陸宏泳

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223)

電石爐密閉冷卻水系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)

陸宏泳

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223)

結(jié)合某廠46.5MW電石爐改造工程，對(duì)密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏的幾種檢測(cè)方法進(jìn)行分析，綜合考慮各種干擾因素，建立密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水大泄漏量的快速檢測(cè)，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小泄漏量的預(yù)警功能。

密閉冷卻水系統(tǒng) 泄漏檢測(cè) 趨勢(shì)差模型 微波泄漏檢測(cè)

過程裝置在制造或運(yùn)轉(zhuǎn)之時(shí)，對(duì)于泄漏和泄漏量的檢測(cè)至關(guān)重要。對(duì)于密封有毒、易燃易爆、對(duì)環(huán)境有污染或貴重介質(zhì)，則要求泄漏率必須小于環(huán)保、安全和經(jīng)濟(jì)性要求的最大允許泄漏指標(biāo)。檢漏就是用一定的手段將示漏物質(zhì)加到被檢設(shè)備或密封裝置器壁的一側(cè)，用儀器或某方法在另一側(cè)懷疑有泄漏之處檢測(cè)通過漏孔漏出的示漏物質(zhì)，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。近年來，各種泄漏檢測(cè)技術(shù)也如雨后春筍相繼而出。朱國剛進(jìn)行了平行軸齒輪減速機(jī)的無泄漏密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]；胡鵬飛等分析了汽輪機(jī)葉頂間隙變化對(duì)葉頂泄漏流動(dòng)的影響[2]；張巖等詳細(xì)介紹了煤干燥蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)換熱管的泄漏檢測(cè)與處理方法[3]；操龍兵等針對(duì)轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐水冷壁管的泄漏失效進(jìn)行了分析[4]。

電石爐密閉冷卻水系統(tǒng)是電石冶煉系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著電石爐的電極銅瓦、壓力環(huán)、下料管及煙道等設(shè)備的冷卻任務(wù)。密閉冷卻水系統(tǒng)的正常運(yùn)行不僅是保證電石爐壽命、電石產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量的基礎(chǔ)，更是電石爐安全運(yùn)行的保障[5]。筆者結(jié)合某廠46.5MW電石爐改造工程，分析密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏的檢測(cè)方法，綜合考慮各種干擾因素，建立密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)大泄漏量的快速檢測(cè)和判斷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)小泄漏量的預(yù)警功能。

1 密閉冷卻水系統(tǒng)工藝流程簡介①

某企業(yè)一座46.5MW電石爐密閉冷卻水系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

密閉冷卻水系統(tǒng)中有6臺(tái)密閉冷卻水分配器分別給電石爐的6套冷卻單元提供冷卻水，其中每套冷卻單元設(shè)有20～30個(gè)冷卻設(shè)備(冷卻回路)；從冷卻單元出來的高溫冷卻水由相應(yīng)的6臺(tái)密閉冷卻水集水器匯總并送至脫氣罐。脫氣后的高溫冷卻水送到冷卻塔冷卻后由密閉冷卻水循環(huán)泵向密閉冷卻水分配器供水；穩(wěn)壓罐保證密閉冷卻水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，要準(zhǔn)確及時(shí)檢測(cè)并判斷其中某個(gè)密閉冷卻水回路出現(xiàn)泄漏非常困難，也是目前需要研究并予以解決的問題。筆者以電石爐1#冷卻單元的1#冷卻設(shè)備[銅瓦7(電極1)]的冷卻水回路為例進(jìn)行論證。

2 用流量開關(guān)檢測(cè)并判斷泄漏

46.5MW電石爐共有156個(gè)冷卻設(shè)備，其中流量范圍在3～8m3/h的回路61個(gè)、流量范圍在5～10m3/h的回路79個(gè)、流量范圍在8～17m3/h的回路6個(gè)。

流量開關(guān)檢測(cè)密閉冷卻水系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)原理如圖2所示。在每個(gè)冷卻設(shè)備的出水支管上設(shè)置一臺(tái)流量開關(guān)，當(dāng)某一冷卻設(shè)備出現(xiàn)泄漏時(shí)，該出水支管上的冷卻水流量變小。如果流量低于流量開關(guān)的整定值，流量開關(guān)發(fā)出流量低開關(guān)量信號(hào)并送至PLC系統(tǒng)，同時(shí)電石爐操作室發(fā)出聲光報(bào)警。

圖1 電石爐密閉冷卻水系統(tǒng)工藝流程簡圖

圖2 流量開關(guān)檢測(cè)密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏檢測(cè)原理

1#冷卻設(shè)備出水支管的流量范圍5～10m3/h，正常生產(chǎn)時(shí)流量穩(wěn)定在8m3/h左右。從安全角度考慮，當(dāng)出水支管泄漏量大于0.3m3/h時(shí)必須報(bào)警。工程設(shè)計(jì)中，流量開關(guān)的測(cè)量范圍預(yù)設(shè)為0～10m3/h，報(bào)警值整定在流量小于7.7m3/h時(shí)，流量開關(guān)發(fā)出流量低的開關(guān)量信號(hào)。然而，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，該冷卻水回路在沒有出現(xiàn)泄漏情況下，流量開關(guān)長時(shí)間處于流量低的報(bào)警狀態(tài)。不僅如此，其他多個(gè)冷卻回路的流量開關(guān)也有類似情況。分析并總結(jié)主要原因：流量開關(guān)測(cè)量精度較低，一般流量開關(guān)(如靶式流量開關(guān)、轉(zhuǎn)子流量開關(guān)及熱式流量開關(guān)等)的測(cè)量精度在±10%左右，即流量在7.4～8.0m3/h時(shí)，流量開關(guān)均有報(bào)警信號(hào)輸出的可能；冷卻回路中密閉冷卻水流量的波動(dòng)范圍大于泄漏報(bào)警閾值；流量開關(guān)的可靠性低，流量開關(guān)損壞后沒有及時(shí)修復(fù)或更換，PLC系統(tǒng)接收的仍然是流量低的狀態(tài)信號(hào)。

綜上所述，流量開關(guān)不宜用于密閉冷卻水系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)，一般用于冷卻水的斷流(冷卻設(shè)備所需最低冷卻水流量)檢測(cè)。在新建電石爐項(xiàng)目中，不再采用流量開關(guān)檢測(cè)密閉冷卻水系統(tǒng)的泄漏；正在生產(chǎn)的電石爐也逐漸將流量開關(guān)改用進(jìn)/出水支管配對(duì)流量計(jì)或其他檢測(cè)方法。

3 用配對(duì)流量計(jì)檢測(cè)并判斷泄漏

配對(duì)流量計(jì)檢測(cè)密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏的檢測(cè)原理如圖3所示，當(dāng)1#冷卻設(shè)備的出水支管流量小于進(jìn)水支管上的流量，并且這個(gè)流量差值的有效值(Q1101b-Q1101a)大于0.3m3/h時(shí)，電石爐操作室聲光報(bào)警。每個(gè)冷卻設(shè)備的進(jìn)/出水支管上各設(shè)置有一臺(tái)流量計(jì)。在工程設(shè)計(jì)中，進(jìn)/出水支管上的流量計(jì)必須選用同一類型的，誤差特性也必須一致(要么都是正誤差，要么都是負(fù)誤差)，即兩臺(tái)流量計(jì)配對(duì)使用。此外，還需選用高精度流量計(jì)(如電磁流量計(jì)的精度±0.2%；差壓式流量計(jì)的差壓變送器的精度±0.065%；標(biāo)準(zhǔn)孔板或文丘里管的精度±0.75%，系統(tǒng)誤差±1%之內(nèi)；渦街流量計(jì)的精度±0.75%)以滿足密閉冷卻水回路泄漏檢測(cè)的要求。

圖3 配對(duì)流量計(jì)檢測(cè)密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏檢測(cè)原理

用配對(duì)流量計(jì)檢測(cè)密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏的方法卻不被大多數(shù)電石生產(chǎn)家采納，主要原因是：設(shè)備投資費(fèi)用太高，一套高精度流量計(jì)是流量開關(guān)費(fèi)用的5～8倍，而一個(gè)冷卻回路就需要兩套高精度流量計(jì)；當(dāng)電石爐爐況為非正常(如爐壁掛料、塌料等)時(shí)，冷卻設(shè)備局部受熱，相應(yīng)冷卻回路的冷卻水部分汽化并產(chǎn)生氣泡，帶有氣泡的冷卻水被出水支管上的流量計(jì)檢測(cè)到的流量值實(shí)際上存在一定誤差，這個(gè)誤差受爐況影響是沒有規(guī)律可尋的，而恰恰是爐況非正常的情形下更需要密切關(guān)注密閉冷卻水的泄漏情況。

4 用趨勢(shì)差動(dòng)態(tài)模型檢測(cè)和判斷

用一臺(tái)差壓變送器(LT-1001)測(cè)量穩(wěn)壓罐液位H(mm)，計(jì)算式如下：

H=δΔp/γ

(1)

式中δ——單位換算系數(shù)，δ=100(1kgf/m2=0.01kPa=1mmH2O)；

Δp——差壓變送器LT-1001的測(cè)量值，kPa；

γ——冷卻水密度，γ=1kg/m3。

單位時(shí)間內(nèi)穩(wěn)壓罐液位的下降量即為液位趨勢(shì)差HV，并且有：

HV=(Ht2-Ht1)/(t2-t1)

(2)

式中Ht1——t1時(shí)刻穩(wěn)壓罐液位，mm；

Ht2——t2時(shí)刻穩(wěn)壓罐液位，mm；

t1、t2——PLC讀取穩(wěn)壓罐液位值的時(shí)刻，min。

密閉冷卻水系統(tǒng)是全封閉循環(huán)系統(tǒng)，任意冷卻水回路出現(xiàn)泄漏，必定引起穩(wěn)壓罐液位下降QW，即有：

QW=ε[π(D/2)2]HV

(3)

式中D——穩(wěn)壓罐直徑，mm；

ε——單位換算系數(shù)，ε=0.06(1h=60min，1m=1000mm)。

工程設(shè)計(jì)中，穩(wěn)壓罐直徑2.5m，差壓變送器測(cè)量范圍0～10kPa，測(cè)量精度±0.065%。

如前所述，密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏量不能大于0.3m3/h(QW≤QWM=0.3m3/h，QWM為泄漏量極限值)。根據(jù)式(3)可知，對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓罐的液位趨勢(shì)差HV≤HWM=0.06m/h或1mm/min(HVM為穩(wěn)壓罐液位趨勢(shì)差極限值)。

實(shí)際工程中，要準(zhǔn)確檢測(cè)到1mm液位變化量是不容易的，過去實(shí)施的工程中出現(xiàn)過誤差偏大、檢測(cè)數(shù)據(jù)跳動(dòng)不穩(wěn)等現(xiàn)象。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析，影響測(cè)量精度的原因在于測(cè)量液位的差壓變送器負(fù)壓室容易聚集冷凝水；數(shù)據(jù)跳動(dòng)的原因來自主廠房行車運(yùn)行振動(dòng)、密閉冷卻水系統(tǒng)的壓力波動(dòng)等。針對(duì)上述原因采取的消除措施：在差壓變送器負(fù)壓室導(dǎo)壓管下方設(shè)計(jì)冷凝器消除由于冷凝水引起的測(cè)量誤差；在穩(wěn)壓罐設(shè)計(jì)穩(wěn)壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定穩(wěn)壓罐頂部壓力；PLC系統(tǒng)編程軟件設(shè)計(jì)中值濾波器消除數(shù)據(jù)跳動(dòng)現(xiàn)象。

密閉冷卻水系統(tǒng)有一百多個(gè)冷卻回路，任何一個(gè)或多個(gè)冷卻回路的微小泄漏都會(huì)在穩(wěn)壓罐液位趨勢(shì)差中反映出來，特別是針對(duì)多個(gè)回路的微小泄漏，這種方法的檢測(cè)靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于密閉冷卻水系統(tǒng)允許的泄漏量。故將此方法應(yīng)用于密閉冷卻水系統(tǒng)的泄漏預(yù)警。但這種方法的缺點(diǎn)是不能自動(dòng)判斷泄漏發(fā)生的具體位置。

如圖4所示，在冷卻單元各出水支管上設(shè)置一臺(tái)流量計(jì)和流量變送器，檢測(cè)相應(yīng)冷卻回路的出水流量。

圖4 液位趨勢(shì)差和流量趨勢(shì)差檢測(cè)密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏工作原理

如果密閉冷卻水系統(tǒng)穩(wěn)定且沒有泄漏發(fā)生，同一支管的出水流量是相對(duì)穩(wěn)定的，將同一支管的當(dāng)前流量值減去前期流量值，如果二者之差的有效值大于或等于密閉冷卻水系統(tǒng)允許的極限值，說明該冷卻回路有泄漏情況發(fā)生。

以1#冷卻單元1#冷卻設(shè)備[銅瓦7(電極1)]為例，出口支管文丘里管流量計(jì)FE-1101的測(cè)量范圍0～10m3/h，測(cè)量精度±0.750%；流量差壓變送器FT-1101的測(cè)量范圍0～16kPa(對(duì)應(yīng)文丘里管流量計(jì)0～10m3/h的量程)，測(cè)量精度±0.065%，系統(tǒng)精度約±1%，能夠滿足最小泄漏量的檢測(cè)要求。

在t1時(shí)刻測(cè)得出水支管流量Q1101t1，在t2時(shí)刻測(cè)得出水支管流量Q1101t2，當(dāng)Q1101V=Q1101t2-Q1101t1≥QWM=0.3m3/h時(shí)，說明該冷卻回路出現(xiàn)泄漏。

實(shí)際工程中，出水支管流量的瞬時(shí)流量易受外界因素影響而跳動(dòng)，通過在穩(wěn)壓罐設(shè)計(jì)穩(wěn)壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定穩(wěn)壓罐頂部壓力或PLC系統(tǒng)編程軟件中設(shè)計(jì)消抖濾波器來消除數(shù)據(jù)跳動(dòng)現(xiàn)象得到真實(shí)測(cè)量值。

綜上所述，要保證密閉冷卻水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需將穩(wěn)壓罐罐頂壓力穩(wěn)定。如圖4所示，在罐頂設(shè)置了一個(gè)壓力變送器PT-1001，當(dāng)罐頂壓力高時(shí)打開排氣閥PV-1001a，達(dá)到目標(biāo)值時(shí)關(guān)閉；當(dāng)罐頂壓力低時(shí)，打開補(bǔ)氣閥PV-1001b，達(dá)到目標(biāo)值時(shí)關(guān)閉。

設(shè)計(jì)一個(gè)濾波計(jì)數(shù)器去除流量測(cè)量的瞬間干擾，計(jì)數(shù)值為N，周期1s。將采樣值與當(dāng)前值比較，當(dāng)采樣值等于當(dāng)前有效值時(shí)計(jì)數(shù)器清零；當(dāng)采樣值大于當(dāng)前有效值(差值大于儀表精度，否則沒有意義)時(shí)計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，并判斷計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)是否大于或等于N，如果是便將本次采樣值替換為當(dāng)前有效值，同時(shí)計(jì)數(shù)器清零。僅當(dāng)采樣值有N次與當(dāng)前值不一致時(shí)，才確認(rèn)支管流量發(fā)生變化，并記錄下來。設(shè)計(jì)一個(gè)濾波數(shù)組，采用中值濾波算法去除液位測(cè)量的環(huán)境干擾，數(shù)組長度為M個(gè)連續(xù)采樣的液位數(shù)據(jù)，每秒采樣一次，數(shù)組的M個(gè)采樣數(shù)據(jù)采用先進(jìn)先出原則更新，將數(shù)組中的M個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，分別去掉最大值和最小值，然后計(jì)算M-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，此值為穩(wěn)壓罐液位采樣值，并記錄下來。設(shè)計(jì)4個(gè)液位趨勢(shì)差報(bào)警閾值，一級(jí)為大泄漏量，報(bào)警閾值5mm/30s；二級(jí)為中級(jí)泄漏量，報(bào)警閾值1mm/min；三級(jí)為小泄漏量，報(bào)警閾值4mm/5min；四級(jí)為微小泄漏量，報(bào)警閾值8mm/10min。

液位趨勢(shì)差和流量趨勢(shì)差動(dòng)態(tài)報(bào)警程序流程如圖5所示。當(dāng)液位趨勢(shì)差有效值不小一級(jí)或二級(jí)泄漏量報(bào)警閾值時(shí)，再判斷單個(gè)支管流量趨勢(shì)差的有效值，當(dāng)任何一個(gè)支管流量趨勢(shì)差有效值小于各自支管流量趨勢(shì)差的報(bào)警閾值時(shí)，說明一級(jí)或二級(jí)泄漏量發(fā)生在密閉冷卻水系統(tǒng)的管網(wǎng)或外圍設(shè)備；當(dāng)某一個(gè)或多個(gè)支管流量趨勢(shì)差的有效值不小于相應(yīng)支管流量趨勢(shì)差的報(bào)警閾值時(shí)，說明相應(yīng)支管出現(xiàn)泄漏。三級(jí)或四級(jí)泄漏量報(bào)警閾值小于任何一個(gè)支管流量趨勢(shì)差的報(bào)警閾值，因此，當(dāng)液位趨勢(shì)差有效值不小于三級(jí)或四級(jí)泄漏量報(bào)警閾值時(shí)，說明密閉冷卻水系統(tǒng)有微小泄漏，這一功能稱為密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏預(yù)警，這種情況雖然不影響電石爐的安全生產(chǎn)，但必須引起足夠重視。

圖5 液位趨勢(shì)差和流量趨勢(shì)差動(dòng)態(tài)報(bào)警程序流程

5 結(jié)束語

結(jié)合某廠46.5MW電石爐改造工程，對(duì)密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏的幾種檢測(cè)方法進(jìn)行分析，綜合考慮各種干擾因素，建立密閉冷卻水系統(tǒng)泄漏檢測(cè)模型，利用穩(wěn)壓罐液位趨勢(shì)差，結(jié)合出水支管流量趨勢(shì)差，不僅能快速檢測(cè)并判斷電石爐密閉冷卻水系統(tǒng)某個(gè)冷卻回路的泄漏，同時(shí)能對(duì)密閉冷卻水系統(tǒng)的微量泄漏進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行泄漏預(yù)警，對(duì)電石爐的安全生產(chǎn)運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。這種方法也適用于高爐煉鐵軟水密閉冷卻水系統(tǒng)和煉鋼軟水密閉冷卻水系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)，可推廣應(yīng)用。

[1] 朱國剛.平行軸齒輪減速機(jī)無泄漏密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械,2013,40(4):534～535.

[2] 胡鵬飛,曹麗華,李勇.汽輪機(jī)葉頂間隙變化對(duì)葉頂泄漏流動(dòng)的影響[J].化工機(jī)械,2013,40(5):628～633.

[3] 張巖,羅劍,竇巖,等.煤干燥蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)換熱管泄漏檢測(cè)及處理方法[J].化工機(jī)械,2013,40(5):665～667.

[4] 操龍兵,夏明六,韓成樹.轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐水冷壁管泄漏失效分析[J].化工機(jī)械,2013,40(6):844～846.

[5] 李忠虎,李希勝.過程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)及儀表[M].北京：中國計(jì)量出版社,2009.

LeakDetectionofSealedCooling-waterSystemforCalciumCarbideFurnace

LU Hong-yong

(WISDRIEngineering&ResearchIncorporationLimited,Wuhan430223,China)

Basing on considering the reconstruction of a 46.5MW calcium carbide furnace, the leak detection methods of the furnace’s sealed cooling-water system were analyzed to establish a leakage detection model for it so as to achieve rapid detection and judgment of the gross leakage and the early-warning of small leakage.

sealed cooling-water system, leak detection, trend-difference model, microwave leak detection

2016-02-25(修改稿)

TQ161

B

1000-3932(2016)04-0375-06