本站小編為你精心準備了刺刀式廢熱鍋爐逆循環的原因分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:探討刺刀式廢熱鍋爐逆循環的原因，提出相應的解決措施。

關鍵詞:刺刀式廢熱鍋爐;正循環;逆循環;強制循環;可行性;

1前言

刺刀式廢熱鍋爐因結構而命名，即每根換熱管由內管如"刺刀"一般插入外管所組成(見圖1);因其整組管束(含內管)均可自由伸縮，如此可滿足殼側苛刻的工作環境需求;在換熱器鉛垂安裝時，因換熱管為刺刀式結構，在殼側熱流體加熱其管程冷流體下實現自循環;此外，殼側筒體采取外設夾套水結構，以解決殼側筒體耐壓而不耐溫的問題。如此，刺刀式結構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，以下簡稱一廢)的不二選擇，但也正因為刺刀式結構，在圖1所示幾臺自循環的換熱器中，也只有一廢會發生逆循環的異常工況。

2正循環與逆循環

如圖1所示，在裝置每次開車初期，由于一廢殼側尚無工藝氣流動，對于此時一廢管側上升管與下降管兩側中的爐水而言，它們的溫度相同且均為純液態，即兩側爐水的密度相等，如此，兩側爐水自循環的推動力(即同一水平面上兩側因爐水的重力而產生的壓強差PDI－35)為零。之后，隨裝置的進一步開車，一廢殼側將形成工藝氣介質流，在其流量、溫度逐步上升過程中，當工藝氣溫度TI－85高于刺刀管內爐水溫度(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，工藝氣熱量開始經刺刀管外管傳給刺刀管環隙中爐水，再經刺刀管內管傳給內管中爐水。刺刀管有熱量傳遞后，在自循環表征參數PDI－35測量有足夠的靈敏度下，則自循環推動力PDI－35與TI－85升溫速率將呈現正相關關系(即TI－85升溫速率＞0時，PDI－35＞0;升溫速率=0時，PDI－35=0;升溫速率＜0時，PDI－35＜0)。這一階段中，由于推動力始終圍繞PDI－35=0中點上下波動，上升管與下降管兩側爐水是不會產生自循環的。如此，刺刀管環隙與內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，因熱對流效應，上升管管段與下降管管段中的爐水也會同步產生一定的溫升。當工藝氣溫度TI－85＞汽包蒸汽溫度TI－41并超過一定值(汽包壓力PI－13加上位差所對應爐水沸點的溫度差值)后，在刺刀內外管環隙中，爐水吸收熱量后就會產生部分恒溫汽化工況(見圖2)，因同質量的汽泡體積遠大于同質量的液滴體積，上升管一側汽液混合物密度相對下降管純態液體密度就有較大幅度的下降，如此，自循環推動力PDI－35相應呈現明顯增大現象(即:雖有波動，但PDI－35波動中心點＞0)，并隨TI－85的進一步增加而逐步增大，最終形成穩定的正循環工況(即爐水自下降管中流入刺刀管，吸熱后再從上升管中回到汽包的循環方向)。當工藝氣溫度TI－85達到刺刀管中爐水的沸點溫度后，因某種原因導致自循環推動力PDI－35不增反降，并隨TI－85的增加反而進一步減小(即PDI－35波動中心點＜0，且負得越來越多)，就表明一廢產生了逆循環工況(即爐水自上升管中反向流入刺刀管，吸熱后再從下降管中反向回到汽包的循環方向)。

3逆循環的危害

一廢逆循環工況下，其產生的汽液混合物自下降管回到汽包，不會通過汽包內部汽液分離裝置，產生霧沫夾帶，使得汽包出口蒸汽品質下降，即SiO2含量上升，蒸汽系統中發生硅轉移，特別是在透平葉輪低溫處凝結時，將導致透平轉子動平衡失衡，從而嚴重威脅透平機組的安全運行，也會導致透平相同負載下葉輪一級后壓力增加即透平效率下降能耗上升。

4逆循環的經濟損失

逆循環的經濟損失包含以下兩方面:一是:當逆循環工況確實發生后，為處理逆循環工況而產生的直接經濟損失。該直接經濟損失主要由反復開車過程的物料成本與延遲產品產出時間的生產毛利間接損失兩部分組成，對于一套大型合成氨裝置而言，處理一廢逆循環異常工況的直接經濟損失往往數以百萬元計。二是:每次開車過程中，為預防逆循環工況的發生，往往人為的過多的延緩了裝置的開車速率，如此，一廢雖未出現逆循環工況，也會導致開車成本額外的增加。

5逆循環的原因

5．1下降管較上升管爐水領先升溫

圖3逆循環原因示意圖1如圖3所示，裝置開車過程中，一廢未循環前，當一廢出現間斷排污閥內漏或下降管法蘭外漏等工況時，汽包中熱水就會源源不斷流入下降管段中，如果泄漏量足夠大時，就會使得下降管段內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流而產生一定的溫升，即上升管爐水就遠低于下降管爐水的升溫速率。在刺刀管受工藝氣加熱產生汽泡前，當兩者溫差足夠大時，上升管中爐水就會形成圖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隙部位產生汽泡，但由于逆向液流的抑制作用，刺刀管就會在刺刀內管產生汽泡。在刺刀內管汽泡逆向上升過程中，隨壓力減小汽泡體積的增大，會進一步增大逆向推動力而最終形成逆循環。

5．2刺刀管內管領先刺刀管環隙產生汽泡

如圖4所示，因振動或工作介質流沖擊作用導致焊接于刺刀管內管外壁上的間距釘脫落;以及刺刀內管或外管材質受熱變形不一致等原因，最終形成內管與外管相接觸的狀況。在刺刀內外管相接觸，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，工藝氣傳遞給內管爐水的傳熱速率將大于傳遞給環隙中爐水的傳熱速率，如此，刺刀內管將領先產生汽泡，而這些汽泡在逆向上升過程中，隨壓力減小汽泡體積的增大，會進一步增大逆向推動力而最終形成逆循環。顯然，刺刀內外管相接觸部位以及工藝氣偏流的分布情況均可能發生變化，如此，同一臺刺刀式廢熱鍋爐，在每一次開車過程中是否產生逆循環工況往往呈現不確定性。

6避免逆循環的措施

6．1優化操作方法

圖5兩切斷一排放針對下降管爐水領先升溫原因，一廢開車過程中就應強化巡檢，及時發現并消除下降管外漏點;對于間斷排污管線，可增設如圖5所示的“在線消漏”設施，以確保間斷排污管線閥1的內漏量為零(“在線消漏”設施意義在于:如開車過程中發現閥1有內漏，則可利用該設施進行低成本的在線消缺，而有效避免了高成本的開倒車消缺)。針對刺刀管內管領先產汽原因，較為有效的操作措施:一是避免殼側工藝氣升溫過快，以避免刺刀管受熱不均產生變形;二是應盡量加大殼側工藝氣介質的流量，以削弱殼側介質的偏流效應;三是在刺刀管初始產汽泡臨近自循環的時段內，應避免汽包壓力的大幅波動，以避免刺刀管內汽泡反復凝結、汽化而不利于正循環的穩定形成。顯然，依靠優化操作的方法能夠有效抑制逆循環工況的出現，但回顧我公司一廢出現逆循環的工況歷史，僅僅依靠優化操作的方法往往不能夠完全杜絕逆循環工況的出現。

6．2強制循環按一廢自循環原理，強制循環可包含三方面措施:

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氣氣體。6．2．1上升管中引入熱水在現有設備、流程基礎上，上升管中引入熱水較為簡單可行的方法是打開壓差計PDI－35負壓側導壓管排放閥排放，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于下降管爐水的升溫速率，使得兩者溫差相應有所增大，在刺刀管產汽形成自循環前，對助推正循環的形成會起到一定的正面作用。但當一廢逆循環已經形成后，不管上升管排放導淋開多大，該方法也不能起到糾正逆循環作用。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，隨裝置開車汽包爐水溫度將逐步上升，最終將達到314℃左右，如此鍋爐給水相對而言就成為“冷水”。一廢刺刀管尚未產汽形成自循環前，因冷水密度相對較大，注入下降管冷水首先會沿下降管下行通過刺刀管而進入上升管內，隨上升管下降管兩側爐水溫差縮小后，最終形成如圖6所示流向，即一廢自循環前，注入冷水方法不會增大兩側流體溫差，起不到助推正循環作用，但連續注入冷水將有效避免下降管領先升溫的不利因素。如此，當刺刀管開始產汽后，如果是刺刀管環隙領先汽化時，顯然，注入冷水就起到了助推正循環的作用;如果是刺刀內管領先汽化且程度不大時，注入的冷水就會使刺刀內管上升的汽泡充分凝結，從而起到一定的糾正逆循環作用。但是，實際操作中，冷水注入量是受汽包液位波動及給水盤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波動性特點，其流量也是受限的，如此，當刺刀管開始產汽后，如果是刺刀內管領先汽化且程度較嚴重時，就完全可能形成圖7所示逆循環工況。因此，對于糾正逆循環而言，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上升管中注入氮氣圖8強制循環流程示意圖如圖8所示，氮氣進入蒸汽系統后，顯然會導致蒸汽純度的下降。這在合成氨裝置的開車過程中，短暫的氮氣注入操作所帶入蒸汽系統的氮氣，大部分或全部都將隨汽包產蒸汽減壓后直接放空，即使有部分氮隨蒸汽通過透平做功后進入泛汽系統，其中的氮氣也會在表面冷凝器經抽汽器而排入大氣。因此，蒸汽純度短暫下降的問題是不會產生負面作用的。當一廢開車過程中出現逆循環時，采取上升管注入氮氣措施后，依據自循環原理，只要滿足單位時間內注入上升管內氮氣體積V2大于同時刻下降管內蒸汽體積V1時，都會使得推動力表征參數PDI－35由負值轉為正值，即均能糾正逆循環為正循環。而逆循環一旦糾正為正循環后，刺刀管新產生的汽泡就會進入刺刀管內管并沿內管上升而進入上升管，相應就無新的汽泡逆向進入下降管。在下降管失去補充汽泡，下降管側汽泡就會越來越少最終無汽泡，以及正循環后新產生汽泡沿上升管上升過程中(汽泡壓力下降體積增大)的推動力放大效應兩方面因素作用下，即使中斷氮氣的注入，一廢也會繼續正循環而不會再次回到逆循環工況。如此，注入氮氣方法對于糾正逆循環理論上是完全成立的。由公式①、②可得出:在臨時管路參數(管長、管徑)選定下，單位時間內注入上升管中氮氣體積V2就與壓差ΔP正相關，由此，只要氮氣注入臨時管路中可實現的ΔP越大，則注入氮氣以糾正逆循環的方法就越具備技術可行性。式中:P1為PI－1壓力;P2為PI－2壓力;G為注入氮氣質量流速;V2為PI－2截面處氮氣體積流量;ρ1為PI－1截面處氮氣密度，ρ2為PI－2截面處氮氣密度，ρm=ρ1+ρ22;λ為氮氣摩擦系數;l為氮氣臨時注入管路長度，d為內徑。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近似等于氮氣瓶使用末期壓力(對于氮氣瓶壓力會隨使用時間的延長而下降的問題，實際操作中可采取多個氮氣瓶并聯的方法加以解決)，如此，在氮氣瓶初期壓力的限制下，為增大ΔP而確保糾正逆循環操作的可行性，選擇恰當的氮氣注入時間點就是相當關鍵的。在氮氣注入時間點的選擇上，過早，刺刀管未產汽尚未形成自循環，注入氮氣無意義;過晚，則刺刀管產汽量增大及汽包壓力上升，將降低糾正逆循環的技術可行性;如此，選擇在刺刀管剛開始產汽且自循環表征參數PDI－35又呈現負值時，作為實施注入氮氣操作的時間點是最恰當的。以合成氨裝置而言，刺刀管剛開始產汽時:汽包壓力5.2MPaG下，工藝氣溫度TI－85就為275℃左右，如此時一廢出現逆循環工況，則下降管中逆向流動的蒸汽量V1是相當小的，即很小的注入壓差ΔP就能滿足V2＞V1，而氮氣瓶初期壓力為14MpaG遠大于汽包壓力，因此，上升管中注入氮氣方法來糾正合成氨裝置中一廢逆循環工況具備技術可行性。

7結語

在裝置開車過程中，僅僅采取優化操作方法往往不能完全避免刺刀式廢熱鍋爐發生逆循環工況;傳統的開倒車方式處理逆循環工況，會顯著的增加開車成本;采取強制循環方式來處理逆循環工況，將避免開車成本的增加。在下降管注入冷水以及上升管注入氮氣兩種強制循環方式的選擇上，上升管注入氮氣方法更具可行性。

作者：唐文武 單位：四川瀘天化股份有限公司合成車間