如何提高密閉電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

馬建鋒

（中國(guó)石化 長(zhǎng)城能源化工（寧夏）有限公司，銀川 750000）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)電石爐主要有開(kāi)放爐、半密閉爐、密閉爐，根據(jù)容量大小分為小型爐、中型爐、大型爐，我國(guó)的分類(lèi)習(xí)慣是：8000kVA 以下的是小型爐；8000kVA ～25000kVA的是中型爐；大于25000kVA 的是大型爐[1]。中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工（寧夏）有限公司首次引進(jìn)德國(guó)西馬克密閉電石爐，其生產(chǎn)容量為81000kVA，采用空心電極技術(shù)，有效利用了原料粉末，降低了電石成本。電石爐在生產(chǎn)過(guò)程中釋放大量的熱量，最高溫度能達(dá)到3500℃，這就需要合理有效的冷卻系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫，通過(guò)冷卻管線(xiàn)負(fù)責(zé)對(duì)電石爐的電極、燒嘴等主要部件進(jìn)行冷卻，介質(zhì)為二級(jí)脫鹽水。電石爐冷卻水防泄漏控制系統(tǒng)是防止和杜絕漏水引起電石爐爆炸所采取的重要手段，并且嚴(yán)格按照安全規(guī)范（EN954-1 以及EN ISO 13849-1）進(jìn)行設(shè)計(jì)，提供安全的檢測(cè)方案，在有泄漏信號(hào)產(chǎn)生時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)及聯(lián)鎖。但由于現(xiàn)場(chǎng)工況等一系列問(wèn)題的影響以及流量計(jì)選型不合理，電石爐自2013 年5 月開(kāi)車(chē)投用后陸續(xù)出現(xiàn)冷卻水防泄漏系統(tǒng)誤報(bào)，或漏水不動(dòng)作等現(xiàn)象，對(duì)電石爐安全穩(wěn)定生產(chǎn)存在重大隱患。因此，只有提高電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)可靠性，才能實(shí)現(xiàn)電石爐長(zhǎng)穩(wěn)優(yōu)運(yùn)行。本文對(duì)幾起冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，影響電石爐生產(chǎn)事件進(jìn)行調(diào)查和原因分析，并且采取了相應(yīng)的解決措施。

1 密閉電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)、流量計(jì)簡(jiǎn)述

1.1 密閉電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)

密閉電石爐是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備，這就決定了它時(shí)刻處在高溫環(huán)境下運(yùn)行。為了保證電石爐長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，循環(huán)冷卻水是不可缺少的輔助物料，作用是對(duì)電極不同部位進(jìn)行冷卻降溫。為了防止冷卻管線(xiàn)中的冷卻水泄漏而引起爆炸等安全隱患，在裝置中增加泄漏檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)非常重要的安全防護(hù)措施，而且方案的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照安全規(guī)范（EN954-1 以及EN ISO 13849-1）執(zhí)行。系統(tǒng)不僅可以提供安全的檢測(cè)方案，還能在有泄漏信號(hào)產(chǎn)生時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1#電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)采用Endress+Hauser GmbH+Co. KG（簡(jiǎn)稱(chēng)E ＋H 公司）自動(dòng)化儀表公司技術(shù)。主要實(shí)現(xiàn)157 個(gè)冷卻水管線(xiàn)的泄漏檢測(cè)。其中140 條管線(xiàn)的進(jìn)口處和出口處分別安裝1 個(gè)流量計(jì)，另外17 條管線(xiàn)只在出口處安裝流量計(jì)。為了對(duì)流量計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，每個(gè)水分配器安裝兩個(gè)溫度計(jì)，每條管線(xiàn)的回流總管處分別加裝1 個(gè)溫度計(jì)（為了確保測(cè)量精度以及安全性，溫度計(jì)不集成在流量計(jì)上）?？刂剖襊LC 系統(tǒng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)儀表（渦街流量計(jì)以及溫度傳感器）的數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷是否有管線(xiàn)泄漏。一旦檢測(cè)到有管線(xiàn)泄漏，即產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警信號(hào)，送到主控制室進(jìn)行聲光報(bào)警器或緊急停車(chē)控制（1#爐運(yùn)行穩(wěn)定），見(jiàn)圖1。

系統(tǒng)主要功能如下：

1）檢測(cè)冷卻管線(xiàn)進(jìn)出口流量以及溫度信息，并送給PLC。

2） PLC 計(jì)算經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的冷卻管線(xiàn)進(jìn)出口的流量，并計(jì)算出進(jìn)出口的流量差值（經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的差值）。

3）如果計(jì)算出的進(jìn)出口流量差值超出了預(yù)先設(shè)定的最大上限，則PLC 產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)給相應(yīng)的報(bào)警裝置（聲光報(bào)警器或緊急停車(chē)系統(tǒng)等）。

4）通過(guò)監(jiān)控電腦實(shí)時(shí)顯示相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

圖1 冷卻水防泄漏控制系統(tǒng)Fig.1 Cooling water leak control system

圖2 小漏水檢測(cè)Fig.2 Small leak detection

圖3 大漏水檢測(cè)Fig.3 Large leak detection

2#～6#電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)157 個(gè)冷卻水管線(xiàn)的泄漏檢測(cè)，出口管線(xiàn)處分別安裝1 個(gè)流量開(kāi)關(guān)進(jìn)行低流量監(jiān)測(cè)（稱(chēng)之為小漏水）見(jiàn)圖2。另外，在5 個(gè)總管的進(jìn)口處和出口處分別安裝1 個(gè)電磁流量計(jì)進(jìn)行流量差監(jiān)測(cè)（稱(chēng)之為大漏水），見(jiàn)圖3。

圖4 渦街流量計(jì)Fig.4 Vortex flow meter

1.2 流量計(jì)

1）由于1#電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)控制方式采取的是支管進(jìn)、出口管線(xiàn)流量差的報(bào)警及聯(lián)鎖，使用的流量計(jì)為渦街流量計(jì)，分別安裝在電石爐冷卻水支路管線(xiàn)的進(jìn)口處和出口處。該渦街流量計(jì)型號(hào)：72F40-SK0AA1AAB0AW；壓力等級(jí)：PN250/Class1500；流體溫度范圍：-200℃～+400℃；公稱(chēng)通徑：DN40；測(cè)量范圍：0 ～60m3/h；精度：0.75 級(jí)；生產(chǎn)廠(chǎng)家：恩德斯豪斯流量?jī)x表技術(shù)有限公司，投用至今運(yùn)行穩(wěn)定，見(jiàn)圖4。

2）而2#～6#電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)控制方式采取的是“大漏水+小漏水”，所謂大漏水是進(jìn)出口總管處流量差監(jiān)測(cè)，通過(guò)電磁流量計(jì)來(lái)測(cè)量。該電磁流量計(jì)型號(hào)：SE325MM；壓力等級(jí)：0.98MPa；流體溫度：80℃；公稱(chēng)通徑：DN250；測(cè)量范圍：0m3/h /～250m3/h；精度：0.5 級(jí)；生產(chǎn)廠(chǎng)家：上海橫河機(jī)電，投用至今運(yùn)行不穩(wěn)定，流量值偏差大且波動(dòng)大。小漏水是支管出口處低流量監(jiān)測(cè)，通過(guò)流量開(kāi)關(guān)來(lái)測(cè)量，該流量開(kāi)關(guān)型號(hào)：DW182/C042/RR/A/K2/DN40；壓力等級(jí)：4.0MPa；流體溫度范圍：常溫；公稱(chēng)通徑：DN40；測(cè)量范圍：0m3/h ～16m3/h；精度：5 級(jí)；生產(chǎn)廠(chǎng)家：KROHNE。投用至今運(yùn)行不穩(wěn)定，流量值偏差大且波動(dòng)大。

2 密閉電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查

2.1 1#電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查

由于1#電石爐和2#～6#電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)控制方式不同，先對(duì)1#電石爐水檢漏控制系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查，自2013 年5 月投用至今該系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，只有極個(gè)別時(shí)候是由于水質(zhì)太臟，將渦街流量計(jì)傳感器部件包裹淤堵，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，通過(guò)反吹或?qū)α髁坑?jì)下線(xiàn)清洗就可以解決。

2.2 2#～6#電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查

2#～6#電石爐自2013 年8 月相繼投用后，冷卻水防泄漏系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)誤報(bào)或?qū)嶋H漏水而不報(bào)警不聯(lián)鎖事件發(fā)生，主要表現(xiàn)為：

1）電石爐水分配器回水總管流量測(cè)量值大于進(jìn)水流量測(cè)量值的情況較多，電磁流量計(jì)在該工況測(cè)量誤差極大，冷卻水實(shí)際漏水時(shí)，不能真實(shí)地進(jìn)行漏水報(bào)警、聯(lián)鎖。

2）流量開(kāi)關(guān)測(cè)量誤差大，內(nèi)部元件永久磁鐵的活塞和彈簧容易被淤泥和雜質(zhì)包裹住，測(cè)量指針在某一個(gè)值不變化。

3 冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定原因分析

通過(guò)對(duì)電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)查，1#爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，2#～6#爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行極不穩(wěn)定，利用電石爐停爐檢修期間對(duì)原因進(jìn)行分析。

3.1 電石爐冷卻水水質(zhì)

由于密閉循環(huán)水管線(xiàn)為碳鋼材質(zhì)，沒(méi)有做襯塑等處理，在該工況下長(zhǎng)時(shí)間使用，容易形成水垢，水垢又稱(chēng)硬垢、水生垢。是一種具有反常溶解度的難溶或微溶的無(wú)機(jī)鹽組成，在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的難溶及微溶鹽類(lèi)有：CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4、MgSiO4、Zn3(PO4)2等。通過(guò)對(duì)循環(huán)冷卻水化驗(yàn)分析（詳見(jiàn)表1），確定長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行管道的銹蝕水質(zhì)濁度變大，導(dǎo)致循環(huán)冷卻脫鹽水指標(biāo)大大降低，影響冷卻降溫效果和儀表流量監(jiān)測(cè)。

3.2 電石爐本體絕緣

按照電石爐技術(shù)要求及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試絕緣值不得低于5 MΩ 方為合格，或用焊機(jī)達(dá)弧光測(cè)試，不以出現(xiàn)明火為檢驗(yàn)合格[2]。但通過(guò)對(duì)電石爐本體絕緣測(cè)試,發(fā)現(xiàn)電石爐絕緣效果不理想，并且電磁流量計(jì)接地電流測(cè)試都在A(yíng)C302 A（詳見(jiàn)表2 表3），甚至有時(shí)還能看到在橋架與鋼結(jié)構(gòu)固定支架處打火燒紅的現(xiàn)象。

3.3 流量計(jì)、流量開(kāi)關(guān)選型

由于水質(zhì)差，爐本體漏電也無(wú)法解決。電磁流量計(jì)的測(cè)量原理就已經(jīng)確定它不適合在強(qiáng)磁場(chǎng)和漏電場(chǎng)合使用，再加上水質(zhì)濁度變大，酸堿度不適對(duì)電磁流量計(jì)傳感器電極污染，內(nèi)襯結(jié)垢導(dǎo)致絕緣性能降低，影響流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度。

對(duì)于機(jī)械式流量開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，鐵銹和其他金屬雜質(zhì)慢慢吸附在流量開(kāi)關(guān)內(nèi)部永久磁鐵的活塞表面，時(shí)間長(zhǎng)了，吸附的金屬雜質(zhì)越來(lái)越多，將永久磁鐵的活塞和彈簧包裹住，縮小了永久磁鐵活塞的活動(dòng)范圍，直接影響了測(cè)量準(zhǔn)確度。說(shuō)明電磁流量計(jì)和流量開(kāi)關(guān)不合適在該工況下使用。

3.4 儀表檢修安裝質(zhì)量

現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)電磁流量計(jì)和流量開(kāi)關(guān)各部件安裝，沒(méi)有缺件，符合儀表安裝規(guī)范；同時(shí)對(duì)電磁流量計(jì)接地線(xiàn)、跨接線(xiàn)進(jìn)行了排查，均符合要求。

表1 循環(huán)水化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of circular water test analysis data

表2 電石爐絕緣監(jiān)測(cè)記錄表Table 2 Wire furnace insulation monitoring record sheet

4 確保冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定解決措施

4.1 工藝水質(zhì)控制措施

1）在循環(huán)水站增加加藥設(shè)施，添加藥劑，已達(dá)到密閉循環(huán)水指標(biāo)要求。

2）利用停爐檢修或大修機(jī)會(huì)對(duì)密閉循環(huán)水逐步進(jìn)行置換，將混濁不合格的循環(huán)水排出，同時(shí)補(bǔ)充新鮮指標(biāo)合格的循環(huán)水。

表3 電磁流量計(jì)接地電流檢測(cè)記錄表Table 3 Electromagnetic flow meter ground current detection record sheet

4.2 流量計(jì)、流量開(kāi)關(guān)選型改進(jìn)措施

4.2.1 流量計(jì)選型改進(jìn)措施的方法對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行修正。計(jì)算時(shí)將差壓變送器輸出的4mA ～20mA 標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)分n 段，用n 個(gè)修正系數(shù)來(lái)修正，使畢托巴流量計(jì)傳感器在全量程范圍內(nèi)保證準(zhǔn)確度。

圖5 風(fēng)調(diào)標(biāo)定曲線(xiàn)圖Fig.5 Wind alignment curve

3）畢托巴傳感器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)不易受磨損、雜質(zhì)的影響，沒(méi)有可以活動(dòng)的部件，一體化結(jié)構(gòu)避免了高、低壓腔室之間的信號(hào)滲漏。

圖6 風(fēng)管模擬實(shí)驗(yàn)圖Fig.6 Wind pipe simulation experiment

4）畢托巴傳感器的設(shè)計(jì)，使其不僅在流量測(cè)量上保持了高精度、高強(qiáng)度和大量程比，還使得管道壓損大大降低。一次測(cè)量元件畢托巴傳感器是由不銹鋼管制成，其截面積很小在介質(zhì)管道中壓力損失很小，幾乎無(wú)壓力損失，使運(yùn)行成本大大減小，與長(zhǎng)徑噴嘴、孔板、機(jī)翼等節(jié)流流量測(cè)量裝置相比較，具有明顯的節(jié)能效果。

5）對(duì)直管段要求很低，最低為前2D 后1D；能夠保證安裝的確定性，特別在測(cè)量管道易結(jié)垢的介質(zhì)時(shí)，不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。畢托巴流量計(jì)的可靠性、精度等級(jí)高（液體一般為0.5 級(jí)），重復(fù)性好。

6）畢托巴傳感器以背靠背防堵式設(shè)計(jì)，徹底擺脫了插入式流量探頭易堵塞的弊端，傳感器的取壓孔分別為總壓取壓孔、靜壓取壓孔；其次畢托巴傳感器在安裝上也達(dá)到了理想的防堵效果，將畢托巴傳感器自上向下插入管道中心區(qū)[4]，探頭前部形成高壓區(qū)，在高壓區(qū)處形成不規(guī)則渦流，粉塵受自身重力作用自然下落，阻止了顆粒進(jìn)入；實(shí)踐證明，防堵型畢托巴傳感器達(dá)到了理想的防堵性能和穩(wěn)定的取壓功能，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，精確度高。

7）該結(jié)構(gòu)是由軟填料裝置、在線(xiàn)維護(hù)連接裝置系統(tǒng)等零部件組成。它的優(yōu)點(diǎn)是可在線(xiàn)裝卸，如果堵塞，可方便取出傳感器進(jìn)行疏通處理。

8）傳感器配備反吹裝置。傳感器一旦堵塞，可通過(guò)連接反吹源進(jìn)行反吹，因?yàn)閭鞲衅鞑捎靡粚?duì)孔取壓。只要疏通就能把取壓孔完全疏通，并保證計(jì)量的穩(wěn)定準(zhǔn)確。

9）為了達(dá)到儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性，消除信號(hào)傳輸滯后，在控制系統(tǒng)程序上做順延累計(jì)平均值和濾波偏置消除峰值造成的波動(dòng)，有效提高了流量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

4.2.2 流量開(kāi)關(guān)選型改進(jìn)措施

2017 年對(duì)流量開(kāi)關(guān)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，對(duì)流量開(kāi)關(guān)重新選型試用，選擇平板彈性體和霍爾傳感器原理靶式流量開(kāi)關(guān)。型號(hào)：MF3F/DN40/M5K2/CLG 和TGF0040FC-18T 靶式流量開(kāi)關(guān)，具體措施是：法蘭安裝與DW18 原流量開(kāi)關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)配合，輸出信號(hào)與SIEMENS S7-300 卡件兼容，采用不銹鋼平板彈性體和霍爾傳感器，內(nèi)置單片機(jī)，LCD 液晶顯示流體流量，兩路2 線(xiàn)電流輸出型電子開(kāi)關(guān)，通過(guò)按鍵設(shè)置報(bào)警點(diǎn)，報(bào)警點(diǎn)邏輯可以設(shè)置為上上限、上限、下限和下下限4 種邏輯。觀(guān)察治理后的流量開(kāi)關(guān)線(xiàn)性良好，輸出穩(wěn)定；離線(xiàn)檢查流量開(kāi)關(guān)表體干凈，未見(jiàn)雜質(zhì)淤泥包裹，達(dá)到自清潔目的。流量開(kāi)關(guān)具備以下功能特性：采用霍爾傳感器，抗電磁干擾強(qiáng)。

圖7 畢托巴流量計(jì)示意圖Fig.7 Bittoba flow meter schema

流量指示精度在原設(shè)計(jì)精度±15%提高到±2.5%。報(bào)警設(shè)定點(diǎn)在原設(shè)計(jì)精度±5%提高到±1.5%。檢測(cè)元件具備防腐、防堵、自清潔功能。變送器智能化，微功耗條件下具有足夠的靈敏度和穩(wěn)定性。零點(diǎn)可自動(dòng)標(biāo)定，報(bào)警值可在量程范圍內(nèi)組態(tài)設(shè)定。靶式結(jié)構(gòu)具備掛碼標(biāo)定功能，可離線(xiàn)標(biāo)定線(xiàn)性和精度，具備耐振型、抗過(guò)載、長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

4.3 重新選型安裝后運(yùn)行效果

自2018 年5 月技術(shù)改造后至今，從現(xiàn)場(chǎng)歷史趨勢(shì)分析穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性達(dá)到了96%以上（本公司要求儀表四率≥95%）。試運(yùn)行后，畢托巴流量計(jì)及智能流量開(kāi)關(guān)能夠有效避免因電磁干擾、管道震動(dòng)、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等因素影響流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，保證了冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，杜絕了因冷卻水防泄漏系統(tǒng)誤動(dòng)作，而導(dǎo)致電石爐非停事件發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的原因進(jìn)行分析，從電石爐本體安裝絕緣性能上、工藝水質(zhì)、儀表選型、儀表安裝規(guī)范，有針對(duì)性地逐一提出了問(wèn)題所在點(diǎn)，并且采取一系列行之有效的解決措施，讓電石爐冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行逐步穩(wěn)定。如果將以上提出的措施在實(shí)際生產(chǎn)工作中逐一實(shí)施解決，就會(huì)有效提高冷卻水防泄漏系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，避免電石爐非計(jì)劃停車(chē)和爆炸事件發(fā)生，提高了裝置長(zhǎng)周期安全可靠運(yùn)行，為企業(yè)的安全文明生產(chǎn)提供了有力保障。