如何提高密闭电石炉冷却水防泄漏系统运行可靠性

马建锋

（中国石化 长城能源化工（宁夏）有限公司，银川 750000）

0 引言

目前国内电石炉主要有开放炉、半密闭炉、密闭炉，根据容量大小分为小型炉、中型炉、大型炉，我国的分类习惯是：8000kVA 以下的是小型炉；8000kVA ～25000kVA的是中型炉；大于25000kVA 的是大型炉[1]。中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司首次引进德国西马克密闭电石炉，其生产容量为81000kVA，采用空心电极技术，有效利用了原料粉末，降低了电石成本。电石炉在生产过程中释放大量的热量，最高温度能达到3500℃，这就需要合理有效的冷却系统对设备进行降温，通过冷却管线负责对电石炉的电极、烧嘴等主要部件进行冷却，介质为二级脱盐水。电石炉冷却水防泄漏控制系统是防止和杜绝漏水引起电石炉爆炸所采取的重要手段，并且严格按照安全规范（EN954-1 以及EN ISO 13849-1）进行设计，提供安全的检测方案，在有泄漏信号产生时发出报警信号及联锁。但由于现场工况等一系列问题的影响以及流量计选型不合理，电石炉自2013 年5 月开车投用后陆续出现冷却水防泄漏系统误报，或漏水不动作等现象，对电石炉安全稳定生产存在重大隐患。因此，只有提高电石炉冷却水防泄漏系统的监测可靠性，才能实现电石炉长稳优运行。本文对几起冷却水防泄漏系统运行不稳定，影响电石炉生产事件进行调查和原因分析，并且采取了相应的解决措施。

1 密闭电石炉冷却水防泄漏系统、流量计简述

1.1 密闭电石炉冷却水防泄漏系统

密闭电石炉是将电能转化为热能的设备，这就决定了它时刻处在高温环境下运行。为了保证电石炉长周期安全运行，循环冷却水是不可缺少的辅助物料，作用是对电极不同部位进行冷却降温。为了防止冷却管线中的冷却水泄漏而引起爆炸等安全隐患，在装置中增加泄漏检测系统是一个非常重要的安全防护措施，而且方案的设计严格按照安全规范（EN954-1 以及EN ISO 13849-1）执行。系统不仅可以提供安全的检测方案，还能在有泄漏信号产生时发出报警信号。

1#电石炉冷却水防泄漏系统采用Endress+Hauser GmbH+Co. KG（简称E ＋H 公司）自动化仪表公司技术。主要实现157 个冷却水管线的泄漏检测。其中140 条管线的进口处和出口处分别安装1 个流量计，另外17 条管线只在出口处安装流量计。为了对流量计进行温度补偿，每个水分配器安装两个温度计，每条管线的回流总管处分别加装1 个温度计（为了确保测量精度以及安全性，温度计不集成在流量计上）。控制室PLC 系统负责现场仪表（涡街流量计以及温度传感器）的数据采集，并进行数据分析，判断是否有管线泄漏。一旦检测到有管线泄漏，即产生一个报警信号，送到主控制室进行声光报警器或紧急停车控制（1#炉运行稳定），见图1。

系统主要功能如下：

1）检测冷却管线进出口流量以及温度信息，并送给PLC。

2） PLC 计算经过温度补偿后的冷却管线进出口的流量，并计算出进出口的流量差值（经过温度补偿后的差值）。

3）如果计算出的进出口流量差值超出了预先设定的最大上限，则PLC 产生报警信号给相应的报警装置（声光报警器或紧急停车系统等）。

4）通过监控电脑实时显示相关检测数据，并进行相关参数设置。

图1 冷却水防泄漏控制系统Fig.1 Cooling water leak control system

图2 小漏水检测Fig.2 Small leak detection

图3 大漏水检测Fig.3 Large leak detection

2#～6#电石炉冷却水防泄漏系统主要实现157 个冷却水管线的泄漏检测，出口管线处分别安装1 个流量开关进行低流量监测（称之为小漏水）见图2。另外，在5 个总管的进口处和出口处分别安装1 个电磁流量计进行流量差监测（称之为大漏水），见图3。

图4 涡街流量计Fig.4 Vortex flow meter

1.2 流量计

1）由于1#电石炉冷却水防泄漏系统控制方式采取的是支管进、出口管线流量差的报警及联锁，使用的流量计为涡街流量计，分别安装在电石炉冷却水支路管线的进口处和出口处。该涡街流量计型号：72F40-SK0AA1AAB0AW；压力等级：PN250/Class1500；流体温度范围：-200℃～+400℃；公称通径：DN40；测量范围：0 ～60m3/h；精度：0.75 级；生产厂家：恩德斯豪斯流量仪表技术有限公司，投用至今运行稳定，见图4。

2）而2#～6#电石炉冷却水防泄漏系统控制方式采取的是“大漏水+小漏水”，所谓大漏水是进出口总管处流量差监测，通过电磁流量计来测量。该电磁流量计型号：SE325MM；压力等级：0.98MPa；流体温度：80℃；公称通径：DN250；测量范围：0m3/h /～250m3/h；精度：0.5 级；生产厂家：上海横河机电，投用至今运行不稳定，流量值偏差大且波动大。小漏水是支管出口处低流量监测，通过流量开关来测量，该流量开关型号：DW182/C042/RR/A/K2/DN40；压力等级：4.0MPa；流体温度范围：常温；公称通径：DN40；测量范围：0m3/h ～16m3/h；精度：5 级；生产厂家：KROHNE。投用至今运行不稳定，流量值偏差大且波动大。

2 密闭电石炉冷却水防泄漏系统运行现状调查

2.1 1#电石炉冷却水防泄漏系统运行现状调查

由于1#电石炉和2#～6#电石炉冷却水防泄漏系统控制方式不同，先对1#电石炉水检漏控制系统运行情况进行现状调查，自2013 年5 月投用至今该系统运行相对稳定，只有极个别时候是由于水质太脏，将涡街流量计传感器部件包裹淤堵，导致测量不准确，通过反吹或对流量计下线清洗就可以解决。

2.2 2#～6#电石炉冷却水防泄漏系统运行现状调查

2#～6#电石炉自2013 年8 月相继投用后，冷却水防泄漏系统频繁出现误报或实际漏水而不报警不联锁事件发生，主要表现为：

1）电石炉水分配器回水总管流量测量值大于进水流量测量值的情况较多，电磁流量计在该工况测量误差极大，冷却水实际漏水时，不能真实地进行漏水报警、联锁。

2）流量开关测量误差大，内部元件永久磁铁的活塞和弹簧容易被淤泥和杂质包裹住，测量指针在某一个值不变化。

3 冷却水防泄漏系统运行不稳定原因分析

通过对电石炉冷却水防泄漏系统运行情况进行调查，1#炉冷却水防泄漏系统运行较稳定，2#～6#炉冷却水防泄漏系统运行极不稳定，利用电石炉停炉检修期间对原因进行分析。

3.1 电石炉冷却水水质

由于密闭循环水管线为碳钢材质，没有做衬塑等处理，在该工况下长时间使用，容易形成水垢，水垢又称硬垢、水生垢。是一种具有反常溶解度的难溶或微溶的无机盐组成，在循环冷却水系统中，最常见的难溶及微溶盐类有：CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4、MgSiO4、Zn3(PO4)2等。通过对循环冷却水化验分析（详见表1），确定长时间运行管道的锈蚀水质浊度变大，导致循环冷却脱盐水指标大大降低，影响冷却降温效果和仪表流量监测。

3.2 电石炉本体绝缘

按照电石炉技术要求及质量标准，测试绝缘值不得低于5 MΩ 方为合格，或用焊机达弧光测试，不以出现明火为检验合格[2]。但通过对电石炉本体绝缘测试,发现电石炉绝缘效果不理想，并且电磁流量计接地电流测试都在AC302 A（详见表2 表3），甚至有时还能看到在桥架与钢结构固定支架处打火烧红的现象。

3.3 流量计、流量开关选型

由于水质差，炉本体漏电也无法解决。电磁流量计的测量原理就已经确定它不适合在强磁场和漏电场合使用，再加上水质浊度变大，酸碱度不适对电磁流量计传感器电极污染，内衬结垢导致绝缘性能降低，影响流量计测量准确度。

对于机械式流量开关来说，铁锈和其他金属杂质慢慢吸附在流量开关内部永久磁铁的活塞表面，时间长了，吸附的金属杂质越来越多，将永久磁铁的活塞和弹簧包裹住，缩小了永久磁铁活塞的活动范围，直接影响了测量准确度。说明电磁流量计和流量开关不合适在该工况下使用。

3.4 仪表检修安装质量

现场确认电磁流量计和流量开关各部件安装，没有缺件，符合仪表安装规范；同时对电磁流量计接地线、跨接线进行了排查，均符合要求。

表1 循环水化验分析数据统计表Table 1 Statistical table of circular water test analysis data

表2 电石炉绝缘监测记录表Table 2 Wire furnace insulation monitoring record sheet

4 确保冷却水防泄漏系统运行稳定解决措施

4.1 工艺水质控制措施

1）在循环水站增加加药设施，添加药剂，已达到密闭循环水指标要求。

2）利用停炉检修或大修机会对密闭循环水逐步进行置换，将混浊不合格的循环水排出，同时补充新鲜指标合格的循环水。

表3 电磁流量计接地电流检测记录表Table 3 Electromagnetic flow meter ground current detection record sheet

4.2 流量计、流量开关选型改进措施

4.2.1 流量计选型改进措施的方法对所测信号进行修正。计算时将差压变送器输出的4mA ～20mA 标准直流信号分n 段，用n 个修正系数来修正，使毕托巴流量计传感器在全量程范围内保证准确度。

图5 风调标定曲线图Fig.5 Wind alignment curve

3）毕托巴传感器的独特结构不易受磨损、杂质的影响，没有可以活动的部件，一体化结构避免了高、低压腔室之间的信号渗漏。

图6 风管模拟实验图Fig.6 Wind pipe simulation experiment

4）毕托巴传感器的设计，使其不仅在流量测量上保持了高精度、高强度和大量程比，还使得管道压损大大降低。一次测量元件毕托巴传感器是由不锈钢管制成，其截面积很小在介质管道中压力损失很小，几乎无压力损失，使运行成本大大减小，与长径喷嘴、孔板、机翼等节流流量测量装置相比较，具有明显的节能效果。

5）对直管段要求很低，最低为前2D 后1D；能够保证安装的确定性，特别在测量管道易结垢的介质时，不会影响测量的准确度。毕托巴流量计的可靠性、精度等级高（液体一般为0.5 级），重复性好。

6）毕托巴传感器以背靠背防堵式设计，彻底摆脱了插入式流量探头易堵塞的弊端，传感器的取压孔分别为总压取压孔、静压取压孔；其次毕托巴传感器在安装上也达到了理想的防堵效果，将毕托巴传感器自上向下插入管道中心区[4]，探头前部形成高压区，在高压区处形成不规则涡流，粉尘受自身重力作用自然下落，阻止了颗粒进入；实践证明，防堵型毕托巴传感器达到了理想的防堵性能和稳定的取压功能，长期稳定运行，精确度高。

7）该结构是由软填料装置、在线维护连接装置系统等零部件组成。它的优点是可在线装卸，如果堵塞，可方便取出传感器进行疏通处理。

8）传感器配备反吹装置。传感器一旦堵塞，可通过连接反吹源进行反吹，因为传感器采用一对孔取压。只要疏通就能把取压孔完全疏通，并保证计量的稳定准确。

9）为了达到仪表测量的准确性，消除信号传输滞后，在控制系统程序上做顺延累计平均值和滤波偏置消除峰值造成的波动，有效提高了流量计监测数据的稳定性。

4.2.2 流量开关选型改进措施

2017 年对流量开关进行技术攻关，对流量开关重新选型试用，选择平板弹性体和霍尔传感器原理靶式流量开关。型号：MF3F/DN40/M5K2/CLG 和TGF0040FC-18T 靶式流量开关，具体措施是：法兰安装与DW18 原流量开关机械结构配合，输出信号与SIEMENS S7-300 卡件兼容，采用不锈钢平板弹性体和霍尔传感器，内置单片机，LCD 液晶显示流体流量，两路2 线电流输出型电子开关，通过按键设置报警点，报警点逻辑可以设置为上上限、上限、下限和下下限4 种逻辑。观察治理后的流量开关线性良好，输出稳定；离线检查流量开关表体干净，未见杂质淤泥包裹，达到自清洁目的。流量开关具备以下功能特性：采用霍尔传感器，抗电磁干扰强。

图7 毕托巴流量计示意图Fig.7 Bittoba flow meter schema

流量指示精度在原设计精度±15%提高到±2.5%。报警设定点在原设计精度±5%提高到±1.5%。检测元件具备防腐、防堵、自清洁功能。变送器智能化，微功耗条件下具有足够的灵敏度和稳定性。零点可自动标定，报警值可在量程范围内组态设定。靶式结构具备挂码标定功能，可离线标定线性和精度，具备耐振型、抗过载、长期稳定性。

4.3 重新选型安装后运行效果

自2018 年5 月技术改造后至今，从现场历史趋势分析稳定性、准确性达到了96%以上（本公司要求仪表四率≥95%）。试运行后，毕托巴流量计及智能流量开关能够有效避免因电磁干扰、管道震动、水质不达标等因素影响流量测量的准确性，保证了冷却水防泄漏系统运行可靠稳定，杜绝了因冷却水防泄漏系统误动作，而导致电石炉非停事件发生。

5 结束语

综上所述，通过对电石炉冷却水防泄漏系统运行不稳定的原因进行分析，从电石炉本体安装绝缘性能上、工艺水质、仪表选型、仪表安装规范，有针对性地逐一提出了问题所在点，并且采取一系列行之有效的解决措施，让电石炉冷却水防泄漏系统运行逐步稳定。如果将以上提出的措施在实际生产工作中逐一实施解决，就会有效提高冷却水防泄漏系统运行稳定性，避免电石炉非计划停车和爆炸事件发生，提高了装置长周期安全可靠运行，为企业的安全文明生产提供了有力保障。