王琪 張偉超

摘要：陶瓷電熔爐作為高放廢液玻璃固化處理設(shè)施的核心設(shè)備，其運(yùn)行技術(shù)難度較高，可供調(diào)試借鑒的經(jīng)驗(yàn)少。國(guó)內(nèi)首座高放廢液玻璃固化處理設(shè)施中的陶瓷電熔爐首次啟動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)了熔爐烘烤升溫停止問(wèn)題，影響了熔爐調(diào)試進(jìn)度。鑒于此，簡(jiǎn)要介紹了熔爐啟動(dòng)過(guò)程，結(jié)合熔爐供電系統(tǒng)電控柜相關(guān)資料對(duì)熔爐啟動(dòng)過(guò)程中升溫停止問(wèn)題的原因進(jìn)行了分析，最終通過(guò)修改ABB控制器內(nèi)的控制參數(shù)解決了熔爐啟動(dòng)過(guò)程中升溫停止的問(wèn)題，旨在為后續(xù)玻璃固化項(xiàng)目陶瓷電熔爐的調(diào)試提供參考。

關(guān)鍵詞：玻璃固化；陶瓷電熔爐；啟動(dòng)；調(diào)試

中圖分類號(hào)：TL941+.113? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）10-0066-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.018

0? ? 引言

放射性廢物的處置問(wèn)題一直是核工業(yè)發(fā)展過(guò)程中不可忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。核燃料后處理循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的高放廢液的安全處置是放射性廢物處理的關(guān)鍵，國(guó)際上比較成熟的高放廢液處理方法是玻璃固化[1]。

國(guó)內(nèi)首座高放廢液處理設(shè)施引進(jìn)了德國(guó)的陶瓷電熔爐玻璃固化技術(shù)，其運(yùn)行技術(shù)難度較高，可供借鑒的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)較少。

本文介紹了國(guó)內(nèi)首座玻璃固化陶瓷電熔爐的首次啟動(dòng)調(diào)試過(guò)程以及啟動(dòng)過(guò)程中的問(wèn)題處理，可為后續(xù)玻璃固化設(shè)施陶瓷電熔爐的調(diào)試提供參考。

1? ? 陶瓷電熔爐簡(jiǎn)介

陶瓷電熔爐是用來(lái)處理高放廢液的核心設(shè)備，放置在封閉的熱室中，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。熔爐主體主要由三個(gè)部分組成：（1）熔爐內(nèi)壁由極耐腐蝕的電熔鑄耐火陶瓷磚構(gòu)成，以包容溫度在1 100～1 180 ℃的高溫熔融玻璃液；（2）耐火陶瓷磚外為多層絕熱材料，以減少熔爐的熱損失，同時(shí)起到多重屏障的作用，防止玻璃熔融體從耐火磚縫中滲出；（3）熔爐最外側(cè)是不銹鋼外殼，一方面可以減少熔爐與熱室間的空氣交換，防止放射性物質(zhì)外泄，另一方面也方便了運(yùn)輸和安裝過(guò)程中熔爐的轉(zhuǎn)運(yùn)和吊裝[2]。熔爐頂部安裝有廢液和玻璃珠進(jìn)料管、尾氣管、測(cè)溫裝置等關(guān)鍵部件。熔爐兩側(cè)是成對(duì)放置的加熱電極，用于熔爐運(yùn)行時(shí)能量輸入，維持熔爐內(nèi)玻璃焦耳加熱。熔爐底部安裝有一套中頻感應(yīng)出料裝置，用于熔爐內(nèi)玻璃定期下料。

2? ? 熔爐啟動(dòng)

熔爐啟動(dòng)是將熔爐在建造、運(yùn)輸和存放期間電熔鑄耐火陶瓷磚內(nèi)存留的水分烤干，最終向熔爐內(nèi)部添加啟動(dòng)玻璃使陶瓷電熔爐轉(zhuǎn)至焦耳加熱運(yùn)行工況。熔爐啟動(dòng)主要過(guò)程包括熔爐烘烤和熔爐啟動(dòng)玻璃焦耳加熱運(yùn)行兩個(gè)部分。

2.1? ? 熔爐烘烤

熔爐烘烤主要是通過(guò)安裝在熔爐頂部的硅碳加熱棒加熱從而實(shí)現(xiàn)熔爐內(nèi)部升溫烘烤。烘烤過(guò)程中耐火陶瓷磚會(huì)受熱膨脹，為了避免熔爐內(nèi)壁陶瓷磚在烘烤過(guò)程中由于溫度急劇變化產(chǎn)生裂紋，熔爐烘烤過(guò)程中要注意控制好升溫速度，同時(shí)考慮應(yīng)急措施避免熔爐供電系統(tǒng)突然斷電。

熔爐烘烤的升溫過(guò)程主要分為低溫、中溫、高溫三個(gè)升溫階段[3]。階段一是通過(guò)硅碳加熱棒將熔爐內(nèi)部溫度從環(huán)境溫度升溫至100 ℃，并維持當(dāng)前溫度48 h；階段二是將熔爐溫度從100 ℃提升至600 ℃，并維持當(dāng)前溫度48 h；階段三是將熔爐內(nèi)溫度提升至1 050 ℃，并維持當(dāng)前溫度48 h。

2.2? ? 熔爐啟動(dòng)玻璃焦耳加熱

啟動(dòng)玻璃焦耳加熱是熔爐啟動(dòng)的第二個(gè)關(guān)鍵階段。通過(guò)熔爐頂部安裝的進(jìn)料管分批向熔爐內(nèi)部加入特定組分的啟動(dòng)玻璃珠，啟動(dòng)玻璃珠在硅碳加熱棒的熱源作用下逐漸軟化，然后利用玻璃在熔融狀態(tài)下具備導(dǎo)電性的特性，及時(shí)啟動(dòng)熔爐內(nèi)成對(duì)布置的電極對(duì)之間的供電，將電流通過(guò)電極對(duì)引入熔融玻璃中，使熔爐內(nèi)的玻璃在電流作用下產(chǎn)生焦耳加熱，從而維持玻璃熔融狀態(tài)[4]。

在啟動(dòng)熔爐電極對(duì)供電前，需要檢查各電極的對(duì)地絕緣，確保熔爐供電回路的絕緣符合要求，同時(shí)必須檢查熔爐內(nèi)部的玻璃量，確定熔融玻璃淹沒(méi)電極對(duì)。熔爐焦耳加熱啟動(dòng)初期，由于啟動(dòng)玻璃剛具備導(dǎo)電性，玻璃電阻相對(duì)較高，從供電設(shè)備運(yùn)行安全角度考慮，熔爐加熱電極對(duì)供電回路變壓器需要以高電壓、低電流方式運(yùn)行；當(dāng)玻璃完全熔化后，可以根據(jù)玻璃電阻情況將加熱電極對(duì)供電回路變壓器切換至低電壓、大電流方式運(yùn)行。

3? ? 熔爐升溫停止問(wèn)題分析及處理

熔爐升溫烘烤過(guò)程中，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)硅碳加熱棒測(cè)溫?zé)犭娕挤答伒臏y(cè)量溫度恒定不變，不隨目標(biāo)溫度變化而變化。經(jīng)過(guò)初步分析，造成上述問(wèn)題的原因可能有以下兩點(diǎn)：（1）硅碳加熱棒對(duì)應(yīng)的測(cè)溫?zé)犭娕脊收?，控制?huà)面顯示的溫度為假值；（2）硅碳加熱棒輸出功率不足，導(dǎo)致實(shí)際溫度無(wú)法上升。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)可能原因進(jìn)行排查。

3.1? ? 硅碳加熱棒對(duì)應(yīng)的測(cè)溫?zé)犭娕脊收?/p>

將硅碳加熱棒供電柜電源斷開(kāi)，拆除硅碳加熱棒測(cè)溫?zé)犭娕?，根?jù)硅碳加熱棒測(cè)溫?zé)犭娕剂砍踢x取幾個(gè)不同的溫度點(diǎn)，使用熱電偶校驗(yàn)平臺(tái)對(duì)熱電偶進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果如表1所示。經(jīng)過(guò)檢查，硅碳加熱棒測(cè)溫?zé)犭娕脊δ芡旰茫懦摴收显颉?/p>

3.2? ? 硅碳加熱棒輸出功率不足

關(guān)于硅碳加熱棒輸出功率不足問(wèn)題，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，熔爐供電系統(tǒng)的最大電功率是滿足熔爐啟動(dòng)需要，因而判斷造成硅碳加熱棒升溫停止的原因很可能是硅碳加熱棒輸出功率調(diào)節(jié)功能出現(xiàn)故障。硅碳加熱棒的輸出功率主要由ABB控制器和電控柜內(nèi)的可控硅調(diào)壓器控制，控制原理如圖2所示。

硅碳加熱棒的輸出功率由電控柜上的ABB控制器根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度以及硅碳加熱棒測(cè)溫?zé)犭娕挤答伒膶?shí)際溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，工作過(guò)程如下：ABB控制器輸出4～20 mA的控制信號(hào)給可控硅調(diào)壓器，可控硅調(diào)壓器根據(jù)ABB控制器的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)電壓，變壓器一次側(cè)電壓變化會(huì)引起二次側(cè)電壓變化，從而實(shí)現(xiàn)加熱棒功率控制。

結(jié)合上述分析，硅碳加熱棒輸出功率調(diào)節(jié)故障的可能原因?yàn)榭煽毓枵{(diào)壓器故障或者ABB控制器內(nèi)的PID控制程序故障，因此需要對(duì)這兩部分進(jìn)行排查。

3.2.1? ? 電控柜內(nèi)的可控硅調(diào)壓器故障

為排查該可能原因，將硅碳加熱棒電控制柜內(nèi)電源切斷，拆除ABB控制器與可控硅調(diào)壓器之間的控制電纜，在可控硅調(diào)壓器的控制端接信號(hào)發(fā)生器，使用信號(hào)發(fā)生器模擬4～20 mA的控制信號(hào)給可控硅調(diào)壓器，用萬(wàn)用表測(cè)量可控硅調(diào)壓器的輸出端電壓，經(jīng)過(guò)測(cè)試確認(rèn)可控硅調(diào)壓器可以根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)電壓，因此排除該原因。

3.2.2? ? 加熱棒控制程序故障

現(xiàn)場(chǎng)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)ABB控制器上顯示的硅碳加熱棒輸出功率為100%，而用實(shí)際測(cè)量得到的控制器輸出信號(hào)只有17%左右，實(shí)際輸出與顯示不一致。通過(guò)對(duì)ABB控制器內(nèi)的控制程序邏輯圖進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)如圖3所示一段控制邏輯：控制器內(nèi)啟動(dòng)加熱程序的PID輸出信號(hào)在輸出給可控硅調(diào)壓器前需要經(jīng)過(guò)兩次修正，修正后輸出的信號(hào)最大只有17.857 5%，與實(shí)際測(cè)量的最大輸出信號(hào)一致，因此判斷控制程序存在問(wèn)題。

3.3? ? 故障處理及結(jié)果

為解決ABB控制器輸出信號(hào)受限問(wèn)題，需要對(duì)PID輸出信號(hào)的修正系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整修正系數(shù)時(shí)，需要考慮供電設(shè)備的安全。為了確定合適的修正系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)使用信號(hào)發(fā)生器代替ABB控制器來(lái)控制可控硅調(diào)壓器，并使用萬(wàn)用表測(cè)量變壓器二次側(cè)輸出電壓。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)控制器輸出信號(hào)為71%時(shí)，變壓器輸出電壓為296.1 V，此電壓已經(jīng)接近變壓器二次側(cè)輸出電壓上限300 V。為保障設(shè)備安全，避免超壓，最終決定在變壓器300 V檔位時(shí)，設(shè)置ABB控制器的輸出信號(hào)上限為70%。通過(guò)對(duì)ABB控制器中的修正系數(shù)進(jìn)行修改，硅碳加熱棒的加熱控制功能恢復(fù)正常，熔爐啟動(dòng)順利完成，未對(duì)設(shè)備造成損傷。

通過(guò)對(duì)熔爐啟動(dòng)過(guò)程中升溫停止問(wèn)題的處理，發(fā)現(xiàn)在陶瓷電熔爐啟動(dòng)前，要對(duì)熔爐電控系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。熔爐啟動(dòng)前要做好應(yīng)急預(yù)案，確保出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)能夠及時(shí)處理，從而防止熔爐啟動(dòng)過(guò)程中熔爐溫度突變，影響熔爐壽命。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

陶瓷電熔爐的啟動(dòng)是玻璃固化設(shè)施調(diào)試的關(guān)鍵，陶瓷電熔爐啟動(dòng)前需要充分了解陶瓷電熔爐各部件功能，仔細(xì)分析陶瓷電熔爐啟動(dòng)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，提前做好防范措施。本文簡(jiǎn)要介紹了玻璃固化陶瓷電熔爐啟動(dòng)過(guò)程及一些注意事項(xiàng)，對(duì)熔爐烘烤過(guò)程中升溫停止問(wèn)題的原因分析和處理過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，可為后續(xù)玻璃固化項(xiàng)目陶瓷電熔爐的啟動(dòng)提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

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[4] 陳金方.玻璃電熔爐技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

收稿日期：2023-02-06

作者簡(jiǎn)介：王琪（1992—），男，江蘇泰興人，工程師，主要從事核工程調(diào)試工作。