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摘要:探討刺刀式廢熱鍋爐逆循環(huán)的原因，提出相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞:刺刀式廢熱鍋爐;正循環(huán);逆循環(huán);強(qiáng)制循環(huán);可行性;

1前言

刺刀式廢熱鍋爐因結(jié)構(gòu)而命名，即每根換熱管由內(nèi)管如"刺刀"一般插入外管所組成(見(jiàn)圖1);因其整組管束(含內(nèi)管)均可自由伸縮，如此可滿足殼側(cè)苛刻的工作環(huán)境需求;在換熱器鉛垂安裝時(shí)，因換熱管為刺刀式結(jié)構(gòu)，在殼側(cè)熱流體加熱其管程冷流體下實(shí)現(xiàn)自循環(huán);此外，殼側(cè)筒體采取外設(shè)夾套水結(jié)構(gòu)，以解決殼側(cè)筒體耐壓而不耐溫的問(wèn)題。如此，刺刀式結(jié)構(gòu)換熱器就往往成為合成氨工藝流程中第一廢熱鍋爐(二段爐出口工藝氣/汽包爐水換熱器，以下簡(jiǎn)稱一廢)的不二選擇，但也正因?yàn)榇痰妒浇Y(jié)構(gòu)，在圖1所示幾臺(tái)自循環(huán)的換熱器中，也只有一廢會(huì)發(fā)生逆循環(huán)的異常工況。

2正循環(huán)與逆循環(huán)

如圖1所示，在裝置每次開(kāi)車初期，由于一廢殼側(cè)尚無(wú)工藝氣流動(dòng)，對(duì)于此時(shí)一廢管側(cè)上升管與下降管兩側(cè)中的爐水而言，它們的溫度相同且均為純液態(tài)，即兩側(cè)爐水的密度相等，如此，兩側(cè)爐水自循環(huán)的推動(dòng)力(即同一水平面上兩側(cè)因爐水的重力而產(chǎn)生的壓強(qiáng)差PDI－35)為零。之后，隨裝置的進(jìn)一步開(kāi)車，一廢殼側(cè)將形成工藝氣介質(zhì)流，在其流量、溫度逐步上升過(guò)程中，當(dāng)工藝氣溫度TI－85高于刺刀管內(nèi)爐水溫度(即鍋爐給水TI－106的初始溫度≈110℃左右)，但小于汽包蒸汽溫度TI－41期間，工藝氣熱量開(kāi)始經(jīng)刺刀管外管傳給刺刀管環(huán)隙中爐水，再經(jīng)刺刀管內(nèi)管傳給內(nèi)管中爐水。刺刀管有熱量傳遞后，在自循環(huán)表征參數(shù)PDI－35測(cè)量有足夠的靈敏度下，則自循環(huán)推動(dòng)力PDI－35與TI－85升溫速率將呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(即TI－85升溫速率＞0時(shí)，PDI－35＞0;升溫速率=0時(shí)，PDI－35=0;升溫速率＜0時(shí)，PDI－35＜0)。這一階段中，由于推動(dòng)力始終圍繞PDI－35=0中點(diǎn)上下波動(dòng)，上升管與下降管兩側(cè)爐水是不會(huì)產(chǎn)生自循環(huán)的。如此，刺刀管環(huán)隙與內(nèi)管中的爐水基本是同步升溫，同步熱膨脹的。此外，這一階段中，因熱對(duì)流效應(yīng)，上升管管段與下降管管段中的爐水也會(huì)同步產(chǎn)生一定的溫升。當(dāng)工藝氣溫度TI－85＞汽包蒸汽溫度TI－41并超過(guò)一定值(汽包壓力PI－13加上位差所對(duì)應(yīng)爐水沸點(diǎn)的溫度差值)后，在刺刀內(nèi)外管環(huán)隙中，爐水吸收熱量后就會(huì)產(chǎn)生部分恒溫汽化工況(見(jiàn)圖2)，因同質(zhì)量的汽泡體積遠(yuǎn)大于同質(zhì)量的液滴體積，上升管一側(cè)汽液混合物密度相對(duì)下降管純態(tài)液體密度就有較大幅度的下降，如此，自循環(huán)推動(dòng)力PDI－35相應(yīng)呈現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象(即:雖有波動(dòng)，但PDI－35波動(dòng)中心點(diǎn)＞0)，并隨TI－85的進(jìn)一步增加而逐步增大，最終形成穩(wěn)定的正循環(huán)工況(即爐水自下降管中流入刺刀管，吸熱后再?gòu)纳仙苤谢氐狡难h(huán)方向)。當(dāng)工藝氣溫度TI－85達(dá)到刺刀管中爐水的沸點(diǎn)溫度后，因某種原因?qū)е伦匝h(huán)推動(dòng)力PDI－35不增反降，并隨TI－85的增加反而進(jìn)一步減小(即PDI－35波動(dòng)中心點(diǎn)＜0，且負(fù)得越來(lái)越多)，就表明一廢產(chǎn)生了逆循環(huán)工況(即爐水自上升管中反向流入刺刀管，吸熱后再?gòu)南陆倒苤蟹聪蚧氐狡难h(huán)方向)。

3逆循環(huán)的危害

一廢逆循環(huán)工況下，其產(chǎn)生的汽液混合物自下降管回到汽包，不會(huì)通過(guò)汽包內(nèi)部汽液分離裝置，產(chǎn)生霧沫夾帶，使得汽包出口蒸汽品質(zhì)下降，即SiO2含量上升，蒸汽系統(tǒng)中發(fā)生硅轉(zhuǎn)移，特別是在透平葉輪低溫處凝結(jié)時(shí)，將導(dǎo)致透平轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡失衡，從而嚴(yán)重威脅透平機(jī)組的安全運(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)致透平相同負(fù)載下葉輪一級(jí)后壓力增加即透平效率下降能耗上升。

4逆循環(huán)的經(jīng)濟(jì)損失

逆循環(huán)的經(jīng)濟(jì)損失包含以下兩方面:一是:當(dāng)逆循環(huán)工況確實(shí)發(fā)生后，為處理逆循環(huán)工況而產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失。該直接經(jīng)濟(jì)損失主要由反復(fù)開(kāi)車過(guò)程的物料成本與延遲產(chǎn)品產(chǎn)出時(shí)間的生產(chǎn)毛利間接損失兩部分組成，對(duì)于一套大型合成氨裝置而言，處理一廢逆循環(huán)異常工況的直接經(jīng)濟(jì)損失往往數(shù)以百萬(wàn)元計(jì)。二是:每次開(kāi)車過(guò)程中，為預(yù)防逆循環(huán)工況的發(fā)生，往往人為的過(guò)多的延緩了裝置的開(kāi)車速率，如此，一廢雖未出現(xiàn)逆循環(huán)工況，也會(huì)導(dǎo)致開(kāi)車成本額外的增加。

5逆循環(huán)的原因

5．1下降管較上升管爐水領(lǐng)先升溫

圖3逆循環(huán)原因示意圖1如圖3所示，裝置開(kāi)車過(guò)程中，一廢未循環(huán)前，當(dāng)一廢出現(xiàn)間斷排污閥內(nèi)漏或下降管法蘭外漏等工況時(shí)，汽包中熱水就會(huì)源源不斷流入下降管段中，如果泄漏量足夠大時(shí)，就會(huì)使得下降管段內(nèi)爐水升溫速率約等于汽包蒸汽升溫速率，而上升管中爐水僅依靠熱對(duì)流而產(chǎn)生一定的溫升，即上升管爐水就遠(yuǎn)低于下降管爐水的升溫速率。在刺刀管受工藝氣加熱產(chǎn)生汽泡前，當(dāng)兩者溫差足夠大時(shí)，上升管中爐水就會(huì)形成圖3所示微小逆向液流。如此，即使刺刀管受熱首先于刺刀管環(huán)隙部位產(chǎn)生汽泡，但由于逆向液流的抑制作用，刺刀管就會(huì)在刺刀內(nèi)管產(chǎn)生汽泡。在刺刀內(nèi)管汽泡逆向上升過(guò)程中，隨壓力減小汽泡體積的增大，會(huì)進(jìn)一步增大逆向推動(dòng)力而最終形成逆循環(huán)。

5．2刺刀管內(nèi)管領(lǐng)先刺刀管環(huán)隙產(chǎn)生汽泡

如圖4所示，因振動(dòng)或工作介質(zhì)流沖擊作用導(dǎo)致焊接于刺刀管內(nèi)管外壁上的間距釘脫落;以及刺刀內(nèi)管或外管材質(zhì)受熱變形不一致等原因，最終形成內(nèi)管與外管相接觸的狀況。在刺刀內(nèi)外管相接觸，以及工藝氣偏流(即較高溫度的工藝氣先接觸刺刀內(nèi)外管相接觸部位)的雙重不利因素的共同作用下，工藝氣傳遞給內(nèi)管爐水的傳熱速率將大于傳遞給環(huán)隙中爐水的傳熱速率，如此，刺刀內(nèi)管將領(lǐng)先產(chǎn)生汽泡，而這些汽泡在逆向上升過(guò)程中，隨壓力減小汽泡體積的增大，會(huì)進(jìn)一步增大逆向推動(dòng)力而最終形成逆循環(huán)。顯然，刺刀內(nèi)外管相接觸部位以及工藝氣偏流的分布情況均可能發(fā)生變化，如此，同一臺(tái)刺刀式廢熱鍋爐，在每一次開(kāi)車過(guò)程中是否產(chǎn)生逆循環(huán)工況往往呈現(xiàn)不確定性。

6避免逆循環(huán)的措施

6．1優(yōu)化操作方法

圖5兩切斷一排放針對(duì)下降管爐水領(lǐng)先升溫原因，一廢開(kāi)車過(guò)程中就應(yīng)強(qiáng)化巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除下降管外漏點(diǎn);對(duì)于間斷排污管線，可增設(shè)如圖5所示的“在線消漏”設(shè)施，以確保間斷排污管線閥1的內(nèi)漏量為零(“在線消漏”設(shè)施意義在于:如開(kāi)車過(guò)程中發(fā)現(xiàn)閥1有內(nèi)漏，則可利用該設(shè)施進(jìn)行低成本的在線消缺，而有效避免了高成本的開(kāi)倒車消缺)。針對(duì)刺刀管內(nèi)管領(lǐng)先產(chǎn)汽原因，較為有效的操作措施:一是避免殼側(cè)工藝氣升溫過(guò)快，以避免刺刀管受熱不均產(chǎn)生變形;二是應(yīng)盡量加大殼側(cè)工藝氣介質(zhì)的流量，以削弱殼側(cè)介質(zhì)的偏流效應(yīng);三是在刺刀管初始產(chǎn)汽泡臨近自循環(huán)的時(shí)段內(nèi)，應(yīng)避免汽包壓力的大幅波動(dòng)，以避免刺刀管內(nèi)汽泡反復(fù)凝結(jié)、汽化而不利于正循環(huán)的穩(wěn)定形成。顯然，依靠?jī)?yōu)化操作的方法能夠有效抑制逆循環(huán)工況的出現(xiàn)，但回顧我公司一廢出現(xiàn)逆循環(huán)的工況歷史，僅僅依靠?jī)?yōu)化操作的方法往往不能夠完全杜絕逆循環(huán)工況的出現(xiàn)。

6．2強(qiáng)制循環(huán)按一廢自循環(huán)原理，強(qiáng)制循環(huán)可包含三方面措施:

一是上升管中引入熱水;二是下降管中注入冷水;三是上升管中注入氮?dú)鈿怏w。6．2．1上升管中引入熱水在現(xiàn)有設(shè)備、流程基礎(chǔ)上，上升管中引入熱水較為簡(jiǎn)單可行的方法是打開(kāi)壓差計(jì)PDI－35負(fù)壓側(cè)導(dǎo)壓管排放閥排放，將汽包熱水引入上升管段中。該方法能夠增大上升管爐水相對(duì)于下降管爐水的升溫速率，使得兩者溫差相應(yīng)有所增大，在刺刀管產(chǎn)汽形成自循環(huán)前，對(duì)助推正循環(huán)的形成會(huì)起到一定的正面作用。但當(dāng)一廢逆循環(huán)已經(jīng)形成后，不管上升管排放導(dǎo)淋開(kāi)多大，該方法也不能起到糾正逆循環(huán)作用。6．2．2下降管中注入冷水裝置中可供選擇的“冷水”為鍋爐給水，其溫度始終在115℃左右，隨裝置開(kāi)車汽包爐水溫度將逐步上升，最終將達(dá)到314℃左右，如此鍋爐給水相對(duì)而言就成為“冷水”。一廢刺刀管尚未產(chǎn)汽形成自循環(huán)前，因冷水密度相對(duì)較大，注入下降管冷水首先會(huì)沿下降管下行通過(guò)刺刀管而進(jìn)入上升管內(nèi)，隨上升管下降管兩側(cè)爐水溫差縮小后，最終形成如圖6所示流向，即一廢自循環(huán)前，注入冷水方法不會(huì)增大兩側(cè)流體溫差，起不到助推正循環(huán)作用，但連續(xù)注入冷水將有效避免下降管領(lǐng)先升溫的不利因素。如此，當(dāng)刺刀管開(kāi)始產(chǎn)汽后，如果是刺刀管環(huán)隙領(lǐng)先汽化時(shí)，顯然，注入冷水就起到了助推正循環(huán)的作用;如果是刺刀內(nèi)管領(lǐng)先汽化且程度不大時(shí)，注入的冷水就會(huì)使刺刀內(nèi)管上升的汽泡充分凝結(jié)，從而起到一定的糾正逆循環(huán)作用。但是，實(shí)際操作中，冷水注入量是受汽包液位波動(dòng)及給水盤(pán)管水擊工況兩因素所制約的，即注入下降管的冷水量既呈現(xiàn)波動(dòng)性特點(diǎn)，其流量也是受限的，如此，當(dāng)刺刀管開(kāi)始產(chǎn)汽后，如果是刺刀內(nèi)管領(lǐng)先汽化且程度較嚴(yán)重時(shí)，就完全可能形成圖7所示逆循環(huán)工況。因此，對(duì)于糾正逆循環(huán)而言，下降管注入冷水方法的能力往往是有限的。圖7下降管注入冷水流向圖26．2．3上升管中注入氮?dú)鈭D8強(qiáng)制循環(huán)流程示意圖如圖8所示，氮?dú)膺M(jìn)入蒸汽系統(tǒng)后，顯然會(huì)導(dǎo)致蒸汽純度的下降。這在合成氨裝置的開(kāi)車過(guò)程中，短暫的氮?dú)庾⑷氩僮魉鶐胝羝到y(tǒng)的氮?dú)?，大部分或全部都將隨汽包產(chǎn)蒸汽減壓后直接放空，即使有部分氮隨蒸汽通過(guò)透平做功后進(jìn)入泛汽系統(tǒng)，其中的氮?dú)庖矔?huì)在表面冷凝器經(jīng)抽汽器而排入大氣。因此，蒸汽純度短暫下降的問(wèn)題是不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用的。當(dāng)一廢開(kāi)車過(guò)程中出現(xiàn)逆循環(huán)時(shí)，采取上升管注入氮?dú)獯胧┖?，依?jù)自循環(huán)原理，只要滿足單位時(shí)間內(nèi)注入上升管內(nèi)氮?dú)怏w積V2大于同時(shí)刻下降管內(nèi)蒸汽體積V1時(shí)，都會(huì)使得推動(dòng)力表征參數(shù)PDI－35由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，即均能糾正逆循環(huán)為正循環(huán)。而逆循環(huán)一旦糾正為正循環(huán)后，刺刀管新產(chǎn)生的汽泡就會(huì)進(jìn)入刺刀管內(nèi)管并沿內(nèi)管上升而進(jìn)入上升管，相應(yīng)就無(wú)新的汽泡逆向進(jìn)入下降管。在下降管失去補(bǔ)充汽泡，下降管側(cè)汽泡就會(huì)越來(lái)越少最終無(wú)汽泡，以及正循環(huán)后新產(chǎn)生汽泡沿上升管上升過(guò)程中(汽泡壓力下降體積增大)的推動(dòng)力放大效應(yīng)兩方面因素作用下，即使中斷氮?dú)獾淖⑷?，一廢也會(huì)繼續(xù)正循環(huán)而不會(huì)再次回到逆循環(huán)工況。如此，注入氮?dú)夥椒▽?duì)于糾正逆循環(huán)理論上是完全成立的。由公式①、②可得出:在臨時(shí)管路參數(shù)(管長(zhǎng)、管徑)選定下，單位時(shí)間內(nèi)注入上升管中氮?dú)怏w積V2就與壓差ΔP正相關(guān)，由此，只要氮?dú)庾⑷肱R時(shí)管路中可實(shí)現(xiàn)的ΔP越大，則注入氮?dú)庖约m正逆循環(huán)的方法就越具備技術(shù)可行性。式中:P1為PI－1壓力;P2為PI－2壓力;G為注入氮?dú)赓|(zhì)量流速;V2為PI－2截面處氮?dú)怏w積流量;ρ1為PI－1截面處氮?dú)饷芏龋?為PI－2截面處氮?dú)饷芏?，ρm=ρ1+ρ22;λ為氮?dú)饽Σ料禂?shù);l為氮?dú)馀R時(shí)注入管路長(zhǎng)度，d為內(nèi)徑。忽略上升管液柱壓力下，公式①中壓力P2可近似等于汽包壓力，而壓力P1近似等于氮?dú)馄渴褂媚┢趬毫?對(duì)于氮?dú)馄繅毫?huì)隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)而下降的問(wèn)題，實(shí)際操作中可采取多個(gè)氮?dú)馄坎⒙?lián)的方法加以解決)，如此，在氮?dú)馄砍跗趬毫Φ南拗葡?，為增大ΔP而確保糾正逆循環(huán)操作的可行性，選擇恰當(dāng)?shù)牡獨(dú)庾⑷霑r(shí)間點(diǎn)就是相當(dāng)關(guān)鍵的。在氮?dú)庾⑷霑r(shí)間點(diǎn)的選擇上，過(guò)早，刺刀管未產(chǎn)汽尚未形成自循環(huán)，注入氮?dú)鉄o(wú)意義;過(guò)晚，則刺刀管產(chǎn)汽量增大及汽包壓力上升，將降低糾正逆循環(huán)的技術(shù)可行性;如此，選擇在刺刀管剛開(kāi)始產(chǎn)汽且自循環(huán)表征參數(shù)PDI－35又呈現(xiàn)負(fù)值時(shí)，作為實(shí)施注入氮?dú)獠僮鞯臅r(shí)間點(diǎn)是最恰當(dāng)?shù)?。以合成氨裝置而言，刺刀管剛開(kāi)始產(chǎn)汽時(shí):汽包壓力5.2MPaG下，工藝氣溫度TI－85就為275℃左右，如此時(shí)一廢出現(xiàn)逆循環(huán)工況，則下降管中逆向流動(dòng)的蒸汽量V1是相當(dāng)小的，即很小的注入壓差ΔP就能滿足V2＞V1，而氮?dú)馄砍跗趬毫?4MpaG遠(yuǎn)大于汽包壓力，因此，上升管中注入氮?dú)夥椒▉?lái)糾正合成氨裝置中一廢逆循環(huán)工況具備技術(shù)可行性。

7結(jié)語(yǔ)

在裝置開(kāi)車過(guò)程中，僅僅采取優(yōu)化操作方法往往不能完全避免刺刀式廢熱鍋爐發(fā)生逆循環(huán)工況;傳統(tǒng)的開(kāi)倒車方式處理逆循環(huán)工況，會(huì)顯著的增加開(kāi)車成本;采取強(qiáng)制循環(huán)方式來(lái)處理逆循環(huán)工況，將避免開(kāi)車成本的增加。在下降管注入冷水以及上升管注入氮?dú)鈨煞N強(qiáng)制循環(huán)方式的選擇上，上升管注入氮?dú)夥椒ǜ呖尚行浴?/p>

作者：唐文武 單位：四川瀘天化股份有限公司合成車間