淺析汽液兩相流裝置在煅燒工序的應(yīng)用

陳 巖

（江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠，江蘇 淮安 223200）

純堿生產(chǎn)工藝中，用蒸汽地方較多，而換熱后的蒸汽冷凝水的疏水及預(yù)熱利用成為節(jié)能重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)。在蒸汽冷凝水疏水器和膨脹器（閃發(fā)器）的作業(yè)中，液位的控制對疏水效果和蒸汽閃發(fā)起著重要的作用。在傳統(tǒng)的液位控制技術(shù)中，大多使用儀表自控閥來控制，但由于生產(chǎn)工藝特殊性，以及儀表自控閥執(zhí)行機(jī)械動作頻繁，在生產(chǎn)過程中尤其是剛開車階段普遍存在易卡澀、磨損、腐蝕和泄漏等問題，時常需要維修。嚴(yán)重時可能會造成無水位運(yùn)行，導(dǎo)致疏水管線大量串汽，提高了蒸汽消耗，甚至導(dǎo)致下一等級壓力容器超壓安全閥起跳，產(chǎn)生安全隱患。而汽液兩相流裝置憑借其準(zhǔn)確性、靈敏性、經(jīng)濟(jì)性、傳感敏銳以及高效的特點(diǎn)較早前被我國各大火電廠應(yīng)用。近幾年，汽液兩相流裝置利用其良好的性能，在新建純堿廠疏水器、閃發(fā)器等壓力容器疏水系統(tǒng)中投用較多，有取代儀表自控閥之趨勢。

本文主要介紹了汽液兩相流裝置的工作原理，以及簡單介紹了其相關(guān)安裝注意事項(xiàng)。同時提出了汽液兩相流裝置在純堿煅燒工序使用過程中，相比于儀表自控閥的優(yōu)劣勢及解決方法。希望能夠?yàn)闃I(yè)內(nèi)使用單位給予一定的啟發(fā)。

1 汽液兩相流裝置工作原理

汽液兩相流裝置是基于汽液兩相流及流體力學(xué)理論設(shè)計(jì)而成的，不需外力驅(qū)動，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力源來自所需控制對象的汽體［1］。由于汽液的比容相差很大，所以動力源所需的蒸汽量很小。其調(diào)節(jié)機(jī)理是汽液兩相在流動過程中［2］汽相比容迅速增大而液相比容基本不變，這使得液相的有效流通面積減小。在壓差一定的情況下，液相流量隨之減少，汽相對液相起到了調(diào)節(jié)作用。

汽液兩相流裝置是由汽液兩相流和信號管兩部分組成，汽液兩相流是一個帶有孔板的漸擴(kuò)式噴嘴的三通閥，結(jié)構(gòu)如圖1所示。汽液兩相流裝置在疏水系統(tǒng)中的安裝簡圖見圖2。在系統(tǒng)工作時，當(dāng)液位高于信號管上口時，汽相不能進(jìn)入控制器，此時不需要汽相調(diào)節(jié)；當(dāng)液位處于信號管直徑之間時，有汽相進(jìn)入控制器，汽相對液相有調(diào)節(jié)作用，液相越接近信號管下口時，進(jìn)入控制器的汽相就越多，調(diào)節(jié)作用也越強(qiáng)；當(dāng)容器內(nèi)的液相位于信號管下口時，汽相的調(diào)節(jié)作用達(dá)到最大，此時若液相繼續(xù)下降（即凝結(jié)水量小于疏水量），則液位無法維持，系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)作用。反之，則可使液位逐漸回升。

圖1 汽液兩相流結(jié)構(gòu)簡圖

2 儀表自控閥與汽液兩相流裝置的應(yīng)用比較

2.1 儀表自控閥對壓力容器液面控制效果分析

儀表自控閥在煅燒爐疏水器和閃發(fā)器的控制中存在一些技術(shù)上的不足：

圖2 汽液兩相流裝置在疏水系統(tǒng)中的安裝簡圖

1）壓力容器液面控制是儀表自控閥與液面計(jì)聯(lián)合工作的結(jié)果。采用差壓液位計(jì)很難在高壓差工況中正確地反映液面的真實(shí)狀態(tài)。對于一個3.2MPa的工況條件下，1～2m的液位差對儀表差壓液位計(jì)的敏感度很低，因此儀表液位計(jì)會出現(xiàn)較大的誤差。

2）疏水器與閃發(fā)器的壓差相對較大，從3.2 MPa減壓至1.6MPa或0.5MPa，在冷凝水通過閥門減壓時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的蒸汽閃發(fā)和汽蝕現(xiàn)象，對閥門的沖刷非常嚴(yán)重，一旦汽蝕沖刷后，儀表閥門便失去控制作用，因此儀表控制閥的壽命很短。

3）由于疏水器到閃發(fā)器的疏水儀表閥門口徑都相對較小，儀表閥門受控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程限制，很難做到微量調(diào)節(jié)。因此在自控調(diào)節(jié)過程中，液面的波動始終存在。

4）儀表自控設(shè)置參數(shù)不適宜會導(dǎo)致閥門調(diào)節(jié)滯后，因而導(dǎo)致液面周期性波動。而煅燒蒸汽疏水器和閃發(fā)器的液位控制范圍有限，儀表閥門的滯后調(diào)節(jié)經(jīng)常導(dǎo)致液位超過低限，甚至無液位。

2.2 生產(chǎn)過程中汽液兩相流裝置的優(yōu)勢

1）液位自調(diào)節(jié)性能強(qiáng)，水位波動控制在正常水位的50mm以內(nèi)。

2）無機(jī)械活動部件，無氣動、電動控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)原理先進(jìn)，可靠性高，具有免維護(hù)的特點(diǎn)。

3）該裝置全密閉結(jié)構(gòu)，無任何活動漏點(diǎn)，出廠前嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打壓和探傷等檢驗(yàn)程序，無泄漏，安全性高。

4）內(nèi)芯采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，能滿足設(shè)備長期運(yùn)行要求，壽命長。

5）液位控制穩(wěn)定，很少有大起大落現(xiàn)象，同時避免了無液位運(yùn)行，降低安全閥起跳風(fēng)險(xiǎn)。

6）該裝置系統(tǒng)簡化，無需電氣控制系統(tǒng)，現(xiàn)場安裝簡單，價格便宜。

7）液位控制穩(wěn)定，大大緩解了管道內(nèi)汽蝕和振動現(xiàn)象。

3 汽液兩相流裝置的劣勢及解決方法

3.1 管線彎頭易刷薄泄漏

江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠煅燒車間現(xiàn)有9臺壓力容器疏水系統(tǒng)都是采用汽液兩相流裝置，目前已使用近5年時間，效果較好。但是由于安裝初期沒有意識到汽蝕對管道的沖刷而造成泄漏的嚴(yán)重性，汽液兩相流連接的短管以及疏水閥出口管道上的彎頭都是采用的普通碳鋼管及與管線壁厚一樣的厚度8mm，使用不到兩年的時間短管和彎頭相續(xù)出現(xiàn)泄漏；使用不到4年的時間，二次閃發(fā)器回水管線上幾乎所有彎頭都出現(xiàn)了刷薄泄漏的現(xiàn)象，被迫待停產(chǎn)時進(jìn)行更換。刷薄泄漏的彎頭壁厚非常的薄，給生產(chǎn)帶來了安全隱患。

研究分析汽液兩相流工作原理可以發(fā)現(xiàn)，汽液兩相流調(diào)節(jié)器后的疏水管線中夾帶著一定的飽和蒸汽［1，3－5］。從泄漏的部位看，主要是該汽液兩相流疏出的是汽液兩種介質(zhì)，由于汽液兩相流運(yùn)行時內(nèi)部是一個動態(tài)的過程，汽液兩相發(fā)生變化，流速發(fā)生變化，造成對汽液兩相流后的短管及彎頭的猛烈沖刷，長期運(yùn)行導(dǎo)致管線刷薄，造成了泄漏。

為了解決此問題，我們采用了12mm壁厚防磨加厚配件代替了原來8mm壁厚的普通碳鋼管配件，目前來看，效果不錯。同時配管時盡量減少彎頭使用數(shù)量。因此，建議新安裝的廠區(qū)，在安裝時，對容易造成沖刷的部位采用處理過的防磨加厚部件，及盡量減少彎頭使用數(shù)量，從而減少因沖刷泄漏造成設(shè)備的停運(yùn)。

3.2 末端閃發(fā)器部分蒸汽未能得到有效利用，增加蒸汽消耗量

通過研究汽液兩相流工作原理知道，在汽液兩相流疏水過程中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力源來自所需控制對象的汽體［1］，所需汽量占據(jù)疏水量的一定比例，因此在汽液兩相流運(yùn)行過程中一直是有一部分閃發(fā)出來的蒸汽通過汽液兩相流直接進(jìn)入到下一級別的閃發(fā)罐中，最終隨著冷凝水直接排放掉。此種現(xiàn)象在生產(chǎn)不穩(wěn)定又沒有及時關(guān)閉隔離閥門時尤為嚴(yán)重，因?yàn)榇藭r進(jìn)入容器中的冷凝液量減小，甚至小于疏出水量，根據(jù)其工作原理，汽相的調(diào)節(jié)作用達(dá)到最大，從而造成蒸汽大量浪費(fèi)。

在文獻(xiàn)［6］中提到，青島堿業(yè)2007年將汽液兩相流投入到煅燒疏水系統(tǒng)后，噸堿中壓汽耗是降低的，這主要是有效解決了疏水器和閃發(fā)器跑汽問題，這與很多電廠［3－5］、氯堿廠［7］未投用汽液兩相流之前的情況相似。

為了能夠從理論上說明末端閃發(fā)器投用汽液兩相流，如不對閃發(fā)后的冷凝水加以回收利用將會增加一定的蒸汽消耗，以二次閃發(fā)器為例，計(jì)算汽液兩相流使用過程中，導(dǎo)致疏水系統(tǒng)直接損失二閃飽和蒸汽的部分熱量，沒有得到充分利用，而伴隨二閃冷凝水直接送往制鹽排放。

假設(shè)汽液兩相流中夾帶的蒸汽比例為r，二次閃發(fā)器每小時疏水總量為m（kg），其它參數(shù)變化忽略不計(jì)，則：

正常情況下，如果冷凝液中不含有夾帶的蒸汽，冷凝水中含有的熱量為：

Q1＝m×H″其中：H″為二閃飽和冷凝水的焓值，kJ／kg；

使用汽液兩相流后，則汽液相混合含有的總熱量為：

Q2＝mrH′＋m（1－r）H″

其中：H′為二閃閃發(fā)的飽和蒸汽的熱焓值，kJ／kg。

那么汽液相混合液多帶走的熱量，即損失熱量為：

Q＝Q2－Q1＝mr（H′－H″）

這部分飽和蒸汽熱量如沒有得到很好的回收利用，則增加了蒸汽消耗量。但是增加的這部分蒸汽消耗量，相對于無液位跑蒸汽來說，消耗量還是小的。如果冷凝水液位能夠穩(wěn)定地控制在信號管處，消耗蒸汽量會有效降低。因此相對于用儀表閥門無法控制液位，汽液兩相流是節(jié)能的。

為了解決此問題，將此損失的熱量進(jìn)行有效回收利用，降低蒸汽消耗，必須做到以下三點(diǎn)：①煅燒二閃飽和冷凝水必須加以技改回收利用。此技改不僅解決了冷凝水自身熱量回收和優(yōu)質(zhì)降溫冷凝水再利用，同時也將這部分損失的熱量得以回收利用。②生產(chǎn)不穩(wěn)定時，及時關(guān)閉隔離閥，減少蒸汽消耗。③兩相流的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)也必須引起足夠重視。尤其是汽相環(huán)隙的設(shè)計(jì)時充分考慮汽耗損失，兩相流的設(shè)計(jì)能力須盡量與實(shí)際生產(chǎn)負(fù)荷范圍相對應(yīng)。盡可能將范圍精確，減小信號管走汽量的同時，保證液位穩(wěn)定。

4 安裝注意事項(xiàng)

1）汽液兩相流無互換性必須對號安裝，殼體上箭頭標(biāo)向與疏水方向一致。

2）信號管中心高度不可以高過容器進(jìn)水口高度，需保證正常水位低于進(jìn)水口，否則容易造成疏水不暢。

3）汽液兩相流安裝位置盡量接近容器本體，最好水平安裝，豎直安裝也不影響使用效果。

4）汽液兩相流連接時連通管愈短愈好，同時系統(tǒng)中彎頭數(shù)量愈少愈優(yōu)，彎頭壁厚愈厚愈好。

5）在整個安裝過程中，應(yīng)清除加熱器及管道內(nèi)的焊渣、雜物。

5 總 結(jié)

純堿煅燒工序應(yīng)用汽液兩相流裝置雖然存在一定的問題，但是通過注意安裝事項(xiàng)、配件選型及煅燒冷凝水加以回收利用，相比于儀表自控閥具有更多的優(yōu)點(diǎn)，值得在純堿行業(yè)中推廣。

［1］ 李慧君，王樹眾.汽液兩相流原理在液位控制器中的應(yīng)用［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37（5）：451－455

［2］ 李慧君.汽液兩相自調(diào)節(jié)水位控制器的理論研究［D］.西安：西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，1993

［3］ 佛鐵梁，薛向宇，尚阿蕊.汽液兩相流自調(diào)節(jié)液位控制裝置在電廠的應(yīng)用［J］.山西電力技術(shù)，2000（3）：14～15，59

［4］ 齊殿全，林萬超，陳國慧.汽液兩相流自調(diào)節(jié)水位控制器在300MW 機(jī)組上的應(yīng)用［J］.中國電力，2001（2）：71～72

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［6］ 董杰.汽液兩相流疏水調(diào)節(jié)器在煅燒爐疏水系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.純堿工業(yè)，2008（2）：46～48

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