刺刀式废热锅炉逆循环的原因分析范文

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摘要:探讨刺刀式废热锅炉逆循环的原因，提出相应的解决措施。

关键词:刺刀式废热锅炉;正循环;逆循环;强制循环;可行性;

1前言

刺刀式废热锅炉因结构而命名，即每根换热管由内管如"刺刀"一般插入外管所组成(见图1);因其整组管束(含内管)均可自由伸缩，如此可满足壳侧苛刻的工作环境需求;在换热器铅垂安装时，因换热管为刺刀式结构，在壳侧热流体加热其管程冷流体下实现自循环;此外，壳侧筒体采取外设夹套水结构，以解决壳侧筒体耐压而不耐温的问题。如此，刺刀式结构换热器就往往成为合成氨工艺流程中第一废热锅炉(二段炉出口工艺气/汽包炉水换热器，以下简称一废)的不二选择，但也正因为刺刀式结构，在图1所示几台自循环的换热器中，也只有一废会发生逆循环的异常工况。

2正循环与逆循环

如图1所示，在装置每次开车初期，由于一废壳侧尚无工艺气流动，对于此时一废管侧上升管与下降管两侧中的炉水而言，它们的温度相同且均为纯液态，即两侧炉水的密度相等，如此，两侧炉水自循环的推动力(即同一水平面上两侧因炉水的重力而产生的压强差PDI－35)为零。之后，随装置的进一步开车，一废壳侧将形成工艺气介质流，在其流量、温度逐步上升过程中，当工艺气温度TI－85高于刺刀管内炉水温度(即锅炉给水TI－106的初始温度≈110℃左右)，但小于汽包蒸汽温度TI－41期间，工艺气热量开始经刺刀管外管传给刺刀管环隙中炉水，再经刺刀管内管传给内管中炉水。刺刀管有热量传递后，在自循环表征参数PDI－35测量有足够的灵敏度下，则自循环推动力PDI－35与TI－85升温速率将呈现正相关关系(即TI－85升温速率＞0时，PDI－35＞0;升温速率=0时，PDI－35=0;升温速率＜0时，PDI－35＜0)。这一阶段中，由于推动力始终围绕PDI－35=0中点上下波动，上升管与下降管两侧炉水是不会产生自循环的。如此，刺刀管环隙与内管中的炉水基本是同步升温，同步热膨胀的。此外，这一阶段中，因热对流效应，上升管管段与下降管管段中的炉水也会同步产生一定的温升。当工艺气温度TI－85＞汽包蒸汽温度TI－41并超过一定值(汽包压力PI－13加上位差所对应炉水沸点的温度差值)后，在刺刀内外管环隙中，炉水吸收热量后就会产生部分恒温汽化工况(见图2)，因同质量的汽泡体积远大于同质量的液滴体积，上升管一侧汽液混合物密度相对下降管纯态液体密度就有较大幅度的下降，如此，自循环推动力PDI－35相应呈现明显增大现象(即:虽有波动，但PDI－35波动中心点＞0)，并随TI－85的进一步增加而逐步增大，最终形成稳定的正循环工况(即炉水自下降管中流入刺刀管，吸热后再从上升管中回到汽包的循环方向)。当工艺气温度TI－85达到刺刀管中炉水的沸点温度后，因某种原因导致自循环推动力PDI－35不增反降，并随TI－85的增加反而进一步减小(即PDI－35波动中心点＜0，且负得越来越多)，就表明一废产生了逆循环工况(即炉水自上升管中反向流入刺刀管，吸热后再从下降管中反向回到汽包的循环方向)。

3逆循环的危害

一废逆循环工况下，其产生的汽液混合物自下降管回到汽包，不会通过汽包内部汽液分离装置，产生雾沫夹带，使得汽包出口蒸汽品质下降，即SiO2含量上升，蒸汽系统中发生硅转移，特别是在透平叶轮低温处凝结时，将导致透平转子动平衡失衡，从而严重威胁透平机组的安全运行，也会导致透平相同负载下叶轮一级后压力增加即透平效率下降能耗上升。

4逆循环的经济损失

逆循环的经济损失包含以下两方面:一是:当逆循环工况确实发生后，为处理逆循环工况而产生的直接经济损失。该直接经济损失主要由反复开车过程的物料成本与延迟产品产出时间的生产毛利间接损失两部分组成，对于一套大型合成氨装置而言，处理一废逆循环异常工况的直接经济损失往往数以百万元计。二是:每次开车过程中，为预防逆循环工况的发生，往往人为的过多的延缓了装置的开车速率，如此，一废虽未出现逆循环工况，也会导致开车成本额外的增加。

5逆循环的原因

5．1下降管较上升管炉水领先升温

图3逆循环原因示意图1如图3所示，装置开车过程中，一废未循环前，当一废出现间断排污阀内漏或下降管法兰外漏等工况时，汽包中热水就会源源不断流入下降管段中，如果泄漏量足够大时，就会使得下降管段内炉水升温速率约等于汽包蒸汽升温速率，而上升管中炉水仅依靠热对流而产生一定的温升，即上升管炉水就远低于下降管炉水的升温速率。在刺刀管受工艺气加热产生汽泡前，当两者温差足够大时，上升管中炉水就会形成图3所示微小逆向液流。如此，即使刺刀管受热首先于刺刀管环隙部位产生汽泡，但由于逆向液流的抑制作用，刺刀管就会在刺刀内管产生汽泡。在刺刀内管汽泡逆向上升过程中，随压力减小汽泡体积的增大，会进一步增大逆向推动力而最终形成逆循环。

5．2刺刀管内管领先刺刀管环隙产生汽泡

如图4所示，因振动或工作介质流冲击作用导致焊接于刺刀管内管外壁上的间距钉脱落;以及刺刀内管或外管材质受热变形不一致等原因，最终形成内管与外管相接触的状况。在刺刀内外管相接触，以及工艺气偏流(即较高温度的工艺气先接触刺刀内外管相接触部位)的双重不利因素的共同作用下，工艺气传递给内管炉水的传热速率将大于传递给环隙中炉水的传热速率，如此，刺刀内管将领先产生汽泡，而这些汽泡在逆向上升过程中，随压力减小汽泡体积的增大，会进一步增大逆向推动力而最终形成逆循环。显然，刺刀内外管相接触部位以及工艺气偏流的分布情况均可能发生变化，如此，同一台刺刀式废热锅炉，在每一次开车过程中是否产生逆循环工况往往呈现不确定性。

6避免逆循环的措施

6．1优化操作方法

图5两切断一排放针对下降管炉水领先升温原因，一废开车过程中就应强化巡检，及时发现并消除下降管外漏点;对于间断排污管线，可增设如图5所示的“在线消漏”设施，以确保间断排污管线阀1的内漏量为零(“在线消漏”设施意义在于:如开车过程中发现阀1有内漏，则可利用该设施进行低成本的在线消缺，而有效避免了高成本的开倒车消缺)。针对刺刀管内管领先产汽原因，较为有效的操作措施:一是避免壳侧工艺气升温过快，以避免刺刀管受热不均产生变形;二是应尽量加大壳侧工艺气介质的流量，以削弱壳侧介质的偏流效应;三是在刺刀管初始产汽泡临近自循环的时段内，应避免汽包压力的大幅波动，以避免刺刀管内汽泡反复凝结、汽化而不利于正循环的稳定形成。显然，依靠优化操作的方法能够有效抑制逆循环工况的出现，但回顾我公司一废出现逆循环的工况历史，仅仅依靠优化操作的方法往往不能够完全杜绝逆循环工况的出现。

6．2强制循环按一废自循环原理，强制循环可包含三方面措施:

一是上升管中引入热水;二是下降管中注入冷水;三是上升管中注入氮气气体。6．2．1上升管中引入热水在现有设备、流程基础上，上升管中引入热水较为简单可行的方法是打开压差计PDI－35负压侧导压管排放阀排放，将汽包热水引入上升管段中。该方法能够增大上升管炉水相对于下降管炉水的升温速率，使得两者温差相应有所增大，在刺刀管产汽形成自循环前，对助推正循环的形成会起到一定的正面作用。但当一废逆循环已经形成后，不管上升管排放导淋开多大，该方法也不能起到纠正逆循环作用。6．2．2下降管中注入冷水装置中可供选择的“冷水”为锅炉给水，其温度始终在115℃左右，随装置开车汽包炉水温度将逐步上升，最终将达到314℃左右，如此锅炉给水相对而言就成为“冷水”。一废刺刀管尚未产汽形成自循环前，因冷水密度相对较大，注入下降管冷水首先会沿下降管下行通过刺刀管而进入上升管内，随上升管下降管两侧炉水温差缩小后，最终形成如图6所示流向，即一废自循环前，注入冷水方法不会增大两侧流体温差，起不到助推正循环作用，但连续注入冷水将有效避免下降管领先升温的不利因素。如此，当刺刀管开始产汽后，如果是刺刀管环隙领先汽化时，显然，注入冷水就起到了助推正循环的作用;如果是刺刀内管领先汽化且程度不大时，注入的冷水就会使刺刀内管上升的汽泡充分凝结，从而起到一定的纠正逆循环作用。但是，实际操作中，冷水注入量是受汽包液位波动及给水盘管水击工况两因素所制约的，即注入下降管的冷水量既呈现波动性特点，其流量也是受限的，如此，当刺刀管开始产汽后，如果是刺刀内管领先汽化且程度较严重时，就完全可能形成图7所示逆循环工况。因此，对于纠正逆循环而言，下降管注入冷水方法的能力往往是有限的。图7下降管注入冷水流向图26．2．3上升管中注入氮气图8强制循环流程示意图如图8所示，氮气进入蒸汽系统后，显然会导致蒸汽纯度的下降。这在合成氨装置的开车过程中，短暂的氮气注入操作所带入蒸汽系统的氮气，大部分或全部都将随汽包产蒸汽减压后直接放空，即使有部分氮随蒸汽通过透平做功后进入泛汽系统，其中的氮气也会在表面冷凝器经抽汽器而排入大气。因此，蒸汽纯度短暂下降的问题是不会产生负面作用的。当一废开车过程中出现逆循环时，采取上升管注入氮气措施后，依据自循环原理，只要满足单位时间内注入上升管内氮气体积V2大于同时刻下降管内蒸汽体积V1时，都会使得推动力表征参数PDI－35由负值转为正值，即均能纠正逆循环为正循环。而逆循环一旦纠正为正循环后，刺刀管新产生的汽泡就会进入刺刀管内管并沿内管上升而进入上升管，相应就无新的汽泡逆向进入下降管。在下降管失去补充汽泡，下降管侧汽泡就会越来越少最终无汽泡，以及正循环后新产生汽泡沿上升管上升过程中(汽泡压力下降体积增大)的推动力放大效应两方面因素作用下，即使中断氮气的注入，一废也会继续正循环而不会再次回到逆循环工况。如此，注入氮气方法对于纠正逆循环理论上是完全成立的。由公式①、②可得出:在临时管路参数(管长、管径)选定下，单位时间内注入上升管中氮气体积V2就与压差ΔP正相关，由此，只要氮气注入临时管路中可实现的ΔP越大，则注入氮气以纠正逆循环的方法就越具备技术可行性。式中:P1为PI－1压力;P2为PI－2压力;G为注入氮气质量流速;V2为PI－2截面处氮气体积流量;ρ1为PI－1截面处氮气密度，ρ2为PI－2截面处氮气密度，ρm=ρ1+ρ22;λ为氮气摩擦系数;l为氮气临时注入管路长度，d为内径。忽略上升管液柱压力下，公式①中压力P2可近似等于汽包压力，而压力P1近似等于氮气瓶使用末期压力(对于氮气瓶压力会随使用时间的延长而下降的问题，实际操作中可采取多个氮气瓶并联的方法加以解决)，如此，在氮气瓶初期压力的限制下，为增大ΔP而确保纠正逆循环操作的可行性，选择恰当的氮气注入时间点就是相当关键的。在氮气注入时间点的选择上，过早，刺刀管未产汽尚未形成自循环，注入氮气无意义;过晚，则刺刀管产汽量增大及汽包压力上升，将降低纠正逆循环的技术可行性;如此，选择在刺刀管刚开始产汽且自循环表征参数PDI－35又呈现负值时，作为实施注入氮气操作的时间点是最恰当的。以合成氨装置而言，刺刀管刚开始产汽时:汽包压力5.2MPaG下，工艺气温度TI－85就为275℃左右，如此时一废出现逆循环工况，则下降管中逆向流动的蒸汽量V1是相当小的，即很小的注入压差ΔP就能满足V2＞V1，而氮气瓶初期压力为14MpaG远大于汽包压力，因此，上升管中注入氮气方法来纠正合成氨装置中一废逆循环工况具备技术可行性。

7结语

在装置开车过程中，仅仅采取优化操作方法往往不能完全避免刺刀式废热锅炉发生逆循环工况;传统的开倒车方式处理逆循环工况，会显著的增加开车成本;采取强制循环方式来处理逆循环工况，将避免开车成本的增加。在下降管注入冷水以及上升管注入氮气两种强制循环方式的选择上，上升管注入氮气方法更具可行性。

作者：唐文武 单位：四川泸天化股份有限公司合成车间