焚烧炉热电偶保护管改进和应用

摘要:垃圾发电厂炉膛温度数据.上传国家环保平台。环保部门通过平台实时监控垃圾焚烧炉炉温数据，对不符合要求的企业会进行环保督办和环保处罚。生活焚烧炉内燃烧工况复杂，炉膛温度监测用的热电偶极其容易故障，频繁故障触发环保督办的几率较高，且存在不能保证环保设施正常运行和造假嫌疑，存在巨大的环保风险。分析了垃圾焚烧炉热电偶故障原因，针对故障采用技术改进和设备管理结合的方法，降低了热电偶故障率，设备可靠性得以提高，为垃圾发电厂提高炉膛热电偶使用寿命提供参考。
0引言
　　现在社会随着城市化进程的加快，城市生活垃圾逐年增多，垃圾填埋的压力增大，为缓解垃圾处置压力，大多城市都开始选用更为环保的垃圾焚烧发电作为垃圾处置的主要方式。垃圾焚烧相较于填埋具有体积减少，燃烧产生的热量可利用，全天候不受天气影响，部分资源可回收以及可消灭垃圾中的病毒细菌杜绝次生污染等优点。现阶段垃圾焚烧处置工艺成熟，.焚烧产生的高温烟气经过换热、净化和除尘等工艺处理后达标后排放，符合国家排放标准。
1炉膛热电偶保护管研究背景
　　垃圾焚烧发电厂-般建于城市附近，为保证排放达标，国家加强了对垃圾焚烧厂的监管且趋全面，垃圾发电厂炉膛温度和排放的烟气数据上传国家环保平台。平台可以实时监控运行垃圾焚烧炉启停炉和运行炉温控制是否符合环保要求，通过大数据分析，对不符合要求的企业进行重点监管和处理。国家《生活垃圾焚烧污染控制标准》GB18485和《生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据标记规则》(生态环境部公告第50号)等相关文件，对炉膛烟气温度850℃两秒、炉温故障和温度计故障等进行了要求，企业端未按照要求进行操作，有可能造成环保督办和环保处罚。
　　四川某垃圾焚烧发电厂有三条600T/D的焚烧处理线，2017年到2018年期间上、中、下和二次风四个断面36支温度故障频繁，人员维护量大，环保平台频繁标记，有因温度故障产生环保督办的风险，严重影响运行操作。
2炉膛温度故障原因分析
(1)生活垃圾特点:生活垃圾含有机物、无机物、金属、残余有机物和水分在内的具有复杂性、不稳定性与不可选择性的高度非均值化的混合垃圾。生活垃圾成分较为复杂，其热值其成分在不同区域和不同时段有较大变化。.
(2)炉膛热电偶使用工况:炉膛燃烧室压力保持在-30到-50pa之间，呈微负压运行状态;炉膛出口氧量值在6%---9%。生活垃圾在燃烧过程中会加入尿素进行烟气脱硝，渗滤液浓液和部分污泥也会投入炉内燃烧处置。垃圾经发酵后投入焚烧炉燃烧，燃烧温度为1000℃左右，燃烧成分较为复杂，燃烧产生的烟气成分较多，主要含有的硫化物、水分、氯与氯化物和灰分，另外还有N2、C02、CO、NOX等成分。燃烧所产生的灰分随气流附着于炉膛烟道四周、热电偶和管道上,随时间增加会在炉膛四周形成大量的焦块，部分未粘接牢固的焦块会脱落。在以上工况下，炉膛内部具有高温、高腐蚀、易结焦的特点。
(3)各个因素对热电偶的影响:
①高温:金属材料使用温度过高时，金属性能极不稳定，容易出现不可恢复的塑性变形、石墨化和高温氧化，强度降低。焚烧炉炉膛热电偶长期工作温度在1050C左右，高温时高达1150℃，部分金属材质热电偶保护管在此温度下工作容易弯曲，断裂，导致温度显示故障或温度偏低。
②腐蚀:燃烧产生大量硫化物、氯化物、水分以及各种盐分等，与金属保护管形成化学反应，对热电偶保护管腐蚀较大，腐蚀后保护管容易断裂，导致温.度显示故障。
③结焦:炉膛燃烧的产生灰分容易在温度计周围堆积结焦，长期不进行清理时会结焦过多无法清理维护，严重时会造成取样口堵死无法测量，结焦后温度会偏低或变化缓慢，结焦后使温度计插入部分变重,也是温度计发生弯曲的原因。
④撞击:温度计上部区域的焦块脱落，撞击温度计造成断裂温度显示故障。
3解决方案
　　依据热电偶故障原因和特点，结合生态环境部50号令和10号令要求，采用热电偶保护管选型和技术管理相结合的方法，对炉膛温度问题进行针对性解决。
3.1保护管材质选型:
　　垃圾在焚烧炉炉膛内燃烧，用于炉膛温度监视的温度计工作温度范围为900℃至1050℃,有时会存在短暂1150℃高温情况，烟气中含有大量腐蚀性气体,.其中氯化物对金属的腐蚀特别严重。常规的金属材质.适用于800C以下，所以焚烧炉炉膛温度需选用特殊的耐高温、耐腐蚀、气密性和机械强度高的保护管。
　　热电偶保护管主要有陶瓷、合金和金属陶瓷三种。陶瓷作为保护管具有优秀的耐高温，耐腐蚀、气密性高以及耐冲刷磨损性能，由于其导热性能差，管壁都较薄，其最大的缺点在于易碎。特种合金主要由各种金属通过不同配比，并添加各种稀有金属组合而成，主要有镍基合金和钴基合金，其不同组成和配比生产成不同型号规格的合金，不同配比和加工工艺使各种合金呈现不同的耐高温、耐腐蚀、耐冲刷、抗弯折以及其他特性。金属陶瓷中和了陶瓷和合金密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂的一些优点。
各种保护管材质性能及应用:
　　GH3030:镍基高温合金钢，具有优良的抗腐蚀及抗氧化性能,通常作为耐热钢使用,最高使用温度1100℃.GH3039:镍基高温合金钢，具有优良的抗腐蚀及抗氧化性能,通常作为耐热钢使用,最高使用温度1300℃。ZGCR28:具有耐高温，耐腐蚀和耐磨性能，特别是在浓硝酸介质中有很好的耐蚀性。是硫酸沸腾炉,有色冶炼测温元件的最佳保护管。它长期工作温度在1150℃以下，1200℃下不变形，最高使用温度为1300℃。保护管最小外径为25mn。
　　3YC52:镍基高温变形合金，耐高温、耐磨、抗氧化，可在1300℃气体中、含硫、含氯气体中使用，作为测温外保护管，能长期在0~1200℃之间进行温度测刚玉管:具有良好高温电绝缘性和机械强度，气密性能好，耐腐蚀和耐磨性好，热膨胀率小，抗热震性能差，使用温度1800℃，常用于测量高温的热电偶保护管。
　　新型碳化硅:金属陶瓷采用重结晶碳化硅金属陶瓷保护管，适用于高温强耐磨工况的温度测量，抗热震性能差，高温可达1300℃.
　　MA956:在氧化气氛下使用温度可达1350C,居高温合金、抗碳、硫腐蚀之首位。
　　Haynes747:具有较高的强度、较好的组织稳定性，具有优良的抗氧化和耐腐蚀性能，长期工作温度1100℃-1250℃，短时使用温度可达1300℃。
　　UMC0-50:耐热冲击、耐磨、耐硫化物，高温强度大。可用于1150℃以下。
　　HR-160:有非常好的抗氧化性、热腐蚀性，该合金特别适用于高温腐蚀环境通过燃烧低级燃料或加工含有腐蚀性污染物(如硫、氯、氟)的化工原料，该合金能够承受高达1204℃的温度。
　　由于焚烧炉炉膛工况特殊，材质的选用还是以实验的方法进行，根据热电偶工作环境、热电偶保护套管材质选择了以上10种不同材质的热电偶保护管进行试验。在锅炉燃烧工况接近的情况下，通过半年的使用对比。
　　陶瓷和金属陶瓷类保护管如刚玉、碳化硅使用寿命都较短，出现套管断裂情况较多，且维修时都可能造成套管损坏，主要还是由于其本身易碎和.上部掉落焦块造成。合金材质故障率高的分两类，第--类断裂,寿命短的只有几天，其耐温和耐腐都性能不适合与垃圾焚烧炉。第二类合金出现耐腐蚀良好，弯曲严重情况，这种将导致温度计测量温度偏低。其中HR-160材质在耐高温度、耐磨损、耐腐蚀和弯曲程度方面明显优于其他材质，选用HR-160作为焚烧炉炉膛热电偶保护管使用材质。
3.2技术管理
　　垃圾焚烧发电厂的热电偶技术管理需依据环保的相关要求和热电偶的检修规范，结合垃圾焚烧炉特点进行制定，通过管理可以减少除设备本身的以外的原因造成的设备故障。
3.2.1技术措施
(1)套管插入深度调整:通过分析插入深度对保护套管使用寿命影响非常大。在调整插入深度过程中，有一定的误区，认为温度显示偏低是插入深度过少造成的，在温度偏低时还存在继续加大插入深度的现象。过小的插入深度，是会影响温度测量导致温度显示偏低，过大的插入深度，开始温度正常，但长时间套管会发生弯曲，弯曲后维护困难，弯曲幅度过大后变相导致插入深度降低而使温度显示偏低。所以在使用中需找出合适的插入深度，即能保证温度测量，又能提高套管使用寿命。插入深度可参考以下实验的方法得出，运行中可用不同长度的热电偶插入炉膛内部，监视不同插入深度下炉膛内部温度，通过多次实验分析比较，找出插入深度最小且不影响温度测量的安装位置。较少的插入深度将会大大提高保护套管使用寿命。
(2)通道冗余:为避免同一断面温度同时故障需对热电偶通道合理布置，同一断面的温度测点分布到不同的DCS模块上，可防止因为某卡件故障导致的同一断面温度全部故障。条件允许的还可考虑分布到不同的CPU上并配置备用电源。由于温度测点DCS和数采仪之间采用通讯方式直接传输，通讯通道和设备冗余可防止因为通讯故障导致所有温度测点故障。.(3)低温保护:当燃烧工况不稳定，垃圾热值突然降低时，需要投入助燃系统防止烟气低温。炉膛燃烧需设置低温保护，当炉膛温度低于设定值时自动启动助燃系统，可有效的防止炉膛温度低于850℃,炉膛低温保护值可依据助燃系统投入时间进行设定。
3.2.2管理措施
(1)制定热电偶检修管理制度，依据“《生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据标记规则》因热电偶结焦、损坏等情况导致热电偶测量温度不能反映实际温度的时段，可标记为‘热电偶故障’。标记为‘热电偶故障’的，应备注故障测点位置、故障原因、维修或更换过程，保存运行维护记录和台账备查。”的要求，为避免出现维修资料缺失，需要对用于环保.上传的温度维修进行规范管理，需制定热电偶管理制度。制度内容包含:适用范围，人员职责分工，检修维护要求以及考核标准等。制度文件经过审批后下发执行，并对制度文件培训学习，培训资料存档保存，对违反规定的进行考核。
(2)检修维护人员培训，学习热电偶的相关基础知识，掌握热电偶检修技能，熟知检修安装要求。检修时规范检修流程，检修前准备工作票/操作票、检修耗材领取单、检修中明确故障测点位置、查明故障原因，并处理彻底避免:二次检修，避免1个自然日出现单支两次及以上“热电偶故障”标记，认真记录维修过程，检修完成后办理工作终结，并提交温度失真及.恢复前后的温度曲线变化图、检修更换的过程照片视频、更换后的热电偶照片等证明材料，照片视频应带有时间和位置水印。
(3)设备定期校准，明确校准内容、制定校准计划和周期，炉膛热电偶本体校验应满足《热电偶第1部分:电动势规范和允差》(GB/T16839.2)的2级允差规定。热电偶延长导线的信号传输偏差不应超出±5.0℃，中控室热电偶信号检测偏差不应超出±5.0℃，热电偶参比端环境温度检测偏差不应超出±3.0℃现场测量值与中控系统显示上传值之间的偏差不应超出±14.0℃。通过校准保证了热电偶和测量通道的准确性。
(4)热电偶进行预防性维护，通过维护及时的清理套管.上的焦块，避免了焦块无法清理的情况发生,可根据故障和结焦情况合理调整维护周期。
(5)设备检查,不定时的对设备维护情况和维护资料进行检查，及时纠偏，对违反相关要求的进行考核。
4实施改进效果
　　改进前:年热电偶保护管更换300支左右，按照测点36个计算，平均每个测点使用8.33支/年。改进后:年热电偶保护管更换50支左右，按照测点36个计算，平均每个测点使用1.39支/年。
通过热电偶套管的选用和技术管理措施结合的方法，热电偶使用寿命由之前的1~2个月延长到了8个月，热电偶在实际使用中大部分套管都已达到1年及以上的寿命，使用效果良好。
5热电偶保护管在焚烧炉的其他区域的选用
　　保护管材质的选用是影响热电偶使用寿命的重要因素，设计和设备管理人员都需依据工况的不同，选用不同的材质。然而保护管材质选用并非技术含量越高越好，应以适用为原则，保护管材质选择正确才能使热电偶使用寿命得以提高。提高使用寿命的同时也应该考虑成本因素，高温耐磨合金的材料价格以公斤计算采购都较高且加工困难，保护管材料通常由普通钢材和特种合金焊接而成，保护管的耐磨长度应以实用为原则减少合金材料消耗，一般耐磨长度以插入炉墙深度加一个保险预留长度，可以有效的降低成本同时不影响使用效果。
　　炉膛下部炉排温度计保护管材料选用，该区域生活垃圾燃烧存在高温、腐蚀和焦块落物的情况，但工作温度比炉膛稍低，使用保护管材质ZGCR28和HR160的使用效果接近，考虑成本因素可以选用ZGCR28做保护管成本可以降低一半。炉膛温度选用的材质HR160在炉膛使用中效果良好，在推广应用中，用于炉膛的后端第-辐射通道出口温度测量，温度较低的环境中却有出现断裂的情况，由于无焦块脱落，在选用价格较便宜的刚玉等陶瓷材质使用效果更好。
6结语
　　热电偶是工业上最常用的温度测量元件之-一，其具有精度高，测量范围广，结构简单等特点，热电偶故障频繁将严重影响设备的控制及监视。热电偶已使用多年，多数工况都选用出了相适应材质作为保护管。垃圾焚烧发电厂炉膛热电偶使用的工况具有其自身特.点，采用新材质和设备管理结合的方法，可以有效的降低热电偶故障率，使用人员还需不断尝试各种材质作为保护管，以及提升管理水平来提高热电偶使用寿命以及降低维护成本。