骤冷器浇注段烘烤方案的设计与验证①

孙小凌 胡 彬 赵 召 徐凯杰

(1.中国核电工程有限公司；2.海盐秦核新能设备检修有限公司)

骤冷器浇注段烘烤方案的设计与验证①

孙小凌1胡 彬2赵 召1徐凯杰2

(1.中国核电工程有限公司；2.海盐秦核新能设备检修有限公司)

针对骤冷器衬里轻质浇注段的烘烤问题，介绍了烘烤温升曲线特性，在分析比较系统自有烘烤设备和独立烘烤装置的烘烤方案后，设计了一种基于智能温度控制器和线性可控硅功率调节的电加热器烘烤方案。烘烤方案实施过程中，根据烘烤数据记录，结合工艺系统的实际联动运行，验证了骤冷器的冷却效果，证明了该方案的可行性。

骤冷器 炉衬烘烤方案 线性可控硅功率调节 智能温度控制器 烘烤曲线

某化工项目中，有机废液被输送到500℃的热解炉中，在搅拌作用下受热汽化进而发生分解、中和反应。反应生成的热解气通过热解炉中的金属高温过滤器进入燃烧炉，完全燃烧生成烟道气后在骤冷器中进行骤冷，然后经过喷射洗涤器冷却净化和高效气体过滤器过滤后，自罗茨排风机排至室外烟囱。该工艺过程中，离开燃烧炉的烟道气温度在850～1 000℃之间，进入骤冷器后，在骤冷器内与被雾化的去离子水接触，水分蒸发进而使烟道气被快速冷却到250℃，因此骤冷器是高温烟道气迅速降温的重要设备。

骤冷器底部浇注段在施工完成后必须进行烘烤，以除去浇筑材料内的游离水和结晶水，方可投入正常使用；否则过快的升温速度会造成浇注段内的水分快速向外蒸发，造成浇注段产生裂纹，使浇注段隔热效果大幅降低，影响使用寿命[1，2]。

1 烘烤曲线

直通立式骤冷器由壳体(碳钢和耐火隔热材料)、喷嘴、气体入口及气体出口等部分组成。骤冷器的衬里结构分为两部分：1 290mm以下为隔热轻质浇筑料(热面层为150mm的耐火浇筑料，冷面层为50mm的纤维板)，具备短时间直接接触水的能力；1 290mm以上为3层50mm厚的隔热高纯纤维毯，内套钢桶以防止雾化水滴直接接触纤维毯。

骤冷器隔热轻质浇注段厚200mm，因此烘烤过程温升速度必须缓慢(图1)，以保证浇注段热面层和冷面层有充分时间传递热量。浇注段内表面、热面层和冷面层的温差小，能够保证水分缓慢、均匀蒸发，以免受热不均，影响烘烤效果。如果温升速度过快，浇注段可能会产生裂纹，甚至炸裂[3，4]。

图1 轻质浇筑料炉衬烘烤温度-时间曲线

2 烘烤方案

2.1 自有燃烧设备

衬里烘烤采用的热源主要有燃料和电能两种。通常采用自带的燃烧设备通过燃烧燃料的方式进行烘烤。例如在石油行业中，利用工艺系统中的燃烧器直接燃烧产生烟气对骤冷器的轻质浇筑衬里进行烘烤。

但在该项目中，首先燃烧炉的点火器在燃油工况下只有大火和小火两种工作模式，小火模式下点火器功率为20～60kW，即使是最小的20kW功率也会使温升速度过快，无法满足图1要求的最小升温速率(5℃/h)。其次，燃烧炉点火时需要启动排风机保持炉内负压，以保证火焰方向朝下，而后续的喷射洗涤器、高温气体过滤器及排风机等工艺设备耐温能力有限(最高温度约350℃)，不能承受烘烤过程中600℃的介质温度。因此，不能直接利用系统中的燃烧炉对骤冷器衬里进行烘烤，只能设计一套新的独立烘烤装置。

2.2 独立烘烤装置

燃烧器烟气烘烤方案如图2所示。采用可调节气量的燃气型热风炉对鼓风机吸入的空气进行加热。拆移原工艺系统的骤冷器入口设备，加工保温管道将烘烤出口与骤冷器入口相连。取出骤冷器喷嘴并在该处安装热电偶，用于检测烘烤烟气温度。将骤冷器出口原工艺管道移除，加工管道直接将烟气排至室外。经骤冷器厂家核实，在不考虑热损失的情况下至少需要30kW的燃气功率才能将空气加热到600℃，虽然成熟的燃气型热风炉功率较大，但是在室温至600℃范围内的任意温度下难以实现稳定控制，因此需要采购燃烧器、定制热风炉，采购周期较长。另外，该方案消耗的燃气量大，现场需要贮存大量燃气罐，存在安全风险。

图2 燃烧器烟气烘烤方案

内壁贴片式电加热烘烤方案中，拆除骤冷器的连接烟道，在骤冷器轻质浇注段的内表面上附着陶瓷电加热片，利用电加热精确控制温升曲线，达到烘烤的目的。骤冷器轻质浇注段内部有两个大小不同且垂直相交的圆柱体，相交部分为不规则面。由于浇注段内表面空间狭小、施工困难，因此难以保证骤冷器轻质浇注段内部均匀覆盖陶瓷电加热片，进而造成内表面受热不均匀，影响烘烤效果。

电加热棒烘烤方案中，电加热棒直接深入到骤冷器中，导致轻质浇注段内表面受热不均匀，易造成浇注段炸裂、损坏。

电加热器热风烘烤方案如图3所示。采用可调功率式电加热热风炉对鼓风机吸入的空气进行加热。加工保温管道将热风炉出口和骤冷器入口相连。热风炉出口安装温度计用于联锁控制电加热功率。移除骤冷器出口原工艺管道，加工管道直接将烟气排至室外。由于该方案采用热风实现对骤冷器轻质浇注段的烘烤，因此不存在受热不均的情况。同时，电加热器的功率控制方式可实现对空气介质温度的连续控制，满足烘烤温升曲线关系。

图3 电加热器热风烘烤方案

综上所述，经过对4种烘烤方案的分析比较可知，电加热器热风烘烤方案原理简单，各主要设备成熟，易于实现，是实现该项目骤冷器轻质浇注段烘烤的最优方案。

3 电加热器热风烘烤方案设计

3.1 整体设计

电加热器热风烘烤方案控制流程如图4所示。采用一台60kW专用管道型电加热器对骤冷器轻质浇注段进行烘烤。通过离心风机将空气送入风道电加热器，风道加热器内部设置电加热管。离心风机送入的空气通过带走电加热管表面的热量，达到加热的目的。同时，利用温控柜中的温度控制器控制电加热元件的输出功率，从而控制被加热的空气温度，使之满足骤冷器烘烤所要求的温度，达到对骤冷器烘烤的目的。

图4 电加热器热风烘烤方案控制流程

烘烤过程中，空气介质温度最高达600℃，而且需连续保温24h，可能导致风道加热器顶部动力电缆和信号电缆出口处的温度过高，从而熔化电缆引起短路。因此，在加热器电缆出口处需增加轴流风机以增加强制对流通风，降低电缆温度。

由于骤冷器出口空气温度将达到500℃以上，因此需将骤冷器出口原工艺管道移除，将加热连接段的一端与风道加热器本体相连，另一端与骤冷器的进口端通过法兰相连，将骤冷器出口高温空气直接排入大气。

3.2 详细设计

3.2.1 加热器

根据骤冷器厂家的计算并结合市面上的成熟产品，选用380V(AC)/70kW的风道电加热器和1.1kW的离心风机，以保证足够的风量。

风道电加热器中安装两支K型热电偶，一支TC1(K)用于测量加热管温度，并在温控柜中显示；另一支TC0(K)用于测量空气介质温度，同时作为控制电加热器功率的联锁信号。

3.2.2 温控柜

温控柜主要由温度控制器和可控硅调功触发器组成。

温度控制器选用人工智能温度控制器，具有模糊逻辑PID调节、参数自整定[5]和分段功率限制功能，上限、下限、正偏差、负偏差报警支持继电器输出。可按一定时间规律编写程序自动设定定值输出控制信号，实现线性升温、恒温、线性降温、跳转循环及暂停等功能。精度等级0.2级，分辨率0.1℃，响应时间不大于0.3s。本方案采用热电偶输入、可控硅触发输出。

如图5所示，本方案中可控硅调功触发器(智能化三相移相触发和周波过零两用[6])与电加热器采用三角形三相三线方式控制结构(双向可控硅电路)，具有电源缺相检测报警功能。内含开关电源，直接由三相电源中一相220V(AC)供电。输入信号为来自温度控制模块的4～20mA信号。该触发器采用智能技术，对输入信号与移相角之间的功率关系进行非线性补偿[7]，即使不加电流反馈输入，也能在恒定阻性负载上实现线性化功率输出，即输出功率与输入信号成正比，从而提高电阻炉的控制品质[8，9]。

图5 可控硅调功触发器控制原理

4 方案实施

4.1 安装与检查

首先拆除骤冷器前的连接烟道和骤冷器出口的原工艺管道，按照图4安装所有设备，并完成相关动力电缆和控制电缆的敷设和端接。验收合格后，进行接地和绝缘测试。然后开始上电，检查各个设备初始状态是否正常。最后点动风机，短时间运行电加热器，确认仪表和设备都正常运行。

4.2 温度控制器设置

正式开始骤冷器烘烤前，首先需要根据图1对温度控制器进行参数设置和程序编排。程序编排采用温度-时间-温度格式，表示从当前温度经过该段时间后到达下一温度。室温约30℃，根据图1中各阶段温升速率和恒温时间，计算出的温度控制器在各阶段的程序编排值见表1。

4.3 烘烤与数据记录

温度控制器设置完成后，开始烘烤。每隔一小时记录烘烤过程中的空气介质温度、加热管温度、骤冷器表面温度和加热器表面温度，具体见表2。可以看出，骤冷器表面温度随烘烤温度的升高而缓慢上升，在600℃保温阶段Ⅵ达到最大值70℃左右，然后在降温阶段Ⅶ开始缓慢降低到室温。同样，加热器表面温度在600℃保温阶段Ⅵ达到最大值90℃左右，电加热器电缆没有出现熔化现象。

表1 温度控制器程序编排值

表2 烘烤过程数据

(续表2)

根据表2的数据，温度控制器设置温度和空气介质温度与时间的拟合曲线如图6所示。可以看出，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ温升阶段的速率与温度设定值一致，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ恒温阶段也与温度设定值相同。Ⅰ、Ⅱ阶段和Ⅱ、Ⅲ阶段的过渡段平滑但存在一定偏差，这是因为加热器具有时间滞后的特点，而且在对线性升温、降温和恒温曲线折点处进行曲线拟合、自动平滑化时，会使线性程序升温产生偏差。咨询厂家意见后，烘烤降温阶段在保持离心风机运行的情况下自然冷却，因此介质温度下降速率大于设定值。

图6 烘烤过程设置温度和空气介质温度拟合曲线

5 冷却效果验证

骤冷器烘烤完成后，通过内窥镜查看，确认骤冷器轻质浇注段烘烤成功。然后恢复骤冷器前的连接烟道和出口工艺管道。最后在工艺系统真实运行环境下验证骤冷器冷却效果。

由于骤冷器喷嘴的作用是在压空的作用下，根据骤冷器出口温度，调节去离子水流量，产生的雾化去离子水与流进骤冷器内的高温烟道气接触后瞬间蒸发，从而快速冷却烟道气。因此骤冷器烘烤后，首先根据喷嘴的雾化效果确定最优压空压力，完成喷嘴流量调节试验。然后投运骤冷器后续的尾气洗涤和排放系统，启动燃烧炉点火器，当骤冷器前的连接烟道温度达到200℃时投运喷嘴。骤冷器的实际冷却效果如图7所示。可以看出，启动点火器后，燃烧炉温度迅速升高到1 000℃以上，之后燃烧炉温度维持在1 000～1 100℃，连接烟道的温度达到1 000℃，骤冷器出口温度维持在230～270℃，一、二级喷射洗涤器出口温度正常，风机运行正常。另外，经过现场多次燃烧炉试验，骤冷器内外表面结构稳定，骤冷器冷却能力满足工艺要求。

图7 骤冷器冷却效果实际界面截图

6 结束语

骤冷器是将燃烧后1 000℃的烟道气迅速冷却到250℃的重要设备。因此，骤冷器衬里下部的轻质浇注段必须按照温度-时间曲线进行烘烤，除去浇筑材料内的游离水和结晶水后方可投入使用。但由于系统中燃烧炉工作模式和负压运行环境的限制，不能利用系统燃烧炉进行烘烤，因此只能采用独立烘烤装置——电加热器热风烘烤方案。经过对烘烤实施过程记录数据的分析和骤冷器实际冷却效果的验证，证明了基于智能温度控制器的线性可控硅功率调节电加热器烘烤方案的正确性。该方案原理简单，各主要设备成熟，易于实现，可为其他轻质浇注料炉衬烘烤方案提供一定的参考与借鉴。

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[9] 余剑敏.电窑炉温度控制系统的研究与设计[D].成都:电子科技大学,2010.

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)

孙小凌(1983-)，高级工程师，从事核电、核化工仪表与控制系统的调试工作，xiaoling.sun@163.com。