驟冷器澆注段烘烤方案的設計與驗證①

孫小凌 胡 彬 趙 召 徐凱杰

(1.中國核電工程有限公司；2.海鹽秦核新能設備檢修有限公司)

驟冷器澆注段烘烤方案的設計與驗證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.海鹽秦核新能設備檢修有限公司)

針對驟冷器襯里輕質澆注段的烘烤問題，介紹了烘烤溫升曲線特性，在分析比較系統自有烘烤設備和獨立烘烤裝置的烘烤方案后，設計了一種基于智能溫度控制器和線性可控硅功率調節的電加熱器烘烤方案。烘烤方案實施過程中，根據烘烤數據記錄，結合工藝系統的實際聯動運行，驗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 線性可控硅功率調節 智能溫度控制器 烘烤曲線

某化工項目中，有機廢液被輸送到500℃的熱解爐中，在攪拌作用下受熱汽化進而發生分解、中和反應。反應生成的熱解氣通過熱解爐中的金屬高溫過濾器進入燃燒爐，完全燃燒生成煙道氣后在驟冷器中進行驟冷，然后經過噴射洗滌器冷卻凈化和高效氣體過濾器過濾后，自羅茨排風機排至室外煙囪。該工藝過程中，離開燃燒爐的煙道氣溫度在850～1 000℃之間，進入驟冷器后，在驟冷器內與被霧化的去離子水接觸，水分蒸發進而使煙道氣被快速冷卻到250℃，因此驟冷器是高溫煙道氣迅速降溫的重要設備。

驟冷器底部澆注段在施工完成后必須進行烘烤，以除去澆筑材料內的游離水和結晶水，方可投入正常使用；否則過快的升溫速度會造成澆注段內的水分快速向外蒸發，造成澆注段產生裂紋，使澆注段隔熱效果大幅降低，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。驟冷器的襯里結構分為兩部分：1 290mm以下為隔熱輕質澆筑料(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，內套鋼桶以防止霧化水滴直接接觸纖維毯。

驟冷器隔熱輕質澆注段厚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，以免受熱不均，影響烘烤效果。如果溫升速度過快，澆注段可能會產生裂紋，甚至炸裂[3，4]。

圖1 輕質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備通過燃燒燃料的方式進行烘烤。例如在石油行業中，利用工藝系統中的燃燒器直接燃燒產生煙氣對驟冷器的輕質澆筑襯里進行烘烤。

但在該項目中，首先燃燒爐的點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，燃燒爐點火時需要啟動排風機保持爐內負壓，以保證火焰方向朝下，而后續的噴射洗滌器、高溫氣體過濾器及排風機等工藝設備耐溫能力有限(最高溫度約350℃)，不能承受烘烤過程中600℃的介質溫度。因此，不能直接利用系統中的燃燒爐對驟冷器襯里進行烘烤，只能設計一套新的獨立烘烤裝置。

2.2 獨立烘烤裝置

燃燒器煙氣烘烤方案如圖2所示。采用可調節氣量的燃氣型熱風爐對鼓風機吸入的空氣進行加熱。拆移原工藝系統的驟冷器入口設備，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。經驟冷器廠家核實，在不考慮熱損失的情況下至少需要30kW的燃氣功率才能將空氣加熱到600℃，雖然成熟的燃氣型熱風爐功率較大，但是在室溫至600℃范圍內的任意溫度下難以實現穩定控制，因此需要采購燃燒器、定制熱風爐，采購周期較長。另外，該方案消耗的燃氣量大，現場需要貯存大量燃氣罐，存在安全風險。

圖2 燃燒器煙氣烘烤方案

內壁貼片式電加熱烘烤方案中，拆除驟冷器的連接煙道，在驟冷器輕質澆注段的內表面上附著陶瓷電加熱片，利用電加熱精確控制溫升曲線，達到烘烤的目的。驟冷器輕質澆注段內部有兩個大小不同且垂直相交的圓柱體，相交部分為不規則面。由于澆注段內表面空間狹小、施工困難，因此難以保證驟冷器輕質澆注段內部均勻覆蓋陶瓷電加熱片，進而造成內表面受熱不均勻，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，導致輕質澆注段內表面受熱不均勻，易造成澆注段炸裂、損壞。

電加熱器熱風烘烤方案如圖3所示。采用可調功率式電加熱熱風爐對鼓風機吸入的空氣進行加熱。加工保溫管道將熱風爐出口和驟冷器入口相連。熱風爐出口安裝溫度計用于聯鎖控制電加熱功率。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實現對驟冷器輕質澆注段的烘烤，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現對空氣介質溫度的連續控制，滿足烘烤溫升曲線關系。

圖3 電加熱器熱風烘烤方案

綜上所述，經過對4種烘烤方案的分析比較可知，電加熱器熱風烘烤方案原理簡單，各主要設備成熟，易于實現，是實現該項目驟冷器輕質澆注段烘烤的最優方案。

3 電加熱器熱風烘烤方案設計

3.1 整體設計

電加熱器熱風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澆注段進行烘烤。通過離心風機將空氣送入風道電加熱器，風道加熱器內部設置電加熱管。離心風機送入的空氣通過帶走電加熱管表面的熱量，達到加熱的目的。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，達到對驟冷器烘烤的目的。

圖4 電加熱器熱風烘烤方案控制流程

烘烤過程中，空氣介質溫度最高達600℃，而且需連續保溫24h，可能導致風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機以增加強制對流通風，降低電纜溫度。

由于驟冷器出口空氣溫度將達到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道加熱器本體相連，另一端與驟冷器的進口端通過法蘭相連，將驟冷器出口高溫空氣直接排入大氣。

3.2 詳細設計

3.2.1 加熱器

根據驟冷器廠家的計算并結合市面上的成熟產品，選用380V(AC)/70kW的風道電加熱器和1.1kW的離心風機，以保證足夠的風量。

風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)用于測量空氣介質溫度，同時作為控制電加熱器功率的聯鎖信號。

3.2.2 溫控柜

溫控柜主要由溫度控制器和可控硅調功觸發器組成。

溫度控制器選用人工智能溫度控制器，具有模糊邏輯PID調節、參數自整定[5]和分段功率限制功能，上限、下限、正偏差、負偏差報警支持繼電器輸出?？砂匆欢〞r間規律編寫程序自動設定定值輸出控制信號，實現線性升溫、恒溫、線性降溫、跳轉循環及暫停等功能。精度等級0.2級，分辨率0.1℃，響應時間不大于0.3s。本方案采用熱電偶輸入、可控硅觸發輸出。

如圖5所示，本方案中可控硅調功觸發器(智能化三相移相觸發和周波過零兩用[6])與電加熱器采用三角形三相三線方式控制結構(雙向可控硅電路)，具有電源缺相檢測報警功能。內含開關電源，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。該觸發器采用智能技術，對輸入信號與移相角之間的功率關系進行非線性補償[7]，即使不加電流反饋輸入，也能在恒定阻性負載上實現線性化功率輸出，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[8，9]。

圖5 可控硅調功觸發器控制原理

4 方案實施

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安裝所有設備，并完成相關動力電纜和控制電纜的敷設和端接。驗收合格后，進行接地和絕緣測試。然后開始上電，檢查各個設備初始狀態是否正常。最后點動風機，短時間運行電加熱器，確認儀表和設備都正常運行。

4.2 溫度控制器設置

正式開始驟冷器烘烤前，首先需要根據圖1對溫度控制器進行參數設置和程序編排。程序編排采用溫度-時間-溫度格式，表示從當前溫度經過該段時間后到達下一溫度。室溫約30℃，根據圖1中各階段溫升速率和恒溫時間，計算出的溫度控制器在各階段的程序編排值見表1。

4.3 烘烤與數據記錄

溫度控制器設置完成后，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?？梢钥闯觯E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達到最大值90℃左右，電加熱器電纜沒有出現熔化現象。

表1 溫度控制器程序編排值

表2 烘烤過程數據

(續表2)

根據表2的數據，溫度控制器設置溫度和空氣介質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定值一致，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ恒溫階段也與溫度設定值相同。Ⅰ、Ⅱ階段和Ⅱ、Ⅲ階段的過渡段平滑但存在一定偏差，這是因為加熱器具有時間滯后的特點，而且在對線性升溫、降溫和恒溫曲線折點處進行曲線擬合、自動平滑化時，會使線性程序升溫產生偏差。咨詢廠家意見后，烘烤降溫階段在保持離心風機運行的情況下自然冷卻，因此介質溫度下降速率大于設定值。

圖6 烘烤過程設置溫度和空氣介質溫度擬合曲線

5 冷卻效果驗證

驟冷器烘烤完成后，通過內窺鏡查看，確認驟冷器輕質澆注段烘烤成功。然后恢復驟冷器前的連接煙道和出口工藝管道。最后在工藝系統真實運行環境下驗證驟冷器冷卻效果。

由于驟冷器噴嘴的作用是在壓空的作用下，根據驟冷器出口溫度，調節去離子水流量，產生的霧化去離子水與流進驟冷器內的高溫煙道氣接觸后瞬間蒸發，從而快速冷卻煙道氣。因此驟冷器烘烤后，首先根據噴嘴的霧化效果確定最優壓空壓力，完成噴嘴流量調節試驗。然后投運驟冷器后續的尾氣洗滌和排放系統，啟動燃燒爐點火器，當驟冷器前的連接煙道溫度達到200℃時投運噴嘴。驟冷器的實際冷卻效果如圖7所示?？梢钥闯?，啟動點火器后，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，風機運行正常。另外，經過現場多次燃燒爐試驗，驟冷器內外表面結構穩定，驟冷器冷卻能力滿足工藝要求。

圖7 驟冷器冷卻效果實際界面截圖

6 結束語

驟冷器是將燃燒后1 000℃的煙道氣迅速冷卻到250℃的重要設備。因此，驟冷器襯里下部的輕質澆注段必須按照溫度-時間曲線進行烘烤，除去澆筑材料內的游離水和結晶水后方可投入使用。但由于系統中燃燒爐工作模式和負壓運行環境的限制，不能利用系統燃燒爐進行烘烤，因此只能采用獨立烘烤裝置——電加熱器熱風烘烤方案。經過對烘烤實施過程記錄數據的分析和驟冷器實際冷卻效果的驗證，證明了基于智能溫度控制器的線性可控硅功率調節電加熱器烘烤方案的正確性。該方案原理簡單，各主要設備成熟，易于實現，可為其他輕質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的調試工作，xiaoling.sun@163.com。