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      加熱爐襯里損傷的紅外熱像評(píng)定方法研究

      2014-05-29 00:38:52潘鳳紅陳大為
      化工機(jī)械 2014年6期
      關(guān)鍵詞:爐墻襯里外壁

      潘鳳紅 陳大為

      (1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院;2.華電電力科學(xué)研究院)

      石化加熱爐爐墻通常由耐火層和絕熱層組成,其主要作用是保溫隔熱。在設(shè)備運(yùn)行過程中,由于各種原因可能會(huì)出現(xiàn)襯里減薄及脫落等缺陷[1],使其保溫隔熱作用降低,這不僅會(huì)增加爐子能耗、減少企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,而且還關(guān)系到設(shè)備能否安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。過去石化企業(yè)通常采用定期停產(chǎn)檢修的方法來保證加熱爐安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

      近年來,隨著紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展,紅外熱像儀以其測(cè)量速度快、靈敏度高及范圍廣等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于熱設(shè)備表面溫度的在線測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備保溫狀態(tài)的快速評(píng)估[2]。通常在利用紅外熱像儀等設(shè)備獲取熱設(shè)備外表面的溫度后,可按照損傷經(jīng)驗(yàn)等級(jí)法對(duì)設(shè)備的襯里損傷程度進(jìn)行評(píng)定[3~5]。但由于石化加熱爐一般都是露天布置,加熱爐外表面溫度受環(huán)境因素影響,使損傷程度判定不準(zhǔn)確。特別是東北等高寒地區(qū)四季溫度變化較大,如果忽略環(huán)境因素的影響,對(duì)襯里損傷程度判定的誤差更大。

      筆者在依據(jù)現(xiàn)有襯里損傷程度判據(jù)的基礎(chǔ)上,利用紅外熱像儀對(duì)加熱爐表面溫度測(cè)量后,對(duì)襯里損傷程度進(jìn)行判定。同時(shí),針對(duì)環(huán)境溫度變化造成判定不準(zhǔn)確的問題,提出了溫度修正方案,將各種環(huán)境溫度下的評(píng)定結(jié)果轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)環(huán)境溫度下的判定值,在保證評(píng)定結(jié)果準(zhǔn)確的同時(shí),為比較評(píng)定結(jié)果提供通用性依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

      1 爐墻外壁溫度數(shù)學(xué)模型

      石化加熱爐是以燃料在爐膛燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜嵛锪系模诩訜嵛锪系耐瑫r(shí),燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖矔?huì)通過爐墻向周圍環(huán)境傳遞熱量,其熱量傳遞過程如圖1所示。

      圖1 通過爐墻的傳熱過程示意圖

      根據(jù)上述傳熱過程,可將平壁爐墻內(nèi)的溫度分布采用導(dǎo)熱微分方程描述:

      (1)

      式中c——爐墻材料的比熱容;

      λ——爐墻材料的熱導(dǎo)率;

      ρ——爐墻材料密度;

      當(dāng)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),可認(rèn)為爐墻內(nèi)的熱傳導(dǎo)為一維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo),控制方程為:

      (2)

      同時(shí),內(nèi)、外表面的邊界條件分別為:

      (3)

      (4)

      式中hi——爐內(nèi)煙氣與內(nèi)表面間的復(fù)合傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),包含了輻射傳熱因素在內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù);

      ho——外環(huán)境與爐墻外表面間的復(fù)合傳熱系數(shù);

      tfi、tfo——爐內(nèi)煙氣和爐外空氣的溫度;

      twi、two——爐墻內(nèi)、外表面溫度。

      由于圓筒形熱設(shè)備的襯里厚度遠(yuǎn)小于設(shè)備直徑,因此將圓筒爐墻當(dāng)作平壁爐墻處理[6],則爐墻外表面溫度的計(jì)算式為:

      (5)

      2 損傷評(píng)定方法

      為了說明外壁溫度、環(huán)境溫度和襯里厚度三者之間的關(guān)系,以某石化加熱爐為例進(jìn)行分析、計(jì)算,繪制幾種典型環(huán)境溫度下外壁溫度與襯里厚度之間的關(guān)系曲線(圖2)。

      圖2 外壁溫度與襯里厚度的關(guān)系曲線

      由圖2可知:隨著襯里厚度的減小,外壁溫度逐漸升高;襯里厚度相同時(shí),外壁溫度隨環(huán)境溫度的增大而增大。因此,在建立設(shè)備外壁溫度與襯里損傷程度之間關(guān)系時(shí),必須考慮環(huán)境溫度的影響。令:

      (6)

      式中k——環(huán)境溫度的修正系數(shù),表示環(huán)境溫度對(duì)設(shè)備外表面溫度的影響程度。

      設(shè)環(huán)境基準(zhǔn)溫度為t0,則:

      tw=two+k(t0-tfo)

      (7)

      可通過式(7)將在任意環(huán)境溫度tfo下測(cè)得的外壁面溫度two轉(zhuǎn)化成基準(zhǔn)溫度t0下的外壁溫度值。

      通過上述分析,可在基準(zhǔn)環(huán)境溫度下分別計(jì)算各種典型損傷(無襯里損傷及部分損傷等)的設(shè)備外壁溫度及其范圍,并根據(jù)損傷情況和外壁溫度范圍將設(shè)備襯里損傷劃分為不同的等級(jí),形成基準(zhǔn)環(huán)境溫度下的損傷情況分類等級(jí)表。進(jìn)行損傷情況評(píng)定時(shí),通過紅外熱像儀獲取設(shè)備表面溫度后,根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度tfo通過式(7)修正后即可獲得基準(zhǔn)環(huán)境溫度下的外壁溫度。因此無需針對(duì)不同環(huán)境溫度標(biāo)定各自的損傷情況分類等級(jí)表,為檢修評(píng)定人員提供損傷情況分類標(biāo)準(zhǔn),只需溫度修正就可以快速判定熱設(shè)備的襯里損傷區(qū)域及其損傷程度。

      3 方案應(yīng)用

      以某石化加熱爐對(duì)流段側(cè)墻為例進(jìn)行等級(jí)計(jì)算。該設(shè)備爐墻襯里由厚度δ1=160mm的陶瓷纖維模塊和厚度δ2=60mm的輕質(zhì)耐火澆注料組成,外側(cè)有厚度為δ3=6mm的鋼板以維持加熱爐墻的整體性。同時(shí)針對(duì)該設(shè)備特征,標(biāo)定出20℃基準(zhǔn)環(huán)境溫度下襯里損傷程度分類等級(jí)(表1)。

      表1 20℃環(huán)境溫度下襯里損傷程度分類等級(jí)表

      為了驗(yàn)證筆者提出的損傷判定方案,分別于2013年5月和11月對(duì)加熱爐對(duì)流段側(cè)墻異常點(diǎn)進(jìn)行了兩次跟蹤監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)的紅外熱像圖如圖3所示,其中5月監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度為14.6℃,爐墻外表面平均溫度為84.8℃;11月份監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度為-7.4℃,爐墻外表面平均溫度為64.3℃。

      a. 5月份

      b. 11月份

      若不考慮兩次測(cè)量的環(huán)境溫度,僅依據(jù)紅外熱像儀測(cè)量的爐墻外壁溫度查表后判定襯里損傷程度,將得到兩種不同的損傷判定結(jié)果,影響工作人員對(duì)爐墻保溫情況的正確判斷。

      根據(jù)式(6)計(jì)算得到環(huán)境溫度修正系數(shù)k=0.96,根據(jù)式(7)對(duì)兩次測(cè)量的外壁溫度進(jìn)行修正,從而得到20℃基準(zhǔn)環(huán)境溫度下的爐墻外壁溫度,即:t5=84.8+0.96×(20-14.6)=90.0℃;t11=64.3+0.96×(20+7.4)=90.6℃。

      修正后,兩次測(cè)量的加熱爐外表面溫度偏差小于1℃,完全滿足精度要求。根據(jù)修正后的外壁溫度,異常點(diǎn)的兩次溫度檢測(cè)情況均判定為中下程度損傷,因此該方案判定結(jié)果準(zhǔn)確,檢修人員應(yīng)在適當(dāng)時(shí)機(jī)對(duì)其進(jìn)行檢修和維護(hù)。

      4 結(jié)束語

      筆者在分析熱設(shè)備襯里損傷判定的工作原理后,建立了熱設(shè)備外壁溫度數(shù)學(xué)模型。針對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了外壁溫度和襯里厚度的關(guān)系曲線繪制,分析了環(huán)境溫度對(duì)襯里損傷情況判定的影響,并提出了外壁溫度測(cè)量值的修正方法。最后在某石化加熱爐上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明:溫度修正方法可將各種環(huán)境溫度下的外壁溫度和襯里厚度關(guān)系標(biāo)定在基準(zhǔn)環(huán)境溫度下,溫度修正誤差小,可準(zhǔn)確判定熱設(shè)備襯里損傷程度,為企業(yè)快速、準(zhǔn)確地判定襯里損傷位置和程度提供可靠依據(jù)。

      [1] 李曉芹,周敏良.Shell煤氣化爐反應(yīng)段耐火襯里損傷脫落原因分析及處理措施[J].化肥工業(yè),2011,38(3):47~48.

      [2] 孫卉.紅外熱像技術(shù)在催化襯里損傷診斷中的應(yīng)用[J].工業(yè)爐,2011,33(6):28~29,38.

      [3] 楊體紹,歐陽琦,聶向暉,等.加熱爐襯里損傷的紅外熱像檢測(cè)[J].河南冶金,2004,12(2):19~21,29.

      [4] 周建龍,程學(xué)群,胡洋,等.加熱爐爐墻襯里損傷的紅外熱像監(jiān)測(cè)與評(píng)估[J].紅外技術(shù),2008,30 (10):595~598.

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      [6] 金光熙,徐丹,潘鳳紅,等.紅外熱像技術(shù)在石化熱設(shè)備熱損檢測(cè)上的應(yīng)用[J].紅外技術(shù),2009,31 (11):668~670.

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