热力学论文
电加热蒸汽发生器常见问题分析与解决
摘要：简要分析了电加热蒸汽发生器在高等级生物安全实验室中的重要性, 介绍了电加热蒸汽发生器的组成、分类及特点, 重点阐述了其在运行过程中出现的7个常见问题及其解决方案, 最后指出了实现维护保养常态化对于保证电加热蒸汽发生器安全运行的重要性, 对保证高等级生物安全实验室的安全运行意义重大。
关键词：电加热蒸汽发生器; 生物安全实验室; 液位计; 水锤效应; 解决方案;
作者简介： 韩建保 (1978—) , 男, 硕士, 工程师, 主要从事感染性疾病动物模型研究, E-mail:hanjb@mail.kiz.ac.cn。; *郑永唐, E-mail:zhengyt@mail.kiz.ac.cn;
收稿日期：2018-10-10
基金： 国家重点研发项目 (2016YFC1201000); 中国科学院重点部署项目课题 (ZDRW-ZS-2016-4-2);
Common faults and countermeasures for electric heating steam generator
HAN Jian-bao LI Ming-hua FENG Xiao-li YANG Li-mei ZHENG Yong-tang
Bio-safety level Ⅲ Laboratory, Kunming Institute of Zoology, Chinese Academic of Sciences Kunming National High-level Bio-safety Research Center for Non-human Primate Department of Condition Guarantee, Kunming Institute of Zoology, Chinese Academic of Sciences Key Laboratory of Animal Models and Human Disease Mechanisms of Chinese Academy of Sciences, Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences
Abstract：The electric heating steam generator had its importance analyzed in the high-level bio-safety lab, which also had its composition, classification and characteristics introduced. Seven common faults during its operation were described in detail, and some countermeasures were put forward accordingly. It's pointed out normalized maintenance contributed to operation safety of the electric heating steam generator and high-level bio-safety lab.
Keyword：electric heating steam generator; bio-safety lab; level gauge; water hammer effect; solution;
Received： 2018-10-10
0 引言
目前, 我国高等级生物安全实验室建设设计方案、施工规范、工艺技术正在由仿制和探索建设阶段逐步向成熟阶段迈进, 而电加热蒸汽发生器作为高等级生物安全实验室多个联动辅助设施设备中的重要环节, 在生物安全三级、四级实验室建设中逐渐成为一台必不可少的设备, 主要与双扉蒸汽灭菌器、活毒废水处理系统、笼具和大型多功能清洗消毒器等设备联动, 为其下游设备提供蒸汽源, 但其在高等级生物安全实验室调试运行方面存在大量问题有待进一步整改完善[1]。本文对笔者所在高等级生物安全实验室中电加热蒸汽发生器 (型号WDR0.5-0.8-Ⅱ, 额定蒸汽压力0.8 MPa, 额定蒸汽温度175℃, 额定电压380 V, 额定电流608 A, 额定电功率405 k W, 额定蒸发量0.5 t/h, 热效率98%) 设计、安装、运行中遇到的问题进行总结, 期望为其他高等级生物安全实验室的设计及建设提供参考。
1 电加热蒸汽发生器的组成、分类及特点
电加热蒸汽发生器主要由供水系统、自控系统、炉胆、加热系统及安全保护系统等构成, 是将电能转换为热能的能量转换装置, 又称电热锅炉, 即以电能作为能源, 利用电阻式电热技术或磁滞式电热技术将电能转换为热能, 直接或间接将水或其他导电介质加热, 直至汽化的设备[2,3,4], 该设备属于压力容器, 同时属于《特种设备安全监察条例》规定的特种设备[5,6]。根据使用燃料不同, 分为燃煤蒸汽发生器、燃油蒸汽发生器、燃气蒸汽发生器和电加热蒸汽发生器四大类。电加热蒸汽发生器与其他类型蒸汽发生器相比有以下显着特点: (1) 低噪声、无污染、无公害且环保; (2) 换热系数高, 热效率高达97%以上; (3) 结构紧凑、体积小、空间占用小、无需燃料及废渣堆放场地等[7]; (4) 可编程逻辑控制器 (programmable logic controller, PLC) 自动控制或计算机控制, 并且手动控制与自动控制可选, 大大节省人力资源; (5) 操作简单方便, 反应迅速, 负荷调节机动灵活; (6) 加热方式便利, 采用瞬时、出水及蓄热多种形式; (7) 安全性好, 具有超压自动断电、高低水位自动报警等安全保护; (8) 维修简单方便, 全部零部件均可更换, 使用寿命长。综上, 电加热蒸汽发生器代表了当前安全、低碳、环保蒸汽发生器的发展趋势, 是高等级生物安全实验室建设的必然选择[8,9,10]。
2 电加热蒸汽发生器调试运行中常见问题分析与解决
2.1 逻辑性水位错误
2.1.1 原因分析
正常电加热蒸汽发生器液位控制系统由现场液位计与液位传感器配合使用来实现。现场液位计视窗标注极低水位、低水位、正常水位、高水位和极高水位5条水位线, 在控制系统中, 当液位低于低水位线或超出高水位线时, PLC控制系统会接收由液位传感器传送的信号, 发出声光报警, 提示司炉工液位预警, 应及时采取措施。当司炉工或自控系统未响应时, 水位将会出现极低水位或极高水位, 自控系统将会自动切断电源, 停炉, 保证设备和周围工作人员的安全, 若自控系统故障将会发生不可预测的危险事故[11,12]。实际调试运行过程中, 水位正常情况下PLC同样会发出声光报警, 显示屏显示“逻辑性水位错误”, 即较高位置电极检测到有水而比它低的电极反而检测不到水的现象。出现逻辑性水位错误原因有2个方面, 分别是线路连接故障和电极故障。由于设备是新装设备, 首先排除电极故障发生的可能性, 优先考虑线路连接故障。
2.1.2 解决方案
首先, 排除接线端子虚接故障。将5个电极和PLC连接线路接线端子紧固一遍, 如果依然出现错误报警, 可排除接线端子虚接的原因。其次, 排查电极接线是否正确。使用万用表由极低水位电极开始测量, 复查5个电极的连接线, 极低水位线路、正常水位线路、高水位线路和极高水位线路连接显示正常, 而低水位电极连接线显示电流不通。排除电极故障后, 对连接线路进行通断测量, 发现连接线路故障, 更换连接线后再次运行设备, 故障排除。
2.2 液位计视窗玻璃沉积污渍
2.2.1 原因分析
当锅炉给水水质不达标或长期运行疏于清洗液位计, 液位计视窗玻璃将会沉积水垢或金属附着物。水垢为水质硬度超标引起, 金属附着物主要为软化水处理不达标导致铁离子超标或软化水水质达标而铁质储水箱长时间被氧化铁腐蚀, 导致软化水被污染而出现铁离子超标。当锅炉及正常运行期间停炉过程中, 经沉积作用 (高等级生物安全实验室电加热蒸汽发生器采用阶段性运行模式) , 水垢或金属离子将会附着在液位计视窗玻璃上, 从而影响直观观察液位计液位。
2.2.2 解决方案
将液位计上下游手动阀门关闭, 由清洁孔注入5%草酸洗液浸泡过夜, 污渍将会自动脱落, 然后用软化水反复冲洗液位计3～5次, 即可恢复液位计玻璃视窗清洁透明, 正常使用。为从源头上解决该问题, 需严把软化水质量关, 保证锅炉给水各项指标达标, 同时将铁质储水箱更换为不锈钢材质储水箱, 避免软化水储存过程被污染, 从根本上解决液位计视窗玻璃沉积污渍的问题。
2.3 冲洗液位计虚假液位
2.3.1 原因分析
在电加热蒸汽发生器运行过程中, 每次启动设备后, 在压力达到0.1～0.2 MPa时均需冲洗液位计, 如果在关闭设备前蒸汽压力为0.1～0.2 MPa同样需进行一次液位计冲洗。若液位计冲洗方法不正确, 冲洗后将出现虚假液位, 即锅筒内部实际液位与液位计显示的液位不一致, 严重影响锅炉运行安全[13]。
2.3.2 解决方案
采取正确的冲洗方法。在电加热蒸汽锅炉启动后, 当蒸汽压力升至0.1～0.2 MPa时, 关闭设备, 冲洗液位计。冲洗前戴好防护装备, 先观察被冲洗的液位计与其他液位计指示的液位位置, 如单一液位计需进行原始液位记录。冲洗液位计的正确步骤:开启放水旋塞, 冲洗汽连管、水连管及玻璃板 (管) ;关闭水旋塞, 单独冲洗汽连管及玻璃板 (管) ;先开启水旋塞, 后关闭汽旋塞, 单独冲洗水连管;开启汽旋塞, 关闭放水旋塞, 恢复水位表正常运行。在关闭放水旋塞后, 如果水位很快向上升, 并有轻微的上下波动, 而后与原始水位出现微小差别, 说明水位正常;如果水位上升很缓慢, 说明有堵塞现象, 需重新冲洗。冲洗液位计时, 操作须缓慢, 司炉工脸部不能正对水位表。避免冲洗液位计出现假液位的关键是采取正确的冲洗方法, 简单总结为“七字诀”:下、中、中、上、上、上、下。
2.4 定期排污水锤破坏
2.4.1 原因分析
定期排污又叫底部排污, 主要是排除积聚在锅炉下部的水渣和磷酸盐处理后形成的软质沉淀物, 其具有排污持续时间短、排污能力强的优点, 但操作不当会产生严重的水锤效应, 管路发出“当”的巨响。水锤又称水击, 由于阀门突然开启或关闭、水泵骤停或骤启等原因, 使水流速突然发生变化, 同时压强产生大幅度波动的现象, 压力的冲击使管壁受力而产生噪声, 犹如锤子敲击管子一般。水锤效应有极大的破坏性:压强过高, 将引起管子的破裂;压强过低, 不仅会导致管子的瘪塌, 还会损坏阀门和固定件[14,15]。因此, 在实际操作过程中应正确操作避免水锤效应的产生。
2.4.2 解决方案
通常, 排污工作应在电加热蒸汽发生器低负荷、高气压、高水位、运行正常稳定时进行[16]。为解决水锤效应, 在排污时需先缓慢开启旋塞阀, 然后微开快开阀, 以使排污管预热;在排污管预热后, 再全开、快开快开阀进行排污, 持续20～30 s后缓慢关闭, 反复3次;然后关闭旋塞阀, 开启快开阀, 持续20 s, 关闭快开阀, 一次定期排污完成[17]。以上操作可有效避免定期排污过程中水锤效应的发生, 有效保护各系统的安全, 避免生物安全事故发生;同时要坚持“勤排、少排、均衡排”的原则。
2.5 补水泵端水管带温
2.5.1 原因分析
电加热蒸汽发生器运行过程中发现补水泵至锅体连接段水管带温, 且会随着锅炉内部压力的升高而升高。如果不能够及时解决, 会使给水管和给水泵承压、承温, 长此以往会导致生物安全事故的发生。出现此情况多由管路连接中安装的止回阀故障引起。
2.5.2 解决方案
针对补水泵端水管带温的问题, 经过对补水泵至锅体段连接管路进行排查, 发现管路中止回阀故障, 造成密封不严, 高温汽水回流, 导致补水管及泵体承压带温。更换止回阀后故障排除, 有效解决补水管和补水泵承压带温的危险。
2.6 升温过程锅水噪声过大伴共振强烈
2.6.1 原因分析
电加热蒸汽发生器经调试后, 在运行过程多次发现每次开启设备后, 电压380 V、电流625 A, 6组加热棒满负荷加热, 锅水的噪声异常大, 并伴随共振现象。当分汽缸打开时, 锅内炉水、分汽缸管道与储水箱三者形成共振, 锅体顶部安全阀、管网与地面三者形成共振, 十分危险, 长此将对设备和建筑造成极大破坏, 具有潜在的生物安全风险。
分析锅水噪声产生的原因:锅筒内装水前, 锅筒内壁上吸附着一层空气, 装水后, 这层空气就变成了无数微小的气泡, 因吸附力大于气泡受到的浮力, 故水并不能使它们脱离锅筒内壁。当水温升高时, 气泡周围的水在气泡内蒸发, 使气泡膨胀体积增大, 当温度达到七八十摄氏度时, 变大的气泡受到的浮力超过了吸附力, 它们便脱离锅筒内壁上升, 同时在锅筒内壁上仍遗留下一部分空气, 这部分空气会以更快的速度膨胀从而脱离锅筒内壁上升。上升的气泡遇到周围的冷水, 气泡里的水蒸气液化, 使气泡迅速变小或炸裂。由于无数气泡在锅底急剧膨胀, 又在上升中迅速变小或炸裂, 锅筒里的水就处于激烈的振动状态, 进而又引起空气振动, 形成水声。由于气泡体积大小交替变化非常快, 使水振动频率高, 水声音调也就高。随后由于锅筒内各处水温相差越来越小, 气泡体积大小交替变化也越来越慢, 进而引起水声音调也逐渐降低, 沸腾时, 气泡在水面上破裂, 引起水面翻腾幅度降低, 因而引起的水声低, 空气振动频率也低[18]。
2.6.2 解决方案
针对锅水噪声和共振产生的原因, 采取合理的正确的措施逐一解决。首先, 在运行前关闭分汽缸, 排除加热过程气流进入分汽缸对管路进行冲击振动;继而, 将6组加热棒负荷减为2～3组运行, 先给锅内介质预加热;最后, 在锅内带压0.02 MPa后微抬安全阀泄压、排气, 气鸣音消失, 此时改为6组加热棒全开, 进入正常运行状态。采取以上方法可以有效避免锅水声过大, 消除共振危险, 并避免管道和电加热蒸汽发生器因疲劳而损坏, 防止生物安全事故的发生。
2.7 用汽点冷凝水过多
2.7.1 原因分析
由于电加热蒸汽发生器与用汽末端设备之间铺设的管路过长, 尽管已经保温处理, 但在末端用汽点依然有大量冷凝水, 严重影响设备正常运行, 特别是双扉蒸汽灭菌器。分析原因为管路过长, 整个管路冷凝水会逐渐被蒸汽推送至用汽点末端, 导致用汽点冷凝水集聚。
2.7.2 解决方案
在用汽点设备前端加装疏水阀, 可以有效解决蒸汽冷凝水过多的问题。
2.8 多点用汽压力不统一
2.8.1 原因分析
由于电加热蒸汽发生器输出的蒸汽为定压蒸汽, 而下游连接多个联动设备, 不同的设施设备设计标准和使用需求不一样, 对蒸汽压力大小的需求也不一致, 因此, 存在输送蒸汽压力与设施设备需求蒸汽压力大小不统一的问题。
2.8.2 解决方案
在用汽点设备前端加装蒸汽减压阀, 根据设备需求将蒸汽压力降至适用压力范围, 有效解决多个用汽点压力不统一的问题。
3 结语
高等级生物安全实验室配置电加热蒸汽发生器, 可以有效解决多设备联合用汽问题, 节约大量能源、人力、物力和时间, 是当前高等级生物安全实验室建设的趋势。电加热蒸汽发生器是集自动化控制、强弱电和给排水等多专业于一体的综合型特种设备, 调试运行过程中故障多元化, 技术性要求极高, 需专业持证人员进行针对性排查维修。此次探讨的问题涉及强弱电、物理、化学和给排水等专业领域, 应综合考虑, 操作人员必须掌握其方法, 才能快速有效解决问题;只有实现维护保养常态化, 才能实现安全运行, 才能保障各联动设备的安全, 最终实现高等级生物安全实验室的运行安全。
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