多功能除塵裝置電伴熱系統(tǒng)損壞原因分析及優(yōu)化改造

史濤濤,何光虎

(青海云天化國際化肥有限公司, 青海西寧 811600)

1 概況

青海云天化國際化肥有限公司年產(chǎn)20萬t多功能磷肥裝置于2013年5月建成并投產(chǎn)。近年來,由于環(huán)保排放不能滿足新的要求,在2018年7月啟動除塵裝置改造項目用于粉塵治理。2018年10月除塵裝置建成投用開始試運行,其間故障頻發(fā),無法滿足設(shè)計要求而暫時停用。2019年5月對袋式除塵器內(nèi)件、氣力輸灰系統(tǒng)及倉泵進料閥進行了二次改造,同時對輸灰管、倉泵、儲氣罐、灰斗進行保溫,并采用電伴熱進行溫度維持,使物料維持溫度在設(shè)計值(70 ℃)。伴熱帶采用MI礦物絕緣電伴熱帶。改造后除塵裝置于2019年6月投用,投運初期電伴熱系統(tǒng)運行正常,滿足使用要求。但隨著氣力輸灰管線及倉泵進料閥頻繁卡堵,輸灰系統(tǒng)經(jīng)常被物料堵塞,每次清理及檢修時拆除保溫,并對管壁、倉壁進行敲擊,造成電伴熱管多處損壞斷裂,電伴熱系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)無法投運。MI礦物絕緣電伴熱帶損壞情況見圖1。

圖1 MI礦物絕緣電伴熱帶損壞情況

2 電伴熱損壞原因分析

2.1 設(shè)計與選型

MI礦物絕緣電伴熱帶以金屬作為外護套,填充線芯及高溫礦物絕緣材料。MI礦物絕緣電伴熱帶具有耐高溫(最高維持溫度可高達500 ℃)、防水、防爆、機械強度高等優(yōu)點,但其缺點是由于金屬作為外護套,剪切及封口比較麻煩,伴熱帶一旦斷裂無法進行修復(fù)或中間續(xù)接,且礦物絕緣填充料對彎曲半徑有嚴格要求,不適合現(xiàn)場灰斗錐形體纏繞使用,多次彎曲變形后將降低其安全可靠性。

2.2 安裝及施工

現(xiàn)場灰斗、倉泵屬于不規(guī)則形體,安裝前未采取金屬網(wǎng)固定支架,直接采取纏繞形式。這導(dǎo)致伴熱帶出現(xiàn)重疊、交叉、局部彎折角度過大,造成局部過熱。由于伴熱帶采用金屬外護套,電源接入點未采用專用封口接線盒,而采用普通接線盒導(dǎo)致電源接頭處腐蝕,局部發(fā)熱燒毀。

2.3 后期檢維護清理

從伴熱帶多處斷裂情況來看,斷裂多為硬物砸斷(見圖2)。由于除塵系統(tǒng)倉泵進料閥故障及氣力管線輸灰能力不足不能及時送走物料,導(dǎo)致下料不暢。每次停車檢修清理需拆除管道連接處進行人工清理,在清理時局部拆除倉泵及灰斗外保溫層進行敲擊或隔著外保溫層進行敲擊,電伴熱帶被砸斷、砸傷。外保溫層局部拆除后,保溫層防水性能被破壞,保溫材料進水使得電伴熱帶長時間在低溫或潮濕狀態(tài)下以較大功率輸出,造成維持溫度衰減,加上物料返潮具有腐蝕性更加劇了伴熱帶被砸部位以及接線盒與伴熱帶封口處發(fā)生短路的概率。

圖2 MI礦物絕緣電伴熱帶斷裂

3 電伴熱系統(tǒng)優(yōu)化改造

3.1 選型計算條件確認

電伴熱系統(tǒng)選型計算必須對相關(guān)工藝參數(shù)及條件進行收集及整理,具體如下:

(1) 收集被伴熱體的外形尺寸及材質(zhì),如管線的直徑、長度,罐體的形狀尺寸等。

(2) 當?shù)氐淖罡攮h(huán)境溫度及最低環(huán)境溫度。

(3) 被伴熱體需要維持的溫度。

(4) 保溫材料的品種及厚度。

(5) 現(xiàn)場安裝環(huán)境,如防爆、腐蝕等。

該電伴熱系統(tǒng)管道材質(zhì)為Q235,其他計算參數(shù)見表1。

表1 電伴熱計算參數(shù)

3.2 熱損計算

多功能除塵裝置包含2個灰斗、2個倉泵、1條輸灰管及1個空氣儲罐。單位熱損計算參照輸灰管規(guī)格進行[1-2]。根據(jù)GB/T 19518.2-2017 《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 電阻式伴熱器 第2部分:設(shè)計、安裝和維護指南》,理論熱損Q1的計算式為:

(1)

實際熱損Q2的計算式為:

Q2=Q1×C1×C2

(2)

式中:E為安全系數(shù)(直徑≤150 mm的管道E取1.5;直徑>150～320 mm的管道E取1.4;直徑≥320 mm的管道E取1.3);K為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Δt為介質(zhì)維持溫度與最低計算氣溫的溫差,K;D為管道外徑,mm;δ為保溫材料的厚度,mm;C1為管道材料修正系數(shù)(不銹鋼取0.9,碳鋼取1);C2為環(huán)境條件修正系數(shù),取1.2。

根據(jù)以上計算公式可得單位輸灰管道的實際熱損失為52 W/m。電伴熱帶長度根據(jù)灰斗、倉泵、空氣儲罐面積及表面圈層纏繞間距確定,并且考慮10%的余量。電伴熱計算書見表2。

表2 電伴熱計算書

表3 瀝水前后爐渣含水質(zhì)量分數(shù)

3.3 伴熱帶選型

3.3.1 恒功率伴熱帶

電伴熱帶除上述MI礦物絕緣電伴熱帶外,目前主流的還有恒功率伴熱帶及自限溫電伴熱帶2種。恒功率電伴熱帶采用合金加熱絲,輸出功率恒定,不會隨外界環(huán)境、保溫材料、介質(zhì)而變化。恒功率電伴熱帶結(jié)構(gòu)見圖3:2根相互平行的鍍鎳銅絞線包覆在氟化物絕熱層中,作為電源母線,并且在內(nèi)絕熱層外纏繞鎳鉻合金電熱絲,每隔一段固定距離即將電熱絲進行焊接,形成一個連續(xù)的并聯(lián)電阻,當電源銅母線通電以后,各并聯(lián)電阻隨之發(fā)熱,即形成一個連續(xù)發(fā)熱的電熱帶,可任意剪切,單位長度熱量恒定。恒功率電伴熱帶在安裝纏繞時不能交叉重疊,以免局部高溫。并聯(lián)恒功率電伴熱帶適用于溫度要求高和防爆區(qū)域的大型罐體和管道。

圖3 恒功率伴熱帶結(jié)構(gòu)

3.3.2 自限溫伴熱帶

自限溫伴熱帶主要由高分子導(dǎo)電復(fù)合材料(半晶態(tài)聚合物和導(dǎo)電碳黑)經(jīng)擠制工藝成型為扁平狀電熱帶,經(jīng)化學(xué)或物理鉸鏈處理呈帶狀。自限溫伴熱帶結(jié)構(gòu)見圖4。由極明顯的正溫度電阻系數(shù)(PTC)的效應(yīng)產(chǎn)生其功率隨溫度變化而變化的結(jié)果:環(huán)境溫度降低時功率輸出隨之增加;環(huán)境溫度升高時功率輸出隨之減少。當伴熱帶周圍的溫度降低時,導(dǎo)電塑料產(chǎn)生微分子的收縮而使碳粒連接形成電路,電流經(jīng)過這些電路,使伴熱帶發(fā)熱;當溫度升高時,導(dǎo)電塑料產(chǎn)生微分子的膨脹,碳粒漸漸分開,引起電路中斷,電阻上升,伴熱帶自動減少功率輸出。在設(shè)計的穩(wěn)定溫度下,自動產(chǎn)生目標溫度敷設(shè)在管道上伴熱,不論管道季節(jié)、晝夜的局部溫度復(fù)雜變化,都能使管道恒溫。自限溫伴熱帶是利用 PTC 調(diào)功功能來實現(xiàn)的,發(fā)熱元件既是電致熱元件又是測溫元件,也是調(diào)功執(zhí)行元件。 由電伴熱帶的結(jié)構(gòu)和原理可知,電伴熱帶的長度可根據(jù)所需的發(fā)熱量而任意切割。伴熱帶的長度增加,相當于2根電源線之間的負載增加;長度減少,相當于2根電源線之間的負載減少。電伴熱帶的兩端導(dǎo)線不能短接,并且在電伴熱帶交叉重疊時,不影響其工作性能,它可以根據(jù)溫度自動地調(diào)節(jié)放熱量[3-4]。

圖4 自限溫伴熱帶結(jié)構(gòu)

由于多功能除塵裝置伴熱屬于中溫維持型,且灰斗、空氣儲罐、倉泵大多為不規(guī)則形體,從安裝的便利性、經(jīng)濟性考慮選擇自限溫伴熱帶。

根據(jù)熱損失計算結(jié)果,電伴熱帶在維持溫度下輸出功率不低于熱損失。但由于自限溫伴熱帶隨周圍溫度變化,日常所說的額定輸出功率是在其10 ℃下的輸出功率,維持溫度高于10 ℃,伴熱帶輸出功率將低于額定輸出功率。圖5為4款美國瑞侃自限溫伴熱帶的放熱(熱損失)曲線。根據(jù)熱損失計算值并對照放熱曲線選擇伴熱帶規(guī)格為20KTV-2,查詢其選型手冊可知其額定伴熱功率為64 W/m,滿足使用要求。

圖5 自限溫伴熱帶放熱曲線

3.4 電伴熱系統(tǒng)安裝施工及控制要求

3.4.1 輸灰管

自限溫伴熱帶平行安裝,將自限溫電熱帶沿管道長度方向平行敷設(shè)在管壁下側(cè)表面,即按1∶1進行安裝。遇到管道法蘭連接處自限溫電熱帶首端接電源接線盒,尾端接防爆尾端接線盒。在電伴熱帶的排線過程中,每隔 30～50 cm沿管道圓周方向扎1道玻璃壓敏膠帶,使電熱帶緊粘在管道表面;每個防爆電源接線盒用 2 道不銹鋼卡箍固定在管道表面(見圖6)。

圖6 輸灰管伴熱帶安裝示意圖

3.4.2 灰斗及倉泵

灰斗及倉泵、儲氣罐采用纏繞敷設(shè),上下圈層纏繞間距為100 mm。由于除塵系統(tǒng)1#、2#灰斗表面垂直分布加強筋板,為使伴熱帶緊貼灰斗表面安裝,采取在筋板等間距開孔電伴熱帶應(yīng)緊貼灰斗及儲罐表面,用鋁箔膠帶順著電伴熱帶纏繞方向粘貼固定,增大散熱面,有利于熱傳導(dǎo)?；叶钒闊釒О惭b見圖7。

圖7 灰斗伴熱帶安裝圖

3.4.3 固定敲擊點

鑒于前期電伴熱損壞主要是由人工清理時機械敲擊造成的,因此在灰斗四周、倉泵設(shè)置固定敲擊點(見圖8),避免物料清理敲擊損壞伴熱帶。

圖8 灰斗固定敲擊點

3.4.4 溫控要求

為保證除塵裝置物料的維持溫度,設(shè)置溫度控制,在每條回路安裝PT100測溫探頭,信號傳至現(xiàn)場控制箱溫控表(見圖9),溫度設(shè)定值為維持溫度70 ℃,回差值為±5 K。

圖9 現(xiàn)場溫控箱

4 安裝施工注意事項

電伴熱帶在完成前期的選型與設(shè)計后,安裝也是極其重要的環(huán)節(jié),安裝的質(zhì)量將直接影響電伴熱后期的穩(wěn)定運行及日常檢維護。安裝時應(yīng)注意以下5點:

(1) 電伴熱安裝時,不允許在地面上拖拉,以免被鋒銳物損壞。不允許與高溫物體接觸,現(xiàn)場施工防止電焊熔渣濺落在伴熱帶上。

(2) 伴熱帶應(yīng)與被伴熱管道緊貼,以提高伴熱效率。在管道首端及尾端應(yīng)預(yù)留0.5 m伴熱帶。

(3) 保溫材料應(yīng)干燥。潮濕的保溫材料會影響伴熱效率,腐蝕伴熱電纜,降低其使用壽命。

(4) 外做保溫層時注意鉆頭長度不能太長,不能超過保溫層厚度,以防將電熱帶的絕緣層鉆穿。

(5) 伴熱系統(tǒng)施工完畢,應(yīng)在管道的外保溫層做出明顯的保溫伴熱警示標志,并標注接線盒及測溫元件的安裝位置,避免后期運行過程中伴熱帶及相關(guān)附件受外力撞擊損壞。

5 結(jié)語

多功能除塵裝置電伴熱系統(tǒng)優(yōu)化改造后已運行0.5 a,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,滿足使用要求,達到預(yù)期效果。通過此次改造,合理的設(shè)計選型、規(guī)范的安裝施工及得當?shù)暮笃诰S護是保證電伴熱系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素。