CN107475473A - 一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，该方法具体为：冷却壁破损向炉内泄漏冷却水时，高温炉料强热流将其迎面加热再汽化，导致冷却壁热负荷总量削减，根据高温炉料强热流R、泄漏水汽化热量S、冷却壁热负荷T间此消彼长的平衡关系，在高温炉料强热流R变化不大短时段内，扣减和增添水泵运行台数，制造全域扰动环节，营造冷却壁轻微和严重泄漏运行氛围，人为改变泄漏水汽化热量S，在不增加额外成本、不改变原水路系统，确保生产安全的前提下，首先观察冷却壁进出水温差震荡趋势，筛选出显著正相关的泄漏破损冷却壁；其次依据冷却壁热负荷随动波幅差，推算泄漏程度指标。

Description

一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法

技术领域

本发明属冶炼技术领域，涉及冷却壁破损检漏技术，具体涉及一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法。

背景技术

冷却壁内侧砌有耐火砖炉墙砌体，当其受到侵蚀或脱落后，冷却壁的内表面将受到来自炉料柱的侧向挤压力和固体料柱的磨损，还要受到炉内高温气流的强大热负荷和熔融渣的热冲击以及熔损作用，即经受物理和化学侵蚀。

由于工作环境极其恶劣，通常会使冷却壁产生下述三种破损：①冷却壁壁体蚀损，造成壁体内水管外露，侵蚀泄漏。②冷却壁壁体断裂，使冷却壁内水管，被冷热交替应力拉裂或拉断。③冷却壁与炉壳两者受热膨胀后产生的位移不同步，导致冷却壁管根部被剪坏。

为了便于分析，把冷却壁承受高温的内侧称为“热面”；与炉壳接近的循环水冷却的另一侧叫“冷面”。由热面向炉内漏水叫“内泄漏”，冷面的泄漏叫“外泄漏”。内泄漏有冷却水流入炉内，遇上高温气流发生过热汽化反应；另外，泄漏进炉内的水会破坏渣皮，加速炉墙侵蚀，进一步损坏冷却设备，破坏炉况的稳定顺行，危及生产安全。

冷却壁出现断隙，裂隙逐渐延伸到冷却水管内，泄漏发生初期主要是锯齿状“缝隙型”，随后冷却壁上产生较大的蚀损，且冷却水管上出现较大的孔洞，柱桶状向“孔洞型”发展。

鉴于内泄漏的危害十分巨大，需要尽快找出冷却壁破损位置，并采取相应对策，显得十分迫切。

目前冷却壁检漏，主要是靠经验及直接观察进行综合判断，如：通过观察风口的火焰变化，炉内煤气中氢气含量及水分量变化，关闭冷却壁入出水阀憋压等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，通过操控泄漏水量大小，促使汽化吸热量高低震荡，捕捉冷却壁接受剩余热负荷响应状况，搜寻破损冷却壁、推算泄漏程度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，该方法具体为，根据高温炉料强热流、泄漏水汽化热量、冷却壁热负荷的平衡关系，在高温炉料强热流变化不大短时段内，人为制造汽化热扰动环节，依据冷却壁进出水温差震荡趋势、热负荷随动波幅差，对破损与无损冷却壁作出排名区分，同时推算冷却水向炉内泄漏程度。

进一步，具体包括以下子步骤：

1)扰动测试前，提取冷却壁热负荷值T₀和进出水温差中值Δt₀；

2)扣减水泵运行台数，配合进出口管阀小开度，减低冷却水压力，模拟冷却壁轻微泄露运行情况，保存冷却壁热负荷值T₁和水温差大值Δt₁，此时T₁≥T₀且Δt₁>Δt₀；

3)冷却壁串联组中的所有冷却壁按Δt₁-Δt₀从大到小排序，列出微泄漏时水温差提升幅度排名榜；

4)增添水泵运行台数，配合进出口管阀大开度，增加冷却水压力，模拟冷却壁严重泄露运行情况，保存冷却壁热负荷值T₂和水温差小值Δt₂，此时T₂≤T₁且Δt₂<Δt₁；

5)冷却壁串联组中的所有冷却壁按Δt₁-Δt₂从大到小排序，列出重泄漏时水温差下跌幅度排名榜；

6)经历轻微与严重泄漏震荡环节后，筛选出水温差升跌同步显著的、两个排名榜都靠前的冷却壁；

7)最后依据冷却壁热负荷随动波幅T₁与T₂差，获得泄漏水汽化热量，推算冷却水向炉内泄漏量。

进一步，所述微泄漏运行情况通过扣减水泵运行台数，或者配合进出口管阀小开度来实现。

进一步，所述严重泄漏运行情况通过增添水泵运行台数，或者配合进出口管阀大开度来实现。

进一步，所述冷却壁进出水温差值通过修正型高精度温度计测量。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明不增加额外成本、不改变原水路系统，确保生产安全的前提下，依据吸放热流平衡关系，借助汽化热攀升迅猛特征，人为制造冷却水压增减扰动环节，首先观察冷却壁进出水温差震荡趋势，筛选出显著正相关的泄漏破损冷却壁；其次依据冷却壁热负荷随动波幅差，推算泄漏程度指标；最后支持反复核实、连续观测、聚焦查证，在有效利用现存资源的基础上所提出的简便、安全的检漏方法。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1冷却壁安装结构示意图；

图2冷却壁热负荷检测原理示意图

图3破损冷却壁在热负荷扰动下温差走势图；

图4无损冷却壁与破损冷却壁温差走势对照图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如附图1冷却壁安装结构示意图所示，起支撑作用的金属炉壳内侧，耐火充填料，与冷却壁无缝衔接，冷却壁内侧砌有耐火砖炉墙，由于受物理和化学侵蚀，炉墙逐步剥落后，冷却壁的内表面将受到来自炉料柱的侧向挤压力和固体料柱的磨损，冷却壁出现破损发生泄漏，另外残存炉墙上可能附着厚薄不均的渣皮。正常情况下，高温炉料强热流，穿越渣皮、炉墙后，将热量传递给冷却壁，交由循环冷却水带走；炉役后期，冷却壁破损发生泄漏时，高温炉料强热流R，额外加热泄漏水再汽化热S后，再将剩余热量交由冷却壁冷却水带走，泄漏水汽化导致冷却壁承担的热负荷T削减。

如附图2冷却壁热负荷检测原理示意图所示，沿炉圆周体敷设满的冷却壁，内部通有冷却水管，水泵站出来的冷却水，经过炉底配水环管，分支管从下到上流经冷却壁串联组，其供水支管上安装有高精度流量计，检测冷却壁串联水流量Q，再经过上部集水环管，汇集送冷却装置后返回水泵站，循环利用。

上、下块冷却壁内水管，通过外设联络水管实现互通，在外部联络水管上，安装有修正型高精度温度计，检测冷却壁热交换进出水温，进出相减得水温差Δt。高精度流量计和修正型高精度温度计，仅在每块冷却壁代表性支管上安装。

现存冷却壁热负荷管理系统，根据热负荷计算公式：

每块冷却壁热负荷T＝水的比热C*冷却壁串接水流量Q*冷却壁进出水温差Δt

即T＝CQΔt……①

水的比热C＝1KCal/Kg.℃，单根流经冷却壁水量Q＝18T/h＝18000Kg/h，冷却壁进出水温差按Δt＝1℃计，由热负荷计算公式①得：

T＝1KCal/Kg.℃×18000Kg/h×4(每块冷却壁内支管根数)×进出水温差1℃＝72MCal/h，其中，水的比热C查表获得，每块冷却壁内支管根数由设备制作图数取，流经冷却壁水量Q由高精度流量计读取，冷却壁进出水温差Δt由修正型高精度温度计输出，通常Δt在0.4～1.5℃范围。

高达4～6Kg/cm²的冷却水，向2～3Kg/cm²炉内泄漏时，加热泄漏水再汽化热计算公式：

加热泄漏水再汽化热S＝泄漏水加热升温+汽化相变吸热

＝水的比热C*泄漏水量q*泄漏水升温差Δt_s+汽化潜热系数m*泄漏水量q

＝泄漏水量q*(水的比热C*泄漏水升温差Δt_s+汽化潜热系数m)

＝q*(1*100+542)

S＝642q……②

水的比热C＝1KCal/Kg.℃，借助实验表明，管内水压0.9Kg/cm²下，球阀开度调节水以1滴/秒速度外滴漏，容器收集水量约q＝1Kg/h；直径3mm连线细流q＝12Kg/h；在压力为3Kg/cm²炉内环境，水的汽化温度约133℃，汽化潜热系数542KCal/Kg，冷却壁进水温度按33℃计，由公式②得加热1Kg/h泄漏水再汽化热：

S＝642*1＝0.642MCal/h

滴漏时q＝1Kg/h，加热泄漏水再汽化热S削减冷却壁热负荷T总量占比0.642MCal/h/72MCal/h不到1％。

加热q＝12Kg/h泄漏水再汽化热：

S＝642*12＝7.7MCal/h

连线细流泄漏时，加热泄漏水再汽化热S削减冷却壁热负荷T总量占比7.7MCal/h/72MCal/h约10％。

缝隙泄漏时，低压呈现滴漏现象，高压呈现喷射状态。

实验数据，通过调整两片法兰松紧，模拟缝隙泄漏，容器收集计量，测试数据组：

泄漏缝隙面积0.07135cm²时，管内水压5.92Kg/cm²下，喷射泄漏水量q为104.85Kg/h；

泄漏缝隙面积0.1536cm²时，管内水压5.9Kg/cm²下，喷射泄漏水量q为105.65Kg/h；

泄漏缝隙面积0.3927cm²时，管内水压5.85Kg/cm²下，喷射泄漏水量q为106.72Kg/h。

从数据来看，滴漏时泄漏水量通常较小，一旦出现喷射现象，即使泄漏面积成倍增加，泄漏量趋于饱和，变化极其微小。因此，喷射与滴漏间来回极端切换，才能成倍调整泄漏量。

若喷射泄漏量平均按q＝105Kg/h计，占单根流经冷却壁水量Q＝18T/h＝18000Kg/h的0.6％，由加热泄漏水再汽化热计算公式②，得到加热105Kg/h泄漏水再汽化热量：

加热泄漏水再汽化热S＝642*105＝67.4MCal/h。

上述计算大致表明，单根冷却水管泄漏量达到流经冷却壁水量0.6％时，加热泄漏水再汽化热S将耗费67.4MCal/h，削减冷却壁热负荷T总量占比67.4KCal/h/72MCal/h超过93％。

出现喷射现象，随泄漏水量增加，吸热攀升速度极快，即液转汽，相变吸热迅猛。

根据一维热流分析，放散热等于吸收热，则吸放热平衡公式：

高温炉料强热流R＝泄漏水汽化热量S+冷却壁热负荷T

S＝R﹣T……③

按炉容大小、结构设计，由5～12块变化构成的冷却壁串联组中，随着炉役的增高，有个别冷却壁出现破损，而其它维持无损状态，此时进出水量差可能为千分之几，而冷却水支管上高精度流量计标称精度约1～5％，准确检测出流量差判断冷却壁泄漏不太可能。

依据吸放热平衡公式③高温炉料强热流R、泄漏水汽化热量S、冷却壁热负荷T间互动关系，在泄漏水汽化热量S急速攀升情况下，依托强热流R相对稳定的短时段内，以常态工况为基准，人为制造汽化热扰动环节，依据冷却壁进出冷却水温差震荡趋势，对破损与无损冷却壁作出排名区分。

如附图3破损冷却壁在热负荷扰动下温差走势图所示，泄漏水温差曲线，扰动测试前，从冷却壁热负荷管理系统中，将平常工作状态、一分钟热负荷值T₀和水温差平均中值Δt₀保存下来，Δt₀图示约1℃。

短时间内，将原有冷却循环水六备三用水泵组，扣减为二台甚至一台运行水泵，选择、配合进出口管阀小开度，目标是把冷却壁中冷却水压力减低到2～3Kg/cm²，低于或与炉内压力持平，当然流量跟随降低，营造冷却壁轻微泄漏运行氛围。需保持冷却水流动，减压不能过低。

现以破损冷却壁作为描述对象，伴随大幅减低冷却壁中冷却水压力和流量，由严重喷射泄漏转入连线细流甚至滴漏状态，导致冷却壁热负荷值和进出水温差Δt逐步升高，10～15分钟后趋于稳定，此时高温炉料强热流大部分由冷却壁平衡吸收，将减压工作状态、一分钟热负荷值T₁和水温差平均大值Δt₁保存下来，Δt₁图示约5℃，此时Δt₁>Δt₀。

前述出现轻微泄漏现象，加热泄漏水再汽化热S削减每块冷却壁热负荷T总量占比10％以内，结合吸放热平衡公式③，S₁＝R₁﹣T₁≈0.1，大致认为此时R₁≈T₁。

将5～12块构成的冷却壁串联组中，每块按Δt₁-Δt₀从大到小排序，相同串联水流量下，列出轻微泄漏时进出水温差提升幅度排名榜；减压环节温差升幅越大，表明原先受汽化热影响越大，泄漏可能性也越高。

为了避免激烈波动对生产的影响，恢复六备三用水泵状态，并稳定小段时间。

随后，增添一台甚至两台运行水泵，选择、配合进出口管阀大开度，最大程度增加冷却水压力和流量，目标是把冷却壁中冷却水压力提升大大超过炉内压力，营造冷却壁严重泄漏运行环境。

由于泄漏水量比平常更多，伴随大幅增加冷却壁中冷却水压力和流量，泄漏水处于严重喷射泄漏状态，导致冷却壁热负荷值和进出水温差Δt逐步降低，10～15分钟后趋于稳定后，高温炉料强热流更多消耗于漏水汽化上，冷却壁换热量随动减少，再将增压工作状态、一分钟热负荷值T₂和水温差平均小值Δt₂保存下来，Δt₂图示大大低于1℃，此时Δt₂<Δt₁。

倘若冷却水压力由4～6Kg/cm²增加至8～12Kg/cm²，相同的泄漏面积，泄漏由滴漏切换成喷射形态，泄漏量会成倍增加，而管内流量增大约1.4倍。

前述，喷射泄漏量达到流经冷却壁水量0.6％时，冷却壁几乎无热可吸，再加上流量增大1.4倍后，冷却壁热负荷值T₂和水温差Δt₂实际趋于极小。

在强热流R相对稳定的短时段内令R₁≈R₂，将减压环节R₁≈T₁代入到增压环节吸放热平衡公式③S₂＝R₂﹣T₂，容易得出此时增压环节、震荡扰动汽化热推算公式：

S₂＝R₂﹣T₂≈R₁﹣T₂

≈T₁﹣T₂……④

同样将5～12块构成的冷却壁串联组中，每块按Δt₁-Δt₂从大到小排序，进一步列出严重泄漏时进出水温差下跌幅度排名榜；增压环节温差跌幅越大，表明受汽化热影响越大，泄漏可能性也越高。

总结起来讲，经历轻微与严重泄漏震荡环节后，正反向试验筛选出与水温差升跌同步显著的破损冷却壁，其搜寻可信度较高。

现以无损冷却壁作为描述对象，如附图4无损冷却壁与破损冷却壁温差走势对照图，无泄漏水温差曲线，在相同条件下，无泄漏的无损冷却壁，测试前热负荷值T’₀和水温差Δt’₀要高一些；伴随减低冷却水压力和流量，无损和破损都视为进入无泄漏状况，导致热负荷值T’₁和水温差Δt’₁升幅相当，差值Δt’₁-Δt’₀存在但较小；伴随增加冷却水压力和流量，热交换进入滞涨阶段，导致热负荷值T’₂和水温差Δt’₂降低程度有限，所以差值Δt’₁-Δt’₂仍较小；无损冷却壁满足热负荷值和水温差升跌同步但不太显著的特征，与破损冷却壁出现泄漏时，受汽化热助推，热负荷值与水温差升跌同步且显著形成反差。

即无损冷却壁在中值位T’₀和Δt’₀小幅升跌，破损冷却壁在更大和最小极值间升跌。

实测中，由于平常水温差Δt值0.4～1.5℃波动，在狭小的范围内精确区分，需要足够高的测温精度。

所采用的修正型高精度温度计，对传统测温元件结构进行了全新设计，并采用了嵌入式数字解析传输、误差修正专利技术。具备测温流程短、通讯连接容易、抗干扰能力强等特点；同时兼顾自适应环境防护需要，在维持原温度计外形基础上，大幅度提高了温度检测系统精度后，形成稳定的全新热电阻式升级测温产品。实现测温范围在-50～200℃内，整个测温系统认证精度控制在±0.05℃以内。

即主要从“硬”误差“软”修正、解析传输数字化两方面着手，大幅提升温度计测量系统精度；同时采用粗壮型感温元件，有效提高机械强度和使用寿命；同时实施大电流检测方式，有利于提高分辨率，增强抗干扰能力；利用温差驱动的全密封“自适应热量传导环”设计，起到阻断热流、磁场、振动传递路径的效果；确保长期精度稳定，往往更为重要。

然而，在冷却壁串联组内比较后，能上下纵向找出最有可能出现泄漏的冷却壁，但仍然无法在多组之间左右横向对比，沿炉圆周体敷设满的冷却壁中，究竟哪块冷却壁破损最严重，需优先更换、维护？即缺乏一种共同评判指标。

为此，冷却壁经历轻微与严重泄漏震荡环节后，已知修正型高精度温度计分阶段测得温差Δt₁和Δt₂，冷却水支管上高精度流量计分阶段测得流量Q₁和Q₂，首先根据现存热负荷计算公式①：T＝CQΔt分别计算减压热负荷T₁、增压热负荷T₂值，其次利用震荡扰动汽化热推算公式④：S₂≈T₁﹣T₂大致推测有喷射泄漏的汽化热量值，最后按公式②：S₂＝642q进一步逆算泄漏水量q值，标示在每块冷却壁上，以此作为对比评判指标。

推算出的泄漏水量q作为对比评判指标值，不完全具备准确性，却来自等同扰动环节，具备一定相对可比性，标示在每块冷却壁上仍有评判意义，作为泄漏程度对比指标使用。

最后，通过扣减或增添水泵运行台数，制造全域扰动环节，适合广域搜寻破损冷却壁；配合进出口管阀小或大开度调整，调整局部扰动环节，适合进一步详勘泄漏程度；两种方法交替、反复使用。

如在极端严重泄漏状况下，泄漏水开始向周边渗透蔓延，影响到左邻右舍或上下连串冷却壁热负荷量，此时扣减或增添水泵运行台数，全域对比评判指标将堆积提示泄漏程度，无法作准确定位；恢复六备三用水泵常态运行后，配合进出口管阀小或大开度调整，调整局部扰动环节，观察自身冷却壁串联组的同时，关注左右冷却壁热负荷变化情况，再反复组合、局部排查，确定极端严重泄漏冷却壁位置。

一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，冷却壁破损、冷却水向炉内泄漏时，高温炉料强热流迎面加热再汽化后，导致冷却壁热负荷总量削减，通过操控泄漏水量大小，促使汽化吸热量高低震荡，捕捉冷却壁接受剩余热负荷响应状况，搜寻破损冷却壁、推算泄漏程度。

所带来的显著优势：不增加额外成本，不改变原水路系统，确保生产安全的前提下，依据吸放热流平衡关系，借助汽化热攀升迅猛特征，人为制造冷却水压增减扰动环境，首先观察冷却壁进出水温差震荡趋势，筛选出显著正相关的泄漏破损冷却壁；其次依据冷却壁热负荷随动波幅差，推算泄漏程度指标；最后支持反复核实、连续观测、聚焦查证，在有效利用现存资源的基础上所提出的简便、安全的检漏方法。

在本实施例中，还可取消增加冷却水压力和流量操作，采用多次减低冷却水压力和流量流程替代，经反复核实、连续观测、聚焦查证后，由正反向式验证，改为多冗余式勘查。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，其特征在于：该方法具体为，根据高温炉料强热流R、泄漏水汽化热量S、冷却壁热负荷T的平衡关系，在高温炉料强热流R变化不大短时段内，扣减和增添水泵运行台数，制造全域扰动环节，营造冷却壁轻微和严重泄漏运行氛围，人为改变泄漏水汽化热量S，依据冷却壁进出水温差震荡趋势、冷却壁热负荷T随动波幅差，筛选出与水温差升跌同步显著的破损冷却壁，随后推算冷却水向炉内泄漏程度，简便、安全地广域搜寻破损冷却壁。

2.根据权利要求1所述的一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，其特征在于：具体包括以下子步骤：

1)扰动测试前，提取冷却壁热负荷值T₀和进出水温差中值Δt₀；

2)扣减水泵运行台数，配合进出口管阀小开度，减低冷却水压力，模拟冷却壁轻微泄露运行情况，保存冷却壁热负荷值T₁和水温差大值Δt₁，此时T₁≥T₀且Δt₁>Δt₀；

3)冷却壁串联组中的所有冷却壁按Δt₁-Δt₀从大到小排序，列出微泄漏时水温差提升幅度排名榜；

4)增添水泵运行台数，配合进出口管阀大开度，增加冷却水压力，模拟冷却壁严重泄露运行情况，保存冷却壁热负荷值T₂和水温差小值Δt₂，此时T₂≤T₁且Δt₂<Δt₁；

5)冷却壁串联组中的所有冷却壁按Δt₁-Δt₂从大到小排序，列出重泄漏时水温差下跌幅度排名榜；

6)经历轻微与严重泄漏震荡环节后，筛选出水温差升跌同步显著的、两个排名榜都靠前的冷却壁；

7)最后依据冷却壁热负荷随动波幅T₁与T₂差，获得泄漏水汽化热量，推算冷却水向炉内泄漏量。

3.根据权利要求2所述的一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，其特征在于：所述微泄漏运行情况通过扣减水泵运行台数，以及配合进出口管阀小开度来实现。

4.根据权利要求2所述的一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，其特征在于：所述严重泄漏运行情况通过增添水泵运行台数，以及配合进出口管阀大开度来实现。

5.根据权利要求2所述的一种基于热负荷扰动的冷却壁检漏方法，其特征在于：所述冷却壁进出水温差值通过修正型高精度温度计测量。