工业硅炉循环冷却水漏水监控应用及改进.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：武荣强（1971），男，汉族，大学本科，高级工程师，新疆西部合盛硅材料有限公司，研究方向为工业硅炉供配电及自动化控制。-192-工业硅炉循环冷却水漏水监控应用及改进 武荣强 丛冬珠 新疆西部合盛硅材料有限公司，新疆 石河子 832011 摘要：摘要：介绍了冶炼行业工业硅炉循环冷却水系统漏水监控保护原理、应用，给出了一种快速检测炉内设备漏水的方法，安全、可靠、灵敏、及时；同时选择使用数据远传，联锁控制，集中控制的同时保证了高自动化率；极大的保证了后期的快速抢修，避免造成设备因漏水产生的一系列安全问题，有极高的经济性及实用价值；也提出了漏水监控系统用在老旧炉子改造上存在的一些问题，并提出改进措施。关键词：关键词：工业硅炉；循环冷却水；漏水监测；联锁控制；改进 中图分类号：中图分类号：TM6 1 概述 工业硅又称金属硅，是由硅石、煤和碳质还原剂按一定的比例混合后加入工业硅炉中通电冶炼成具有金属光泽的产品；其用途广泛，被称之为“工业味精”，而工业硅的冶炼工艺控制比较复杂。生产过程控制危险程度也非常高。特别是炉芯设备水冷部件漏水，对硅炉的威胁非常大，即使是少量的漏水也必须立即停炉进行补焊抢修；否则，很可能引起硅炉爆炸。由于工业硅的冶炼工艺决定，炉芯设备如：底部环、压力环、铜瓦、保护屏、大套必须在内部通水的情况下，才能长时间耐受工业硅炉内高温，从而正常工作。这些炉芯水冷部件由于种种不可避免地原因时常发生汽化、断水、漏水现象。如何及时发现炉芯水冷部件漏水，从而进行保护控制，是冶炼专家们一直研究发展、改进的课题。下面本人就某公司已用的漏水保护监测系统存在的问题进行分析，提出改进措施并实施，并起到了很好的效果。2 原理概述 工业硅生产是将硅石、煤及还原剂按照一定的比例投入硅炉内通过电极导电产生大量的热能在 1700以上的高温下熔化还原成硅水。出炉后冷却成块状，进一步破碎、磨粉使用。工业硅炉内有三根导电的电极通过紧紧贴在其表面的铜瓦及水冷电缆吸取电炉变的电能，铜瓦与电极之间的压力来自于其外侧的压力装置（压力环）。压力装置的压力是由水乙二醇液压产生，不能承受太高的温度，才能正常工作。必须通过其外层的保护套及底部环对其进行保护。为了准确及时的监测到这些水冷部件不被炉内高温烧坏发生漏水、能正常运行，按照国家规范，必须对其进行漏水监测控制。某工业硅厂有 28 台工业硅炉，在每一台硅炉上已设计了一套炉芯设备漏水（汽化、断水）监测保护控制系统，安装原理框图（如图 1）。每台炉子设计了130 路冷却水，每一路水管 DN40，其中，比较重要的水冷部件有底部环和保护套共计 12 路。每套监测保护控制系统设置 12 路。可监测到底部环 6 路水和保护套6 路水等运行状态。一旦出现某一路供水异常，监测保护控制系统可快速切断进水，同时发出报警提示工艺操作人员立即降低工业硅炉负荷停电处理漏水的水冷部件。图 1 漏水监测控制安装原理框图 在每一路进、出水管上装有一对电磁流量计，在每一路进水电磁流量计前端安装一个进水电动调节阀。正常时循环水进水总管压力 0.20.28MPa，每路水管的进、出水流量在 810m/h 之间，平时流量稳定在9m/h 左右。进、出水电磁流量计对工业硅炉炉芯重要水冷部件 12 路水的每一水路进、出水进行实时采样，获得实时流量数据，实时流量数据通过信号电缆将中国科技期刊数据库 工业 A-193-4-20mA 电流信号传送至 PLC 可编程控制器，经 PLC 可编程控制器进行数据采集、数据分析、比较判断后比对差值，如果出水流量小于进水流量，超过控制柜触摸屏设置的流量偏差报警设定值以后，延时几秒后，发出现场报警信号，提示维护人员检查对应水路是否有漏水情况。若进、出水流量差值继续上升至切断设定值后，PLC 可编程控制器可触发电动调节阀工作，切断该水路进水，同时发出报警提示工艺操作人员立即降低工业硅炉负荷停电处理漏水的水冷件。同时，所有 PLC 可编程控制器采集到的数据，通过 485 通讯采集到控制室 DCS 中，保存记录流量趋势，再由 DCS 系统判断是否需要发出远程报警、降负荷或停电的控制命令。监测保护控制原理拓扑图（如图 2）。进水电磁阀进水流量计回水流量计比较判断数据采集参数设定信息读取报警输出DCS弹窗报警DCS系统硅炉停炉关断Q Q2,tt2QQ1,tt1420mA420mA数据传输控制 图 2 漏水监测保护控制原理拓扑图 这种工业硅炉循环冷却水漏水监控系统，给出了一种快速检测炉内设备漏水的方法，安全、可靠、灵敏、及时；同时可选择使用数据远传，联锁控制，集中控制的同时保证了高自动化率；极大的保证了后期的快速抢修，避免造成设备因漏水产生的一系列安全问题，有极高的经济性及实用价值。但是，前期建设的工业硅炉由于场地和资金的原因，电炉变压器距离炉子和水排太近，水排空间间距有限，在实际运行中发现，本漏水监控系统用在老旧炉子上也存在一些问题，下面逐项论述。3 问题分析 漏水监测控制系统安装后，大部分炉子运行正常，起到了一定的预防预警作用。但是，由于本系统是在用炉子改造项目，有的系统是在炉子不停电工况下安装的，导致个别水路有时有误报警现象发生。致使不敢投入断水、断电联锁指令。经过检查发现，存在以下问题：3.1 每对电磁流量计检测流量本身有误差与实际流量不相符，时大时小，有时还会存在负偏差 出水流量大于进水流量，分析原因有：电磁流量计本身存在误差，有的误差超过 5%。水质太差（循环冷却水系统是开式循环水系统，没有经过软化处理），造成流量计检测探头太脏，经常有污物附着于电磁流量计电极之上，导致电磁流量计绝缘，失去测量能力。电炉变产生强大的磁场，流量计距离电炉变太近，流量计受到电磁场影响，造成检测误差。3.2 安装位置不合适 有的回水流量计安装在回水竖直管段上，进水流量计安装在进水水平管段上，水流压力不平衡，造成计量误差。有的流量计安装位置距离前后手阀或水管拐弯处太近（小于 500mm），测量压力不稳定，造成计量误差。有的进水流量计安装在进水竖直管段上，回水流量计安装在水平管段上，这样也能造成计量误差。有的回水流量计后端直接连接了一段软胶皮管作为回水管，很容易被压变形或被折弯，使回水压力产生波动，造成计量误差。有的流量计安装在水管的旁路上，而旁路在主路之上，这样由于旁路高于主路，水管内低速运行时经常半管流动，会产生汽蚀，出现真空状态或有空气，造成计量误差。如果安装空间受限，此时正确安装位置应该是旁路在上，主管路在下（如图 3）。图 3 空间受限流量计正确安装位置 3.3 环境影响 工业硅炉是开式循环冷却水系统，由于空间受限，有些回水流量计安装在回水槽上部；冬天 50的回水遇冷产生大量水蒸汽，流量计长期浸泡在水蒸汽中，造成表计进水电路腐蚀、短路，流量计损坏。3.4 水质太差，杂质太多 中国科技期刊数据库 工业 A-194-管线加装的过滤器网孔太大，造成进、回水流量计管口短时间被堵塞。此时，进水压力波动、流量短时波动。而回水压力延时有短时波动。由于 DN40 的水管进、出水流量计之间有 25m30m 的水路间距，回水流量计检测的流量与进水流量之间产生短时间的流量（流速）时间差，产生短时文丘里效应。具体的说，就是按照水管内循环水的流量 9m3/h 计算，循环水在DN40 的水管内流动速度是 1.98 米/秒。也就是说循环水从进水流量计流出要经过15秒才能到达出水流量计流。也就是说循环水进水流量压力波动流量值要经过15 秒，出水流量计流才能检测到。前文说过，“若进、出水流量差超过 PLC 设置的流量偏差报警设定值后，延时几秒后，发出现场报警信号。”这也是造成漏水监控系统时常发出误报警的主要原因。3.5 操作维护不当 流量计旁路手阀关闭不严，分流造成实质上的流量差，造成漏水监控系统发出报警。如果进水流量计旁路手阀关闭不严，分流造成实质上的流量负偏差。如果出水流量计旁路手阀关闭不严，分流造成实质上的流量正偏差。3.6 接地不良 检查发现有些流量计的外壳接地线有松动、锈蚀现象，测量接地电阻几到几十不等。按规范要求，在外界电磁场干扰较大的环境下,安装使用电磁流量计，应将传感器和转换器另行设置接地装置，接地线应采用截面大于 5mm2的多股铜线,传感器的接地线绝不能接在电机或其它设备的公共地线上,以避免其他设备漏电流的影响。接地电阻应不大于 4。4 改进措施 安装位置尽量远离电炉变压器，远离烧穿器铜母排，避开有电磁干扰的地方。如果安装位置无法改变或无法躲避电磁干扰，可选用抗电磁场的流量计涡轮流量计或磁感应流量计。磁感应流量计分为转换器和一个基于插入测量技术的五片开放型转轮两部分组成，转轮的每个叶片上均装有磁性元件，每次磁性元件经过转换器即产生一个脉冲信号；液体流经管路及传感器时，可使转轮旋转产生一个方波输出信号，其频率与流速呈正比，从而计算出相对流量。磁感应流量计有量程比大、高精度、插入深度可调、防堵塞等优点。其最大特点可以屏蔽部分电磁场的干扰。改进安装方式，无论旁路在上面还是在下面。都必须将进、出水流量计安装在水平管段的下面分支管上，使得流量计满管检测。使流量计距两侧手阀距离流量计大于 500mm。根据电磁流量计核定规程（JJG1033-2007）测试标准要求,通常前直管段应达到 10D,后直管段应为 5D。一般要求距离要有前 5 倍后 3 倍管道直径的直管段。在下侧主管路上的流量计后安装一个排污阀，以便定期及时排除积在 U 管底部的杂质泥污。安装标准参考（如图 4）。图 4 进水流量计安装示意图 安装地点不能有大的振动源，应采取加固措施来稳定仪表附近的管道。为了确保电磁流量计的正常运行及测量精度，接地极的正确安装是极为重要的一个环节。流量计的传感器外壳、屏蔽电缆、测量本体及两端的管道都要接地，接地极应单独设置，接地电阻应小于 4 欧姆，不能接到电气接地或公共接地网上，以减少静电干扰和设备漏电干扰。将回水流量计后端的软胶皮管全部换成钢制硬壁水管，以消除软胶皮管被压变形或被折弯，带来的回水压力产生波动，造成的计量误差。中国科技期刊数据库 工业 A-195-图 5 PLC 控制程序修改处 修改漏水监控系统 PLC 控制程序：将进、出水流量计流量偏差延时报警设定值，由原来的 6 秒调整到25 秒，躲过进、回水流量计之间流量（流速）时间差；修改程序使漏水监控系统具有短时报警自动复位功能。PLC 控制程序修改处（如图 5）虚线框部分。5 效果验证 通过对工业硅炉循环冷却水漏水监控系统以上问题的改进，非常成功，监控准确率大大提高，检测效果很明显。例如，某台炉子误报警次数由每月 5、6 次下降低到半年2、3次。大幅度的减少人工的检查频率。可在短时间内快速准确的发现真实的漏水安全隐患，同时也降低设备的维修成本。对于对于冶炼行业其他类型矿热炉循环冷却水系统监控也有借鉴意义。参考文献 1张皓,杨金城.电磁流量计的测量原理及其在工程设计中的应用J石油化工自动化,2014(12):55-58.2成雅各.电磁流量计测量精度提升的优化研究J机械管理开发,2023(1):150-151.3刘应,戴毓.常见电磁流量计故障及解决方案J仪器仪表用户,2020(9):48-50.4赵昕亮.电磁流量计误差分析与研究J自动化应用,2018(11):59-60.5于秀丽.浅析电磁流量计产生误差的原因J工业设计,2017(10):141-142.6王晓莉,唐涛,穆秀云.电磁流量计故障检查分析和排除J化工科技,2018(5):79-82.7工业循环冷却水处理设计规范.(GB/T50050-2017)S.8电磁流量计核定规程.(JJG1033-2007)S.9自动化仪表工程施工及验收规范.(GB50093-2013)S.10工贸企业重大事故隐患判定标准(应急管理部令第 10 号)Z.