趙召，田駿林（中國(guó)核電工程有限公司華東分公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

自然循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)主要由供料槽、供料泵、自然循環(huán)蒸發(fā)器、旋風(fēng)分離器、泡罩塔、冷凝器、冷卻器、殘液槽及過濾器、壓空噴射泵組成。

由供料槽接收待處理的低放廢水，通過變頻泵或回流調(diào)節(jié)的方式，將定流量的廢液輸送到蒸發(fā)器中，通過蒸發(fā)器蒸汽側(cè)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器的液位穩(wěn)定和自然循環(huán)蒸發(fā)，廢液蒸發(fā)后產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)旋風(fēng)分離器除去液滴后，經(jīng)泡罩塔洗滌，進(jìn)入冷凝器；在冷凝器中，蒸汽被快速冷凝，蒸汽中夾帶的不凝性氣體在冷凝器高位處被尾氣系統(tǒng)抽走，冷凝后的液體再經(jīng)過冷卻降溫后，經(jīng)分析監(jiān)測(cè)放射性后排放；不凝性氣體由壓空噴射器提供負(fù)壓動(dòng)力，尾氣經(jīng)過濾器過濾凈化后，與壓空噴射泵中的壓空混流后排放；蒸發(fā)在完成額定廢液的蒸發(fā)后，殘留在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸殘液排放至殘液槽，通過蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)了廢液濃縮，廢物最小化的目的。

根據(jù)調(diào)試和運(yùn)行邏輯，可分為三大系統(tǒng)：供料及蒸發(fā)液位控制系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)三部分。

1 供料及蒸發(fā)液位控制系統(tǒng)調(diào)試

1.1 蒸發(fā)器吹氣液位指示裝置

吹氣液位裝置儀表是一種高可靠性、維修簡(jiǎn)單的一種儀表，其在蒸發(fā)器內(nèi)的液位測(cè)量一般為三管式儀表，分為上、下1和下2：其中上吹氣管位于蒸發(fā)器分離室頂部，處于氣相當(dāng)中，下1吹氣管和下2吹氣管位于蒸發(fā)器分離室底部，處于液相當(dāng)中。

蒸發(fā)器的液位指示方式，可總結(jié)為公式(1)：

式中：H為蒸發(fā)器液位；h為下1吹氣管管口與下2吹氣管管口之間的距離；P1為上吹氣管管口處的壓力；P2為下1吹氣管管口處的壓力；P3為下2吹氣管管口處的壓力。

在蒸發(fā)器分離室頂部安裝的兩組差壓變送器，分別為上吹氣管-下2吹氣管差壓變送器、下1吹氣管-下2吹氣管差壓變送器，采集對(duì)應(yīng)的壓力差來指示蒸發(fā)器液位與蒸發(fā)器密度。根據(jù)公式(1)，蒸發(fā)器液位指示，通過兩個(gè)差壓變送器的值及B管與C管的固定已知距離h來確定。

1.2 蒸發(fā)器液位控制

蒸發(fā)器液位控制為液位—蒸汽量連鎖PID調(diào)節(jié)，蒸發(fā)器恒定供料，蒸發(fā)器液位作為唯一的變量與設(shè)定值進(jìn)行高低比較，通過調(diào)節(jié)蒸汽流量，從而使蒸發(fā)器液位保持恒定。

如圖1所示，蒸發(fā)器液位過高，通過吹氣儀表將液位數(shù)據(jù)傳輸給比較元件，通過正反饋來增加蒸汽調(diào)節(jié)閥開度，加大蒸汽量，從而降低蒸發(fā)器液位。蒸發(fā)器液位過低，通過吹起儀表將液位數(shù)據(jù)輸送給比較元件，通過正反饋來減小蒸汽調(diào)節(jié)閥開度，減小蒸汽量，從而升高蒸發(fā)器液位。

圖1 蒸發(fā)器液位正反饋控制系統(tǒng)方框圖

1.3 蒸發(fā)器液位自動(dòng)控制PID調(diào)節(jié)原理

PID 調(diào)節(jié)器即比例積分微分調(diào)節(jié)器，通過調(diào)試試驗(yàn)證明，對(duì)于蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)控制來說，由于蒸汽側(cè)的壓力流量一直處于微幅波動(dòng)當(dāng)中，使用簡(jiǎn)單的例積分（PI）調(diào)節(jié)即可達(dá)到滿意的效果。

通常的工業(yè)用PID整定方法都是用Z-N整定法，但是在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)調(diào)控量環(huán)境的不同，單純的整定并不能得到好的穩(wěn)定性，文章在Z-N整定法的基礎(chǔ)上通過分析比例、積分調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)，總結(jié)出簡(jiǎn)單易懂，方便快捷的整定方法[1]。

對(duì)于蒸發(fā)器液位的調(diào)節(jié)來說，單純比例調(diào)節(jié)的輸出（蒸汽調(diào)節(jié)閥）的波形和被調(diào)量（蒸發(fā)器液位）的波形完全類似，頂點(diǎn)與谷底發(fā)生在同一時(shí)刻。而單純的積分調(diào)節(jié)輸出量的升降與被調(diào)量的升降無關(guān)，與輸出偏差的正負(fù)有關(guān)，輸出曲線達(dá)到頂點(diǎn)的時(shí)候，必然是被調(diào)量偏差等于零的時(shí)候。比例-積分調(diào)節(jié)器的輸出即為將比例和積分同時(shí)作用在調(diào)節(jié)器上，將兩者的調(diào)節(jié)輸出相加。因此，比例度（放大倍數(shù)的倒數(shù)）和積分時(shí)間參數(shù)的多少，將影響比例、積分調(diào)節(jié)器的輸出振幅的大小，而當(dāng)兩者振幅不一致時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)不同的合成波形。

如圖2所示，當(dāng)積分作用減弱或增強(qiáng)時(shí)，即曲線4的振幅減小或增大，比例-積分調(diào)節(jié)器輸出曲線5中的t2出現(xiàn)的時(shí)刻將在t1與t3之間移動(dòng)。如果過于靠近t1，則積分作用太弱，無法有效消除靜態(tài)誤差，如果過于靠近t3，則積分作用太強(qiáng)，被調(diào)量將會(huì)呈震蕩發(fā)散狀，無法收斂穩(wěn)定。經(jīng)過理論及調(diào)試證明，t2所處的位置，應(yīng)該位于t1、t3之間1/3靠前，此時(shí)，被調(diào)量成穩(wěn)定收斂狀。

圖2 單純比例、積分作用下及比例-積分作用下的曲線

1.4 蒸發(fā)器液位自動(dòng)控制調(diào)試步驟

(1)確定控制器是正反饋調(diào)節(jié)還是負(fù)反饋調(diào)節(jié)。在蒸發(fā)系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，PLC中的原PID控制系統(tǒng)均設(shè)置為負(fù)反饋，因此，在試驗(yàn)之前，必須確認(rèn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正負(fù)反饋與實(shí)際控制需要的一致。

(2) 檢查調(diào)節(jié)器的輸出和PLC保持一致。即蒸汽流量調(diào)節(jié)閥的開度需要與PLC上的開度保持一致，開度0%，閥門全關(guān)，開度50%，閥門開一半，開度100%，閥門全開。

(3)確定PID控制器中比例參數(shù)的設(shè)定P還是K。K為放大倍數(shù)，P為比例度，其比例度P是放大倍數(shù)K的倒數(shù)。由于是倒數(shù)，因此，一旦輸入的參數(shù)不對(duì)，將產(chǎn)生巨大的錯(cuò)誤，系統(tǒng)不可能穩(wěn)定。

(4)先進(jìn)行純比例調(diào)節(jié)，由于自室外來蒸汽的流量不穩(wěn)定，且液位的變化對(duì)蒸汽的進(jìn)量有很大的滯后，因此，放大倍數(shù)不應(yīng)過大，易設(shè)置小于1，通過不斷從1開始縮小放大倍數(shù)，在winCC系統(tǒng)中打開液位時(shí)間累計(jì)圖與蒸汽流量時(shí)間累計(jì)圖，觀察得到穩(wěn)定震蕩或收斂的液位曲線，如圖2中1與3的圖形。

(5)加入積分調(diào)節(jié)，首先確定積分?jǐn)?shù)值為秒還是分鐘，一旦數(shù)值設(shè)定不當(dāng)，將無法得到穩(wěn)定的液位曲線。積分時(shí)間首先易設(shè)置為10 000 s，再根據(jù)圖形情況增大或縮小。通過在winCC系統(tǒng)中打開液位時(shí)間累計(jì)圖與蒸汽流量時(shí)間累計(jì)圖，得到如圖2中1與5的圖形，使t2位于t1、t3之間1/3靠前。

(6)運(yùn)行觀察蒸發(fā)器液位，確定是否為震蕩收斂。如不是，檢查吹氣裝置的完好情況和液位設(shè)定值是否合理，分析后再重新按照步驟進(jìn)行一次。

1.5 蒸發(fā)器液位自動(dòng)控制實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)

在按照試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)中，得到的圖像與圖2中的相差很大，由于蒸發(fā)器和蒸汽流量均屬于動(dòng)態(tài)變量，因此在曲線圖上都指示的是細(xì)小折線組成的大曲線，試驗(yàn)中只需要看大趨勢(shì)線，而不要糾結(jié)于小折線。

當(dāng)?shù)玫椒€(wěn)定的液位控制時(shí)，若設(shè)置的放大倍數(shù)過小，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，考慮到蒸發(fā)器為連續(xù)運(yùn)行7天以上和運(yùn)行中出現(xiàn)的震蕩，全部調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)以3小時(shí)以內(nèi)為宜。若調(diào)節(jié)時(shí)間超過3小時(shí)，應(yīng)同時(shí)加大放大倍數(shù)和積分時(shí)間再進(jìn)行整定[2]。

2 尾氣處理系統(tǒng)調(diào)試

蒸發(fā)工藝尾氣為接受二次蒸汽中不凝性氣體，經(jīng)除滴、加熱、過濾凈化后，排放至煙囪。

蒸發(fā)器中的料液經(jīng)加熱、蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻，但是由于料液中有溶解氣體，在蒸發(fā)過程時(shí)，料液中的氣體等被釋放出來，在冷凝器內(nèi)蒸汽凝結(jié)為冷凝液，而不凝性氣體就會(huì)在冷凝器內(nèi)堆積，如果不凝性氣體尾氣處理不合適，長(zhǎng)時(shí)間的積累造成蒸發(fā)器蒸汽管路阻塞，進(jìn)而使蒸發(fā)器頂部壓力升高，影響蒸發(fā)器及后續(xù)系統(tǒng)的完整性。在運(yùn)行中，尾氣的開度需要進(jìn)行調(diào)試測(cè)試，其過大和過小均不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

尾氣開得過大，導(dǎo)致二次蒸汽在冷凝器中還沒來得及冷凝，即被尾氣抽走，大量的冷凝液進(jìn)入尾氣系統(tǒng)，造成尾氣系統(tǒng)進(jìn)水。出現(xiàn)這種情況的具體表現(xiàn)是尾氣系統(tǒng)的螺旋板換熱器尾氣側(cè)和冷卻水側(cè)溫度都高；壓空噴射器成脈沖狀充氣，過濾器壓差也成脈沖型。

尾氣開的過小，導(dǎo)致不凝性氣體在冷凝器內(nèi)堆積，造成蒸發(fā)器二次蒸汽側(cè)壓力全面升高。出現(xiàn)這種情況的具體表現(xiàn)是自一定時(shí)間開始，蒸發(fā)器的頂部壓力開始上升，超過設(shè)計(jì)限值，即使開大冷凝器冷卻水流量也無法調(diào)節(jié)蒸發(fā)器頂部壓力；自一定時(shí)間開始，泡罩塔壓差增大超過限制。

合理的尾氣量會(huì)保證將冷凝器中的不凝性氣體抽走，而不會(huì)抽走二次蒸汽。通常表現(xiàn)為螺旋板換熱器尾氣側(cè)和冷卻器側(cè)溫度都低；蒸發(fā)器頂部壓力，泡罩塔壓力在合理范圍內(nèi)波動(dòng)。

3 卸料系統(tǒng)調(diào)試

3.1 蒸發(fā)器卸料

在蒸發(fā)器運(yùn)行中，需要實(shí)時(shí)顯示連續(xù)供料量，并將泡罩塔回流的冷凝液也計(jì)算在內(nèi)，利用蒸發(fā)器運(yùn)行液位體積，確定達(dá)到卸料要求的含鹽量前的總的供料量，觀察蒸發(fā)器密度指示，要求與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)相接近并達(dá)到供料量時(shí)才能停運(yùn)蒸發(fā)器，進(jìn)行卸料操作。

進(jìn)行卸料操作時(shí)，要首先打開蒸殘液冷卻槽的冷卻水系統(tǒng)，并把蒸發(fā)器此時(shí)的密度輸入蒸殘液冷卻槽的液位指示系統(tǒng)中，使蒸殘液冷卻槽液位指示準(zhǔn)確。卸料時(shí)記錄卸料試驗(yàn)，并與之前水試的卸料時(shí)間對(duì)比，確定卸料通暢與否。

3.2 蒸發(fā)器保養(yǎng)

蒸發(fā)器在完成卸料后，不能將蒸發(fā)器空置，需要重新上料，在蒸發(fā)器溫度指示低于40 ℃后，重新上料至運(yùn)行液位進(jìn)行保養(yǎng)。

4 蒸發(fā)系統(tǒng)調(diào)試典型問題說明及處理方式

調(diào)試中不可避免的會(huì)發(fā)生各種問題，下面將出現(xiàn)的一些典型問題進(jìn)行描述，為以后類似設(shè)施或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)參考。

4.1 冷凝液回泡罩塔流量問題

蒸發(fā)器在運(yùn)行測(cè)試中，冷凝液回泡罩塔的管線內(nèi)部沖刷出來大量的焊渣，致使流量計(jì)被焊渣堵住，流量計(jì)無法正常指示，但在后續(xù)試驗(yàn)中，即使已經(jīng)水試運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，清洗過多次流量計(jì)，但管線指示流量依舊無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

通過檢查發(fā)現(xiàn)使用的流量計(jì)為彈簧式全截面壓力流量計(jì)，依靠水的壓頭將彈簧頂開一定的程度來指示流量，隨后在進(jìn)行專項(xiàng)測(cè)試中證實(shí)，在這種依靠自流壓頭來流動(dòng)的管線中此類流量計(jì)無法使用。后續(xù)做出了更改，更換為無阻力式流量計(jì)，流量計(jì)指示正常，泡罩塔實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

4.2 蒸發(fā)器吹氣管堵塞

蒸發(fā)器在經(jīng)過長(zhǎng)期測(cè)試后，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)液位計(jì)指示不準(zhǔn)，經(jīng)檢查后確認(rèn)為蒸發(fā)器下2吹氣管堵塞，通過向吹氣管中加酸，使問題得到解決。蒸發(fā)器的吹氣管堵塞是蒸發(fā)器的通病，是不可避免的，現(xiàn)在只有通過加強(qiáng)保養(yǎng)和加酸清洗來處理。

4.3 蒸殘液泵停之后管道堆積

蒸殘液在蒸殘液冷卻槽中冷卻后，需要后續(xù)廠房進(jìn)行下一步處理。在試驗(yàn)中，起泵將蒸殘液進(jìn)行輸送測(cè)試中，當(dāng)停泵三天后，發(fā)現(xiàn)無法重新啟動(dòng)泵，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析，認(rèn)為由兩部分原因：一是由于蒸發(fā)器的蒸殘液含鹽量受料液組分、溫度等多種因素影響，造成析晶；二是由于料液輸送由泵進(jìn)行，長(zhǎng)時(shí)間不起泵，料液中的泥沙就會(huì)積存在管道內(nèi)，形成硬殼，長(zhǎng)期如此反復(fù)，就會(huì)造成泵前、泵后管口堵塞，致使泵無法啟動(dòng)。

因此，在調(diào)試和運(yùn)行中，需要在一定周期后通過向蒸發(fā)器和殘液罐、泵體供酸，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的全面清洗和保養(yǎng)。

5 結(jié)語

通過以上對(duì)自然循環(huán)蒸發(fā)器的液位控制系統(tǒng)、尾氣系統(tǒng)和卸料系統(tǒng)的調(diào)試過程進(jìn)行研究分析，并對(duì)一些在調(diào)試過程中出現(xiàn)的典型問題進(jìn)行闡述，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)系統(tǒng)的全流程功能和穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也能夠給類似蒸發(fā)系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行工作提供有效的方法和問題解決方案。