jìn)行烘烤。通過離心風(fēng)機(jī)將空氣送入風(fēng)道電加熱器，風(fēng)道加熱器內(nèi)部設(shè)置電加熱管。離心風(fēng)機(jī)送入的空氣通過帶走電加熱管表面的熱量，達(dá)到加熱的目的。同時，利用溫控柜中的溫度控制器控制電加熱元件的輸出功率，從而控制被加熱的空氣溫度，使之滿足驟冷器烘烤所要求的溫度，達(dá)到對驟冷器烘烤的目的。

圖4 電加熱器熱風(fēng)烘烤方案控制流程

烘烤過程中，空氣介質(zhì)溫度最高達(dá)600℃，而且需連續(xù)保溫24h，可能導(dǎo)致風(fēng)道加熱器頂部動力電纜和信號電纜出口處的溫度過高，從而熔化電纜引起短路。因此，在加熱器電纜出口處需增加軸流風(fēng)機(jī)以增加強(qiáng)制對流通風(fēng)，降低電纜溫度。

由于驟冷器出口空氣溫度將達(dá)到500℃以上，因此需將驟冷器出口原工藝管道移除，將加熱連接段的一端與風(fēng)道加熱器本體相連，另一端與驟冷器的進(jìn)口端通過法蘭相連，將驟冷器出口高溫空氣直接排入大氣。

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 加熱器

根據(jù)驟冷器廠家的計(jì)算并結(jié)合市面上的成熟產(chǎn)品，選用380V(AC)/70kW的風(fēng)道電加熱器和1.1kW的離心風(fēng)機(jī)，以保證足夠的風(fēng)量。

風(fēng)道電加熱器中安裝兩支K型熱電偶，一支TC1(K)用于測量加熱管溫度，并在溫控柜中顯示；另一支TC0(K)用于測量空氣介質(zhì)溫度，同時作為控制電加熱器功率的聯(lián)鎖信號。

3.2.2 溫控柜

溫控柜主要由溫度控制器和可控硅調(diào)功觸發(fā)器組成。

溫度控制器選用人工智能溫度控制器，具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)、參數(shù)自整定[5]和分段功率限制功能，上限、下限、正偏差、負(fù)偏差報警支持繼電器輸出。可按一定時間規(guī)律編寫程序自動設(shè)定定值輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)線性升溫、恒溫、線性降溫、跳轉(zhuǎn)循環(huán)及暫停等功能。精度等級0.2級，分辨率0.1℃，響應(yīng)時間不大于0.3s。本方案采用熱電偶輸入、可控硅觸發(fā)輸出。

如圖5所示，本方案中可控硅調(diào)功觸發(fā)器(智能化三相移相觸發(fā)和周波過零兩用[6])與電加熱器采用三角形三相三線方式控制結(jié)構(gòu)(雙向可控硅電路)，具有電源缺相檢測報警功能。內(nèi)含開關(guān)電源，直接由三相電源中一相220V(AC)供電。輸入信號為來自溫度控制模塊的4～20mA信號。該觸發(fā)器采用智能技術(shù)，對輸入信號與移相角之間的功率關(guān)系進(jìn)行非線性補(bǔ)償[7]，即使不加電流反饋輸入，也能在恒定阻性負(fù)載上實(shí)現(xiàn)線性化功率輸出，即輸出功率與輸入信號成正比，從而提高電阻爐的控制品質(zhì)[8，9]。

圖5 可控硅調(diào)功觸發(fā)器控制原理

4 方案實(shí)施

4.1 安裝與檢查

首先拆除驟冷器前的連接煙道和驟冷器出口的原工藝管道，按照圖4安裝所有設(shè)備，并完成相關(guān)動力電纜和控制電纜的敷設(shè)和端接。驗(yàn)收合格后，進(jìn)行接地和絕緣測試。然后開始上電，檢查各個設(shè)備初始狀態(tài)是否正常。最后點(diǎn)動風(fēng)機(jī)，短時間運(yùn)行電加熱器，確認(rèn)儀表和設(shè)備都正常運(yùn)行。

4.2 溫度控制器設(shè)置

正式開始驟冷器烘烤前，首先需要根據(jù)圖1對溫度控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和程序編排。程序編排采用溫度-時間-溫度格式，表示從當(dāng)前溫度經(jīng)過該段時間后到達(dá)下一溫度。室溫約30℃，根據(jù)圖1中各階段溫升速率和恒溫時間，計(jì)算出的溫度控制器在各階段的程序編排值見表1。

4.3 烘烤與數(shù)據(jù)記錄

溫度控制器設(shè)置完成后，開始烘烤。每隔一小時記錄烘烤過程中的空氣介質(zhì)溫度、加熱管溫度、驟冷器表面溫度和加熱器表面溫度，具體見表2。可以看出，驟冷器表面溫度隨烘烤溫度的升高而緩慢上升，在600℃保溫階段Ⅵ達(dá)到最大值70℃左右，然后在降溫階段Ⅶ開始緩慢降低到室溫。同樣，加熱器表面溫度在600℃保溫階段Ⅵ達(dá)到最大值90℃左右，電加熱器電纜沒有出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。

表1 溫度控制器程序編排值

表2 烘烤過程數(shù)據(jù)

(續(xù)表2)

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，溫度控制器設(shè)置溫度和空氣介質(zhì)溫度與時間的擬合曲線如圖6所示。可以看出，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ溫升階段的速率與溫度設(shè)定值一致，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ恒溫階段也與溫度設(shè)定值相同。Ⅰ、Ⅱ階段和Ⅱ、Ⅲ階段的過渡段平滑但存在一定偏差，這是因?yàn)榧訜崞骶哂袝r間滯后的特點(diǎn)，而且在對線性升溫、降溫和恒溫曲線折點(diǎn)處進(jìn)行曲線擬合、自動平滑化時，會使線性程序升溫產(chǎn)生偏差。咨詢廠家意見后，烘烤降溫階段在保持離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行的情況下自然冷卻，因此介質(zhì)溫度下降速率大于設(shè)定值。

圖6 烘烤過程設(shè)置溫度和空氣介質(zhì)溫度擬合曲線

5 冷卻效果驗(yàn)證

驟冷器烘烤完成后，通過內(nèi)窺鏡查看，確認(rèn)驟冷器輕質(zhì)澆注段烘烤成功。然后恢復(fù)驟冷器前的連接煙道和出口工藝管道。最后在工藝系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行環(huán)境下驗(yàn)證驟冷器冷卻效果。

由于驟冷器噴嘴的作用是在壓空的作用下，根據(jù)驟冷器出口溫度，調(diào)節(jié)去離子水流量，產(chǎn)生的霧化去離子水與流進(jìn)驟冷器內(nèi)的高溫?zé)煹罋饨佑|后瞬間蒸發(fā)，從而快速冷卻煙道氣。因此驟冷器烘烤后，首先根據(jù)噴嘴的霧化效果確定最優(yōu)壓空壓力，完成噴嘴流量調(diào)節(jié)試驗(yàn)。然后投運(yùn)驟冷器后續(xù)的尾氣洗滌和排放系統(tǒng)，啟動燃燒爐點(diǎn)火器，當(dāng)驟冷器前的連接煙道溫度達(dá)到200℃時投運(yùn)噴嘴。驟冷器的實(shí)際冷卻效果如圖7所示。可以看出，啟動點(diǎn)火器后，燃燒爐溫度迅速升高到1 000℃以上，之后燃燒爐溫度維持在1 000～1 100℃，連接煙道的溫度達(dá)到1 000℃，驟冷器出口溫度維持在230～270℃，一、二級噴射洗滌器出口溫度正常，風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常。另外，經(jīng)過現(xiàn)場多次燃燒爐試驗(yàn)，驟冷器內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，驟冷器冷卻能力滿足工藝要求。

圖7 驟冷器冷卻效果實(shí)際界面截圖

6 結(jié)束語

驟冷器是將燃燒后1 000℃的煙道氣迅速冷卻到250℃的重要設(shè)備。因此，驟冷器襯里下部的輕質(zhì)澆注段必須按照溫度-時間曲線進(jìn)行烘烤，除去澆筑材料內(nèi)的游離水和結(jié)晶水后方可投入使用。但由于系統(tǒng)中燃燒爐工作模式和負(fù)壓運(yùn)行環(huán)境的限制，不能利用系統(tǒng)燃燒爐進(jìn)行烘烤，因此只能采用獨(dú)立烘烤裝置——電加熱器熱風(fēng)烘烤方案。經(jīng)過對烘烤實(shí)施過程記錄數(shù)據(jù)的分析和驟冷器實(shí)際冷卻效果的驗(yàn)證，證明了基于智能溫度控制器的線性可控硅功率調(diào)節(jié)電加熱器烘烤方案的正確性。該方案原理簡單，各主要設(shè)備成熟，易于實(shí)現(xiàn)，可為其他輕質(zhì)澆注料爐襯烘烤方案提供一定的參考與借鑒。

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DesignandVerificationofBakingMethodfortheQuenchCastableLiner

SUN Xiao-ling1, HU Bin2, ZHAO Zhao1, XU Kai-jie2

(1.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.; 2.HaiyanQinNuclearNewEnergyDeviceServiceCo.,Ltd.)

Considering the baking of quencher’s light castable liner, the characteristics of baking temperature rise curves were introduced; basing on analyzing and comparing the system-owned baking equipment and the independent baking device, both linear SCR power regulation and intelligent temperature controller-based electric-heater baking system was designed. In the baking process, through having the record of baking data based and the coordinated operation of the process system combined, the cooling effect of this quencher was verified to prove feasibility of this scheme.

quencher, baking scheme for furnace liner, linear SCR power regulation, intelligent temperature controller, baking curve

TQ051.5；TH862+.6

B

1000-3932(2017)08-0757-06

2017-03-06，

2017-03-28)

孫小凌(1983-)，高級工程師，從事核電、核化工儀表與控制系統(tǒng)的調(diào)試工作，xiaoling.sun@163.com。