加熱爐襯里損傷的紅外熱像評定方法研究

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量，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備保溫狀態(tài)的快速評估[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)等級法對設(shè)備的襯里損傷程度進(jìn)行評定[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，利用紅外熱像儀對加熱爐表面溫度測量后，對襯里損傷程度進(jìn)行判定。同時(shí)，針對環(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，在保證評定結(jié)果準(zhǔn)確的同時(shí)，為比較評定結(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，形成基準(zhǔn)環(huán)境溫度下的損傷情況分類等級表。進(jìn)行損傷情況評定時(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。因此無需針對不同環(huán)境溫度標(biāo)定各自的損傷情況分類等級表，為檢修評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

以某石化加熱爐對流段側(cè)墻為例進(jìn)行等級計(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(表1)。

表1 20℃環(huán)境溫度下襯里損傷程度分類等級表

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月對加熱爐對流段側(cè)墻異常點(diǎn)進(jìn)行了兩次跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測的紅外熱像圖如圖3所示，其中5月監(jiān)測的實(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

若不考慮兩次測量的環(huán)境溫度，僅依據(jù)紅外熱像儀測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)對兩次測量的外壁溫度進(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)境溫度對襯里損傷情況判定的影響，并提出了外壁溫度測量值的修正方法。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)。

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