布料器冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化

王永龍 張勇

（1：河北省智能爐頂裝備工程研究中心 河北 秦皇島 066318；2：秦皇島秦冶重工有限公司 河北 秦皇島 066318）

1 前言

布料器是無料鐘爐頂裝料設(shè)備中最關(guān)鍵的設(shè)備，作為同進(jìn)口布料器比肩且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化BCQ布料器是秦冶爐頂設(shè)備的重要組成部分。布料器冷卻介質(zhì)采用工業(yè)水，控制合適的流量可以起到良好的冷卻效果，控制布料器箱體溫度不超過60℃，回轉(zhuǎn)支承溫度不超過70℃，保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。但是在布料器設(shè)備使用多年后，受多種因素影響，偶有發(fā)生布料器溢水到高爐爐內(nèi)、冷卻系統(tǒng)斷流、水封擊穿等事故。另外設(shè)備的正常運(yùn)行還需要密封氮?dú)獾呐浜希B續(xù)的氮?dú)獬淙肟梢云鸬奖ＷC布料器箱內(nèi)壓力成微正壓（相比高爐頂壓而言），從而抑制高爐灰塵進(jìn)入到布料器設(shè)備內(nèi)部，起到氣封作用［1］，但是氮?dú)鈮毫土髁咳艨刂撇划?dāng)也會引起布料器發(fā)生事故，為此需要了解冷卻系統(tǒng)運(yùn)行原理和一些常見事故的分析判斷及處理方法。

2 開式冷卻水系統(tǒng)

布料器開式水冷循環(huán)系統(tǒng)，如圖1（開式水冷系統(tǒng)原理圖）所示，主要由進(jìn)水管路、排水管路、U形水封裝置、回氣管道組成。

圖1 開式水冷系統(tǒng)原理圖

2.1 進(jìn)水管路

借助煉鐵系統(tǒng)冷卻水主管道作為水源（壓力0.6MPa），通過調(diào)節(jié)閥和一系列的檢測儀表后進(jìn)入到布料器內(nèi)部，該管路設(shè)置有電磁流量計(jì)（位號W.2.1）和流量調(diào)節(jié)閥（位號W.3.1），用以檢測和控制進(jìn)水流量。

2.2 排水管路

從爐頂鋼圈接兩路（或四路）出水口，用管道連接合并成一路，進(jìn)入到氣水分離器，然后經(jīng)U形水封排出到集水槽。U形水封裝置主要由氣水分離器、沉淀罐和相應(yīng)的檢測原件組成，U形管的有效高度抵消布料器內(nèi)部的壓力，從而使冷卻水順利從布料器內(nèi)部排出同時(shí)不會擊穿水封，該管路設(shè)置有回水電磁流量計(jì)（位號W.2.2）、氣水分離器（位號W.13.1）及沉淀罐（位號W.14.1）。為了保證檢修時(shí)布料器冷卻水流通順暢，需保證氣水分離罐到高于水封出水口（h），低于爐頂鋼圈法蘭高度（同時(shí)具有不小于1：10的斜度）。

2.3 回氣管道

回氣管道的主要作用的連接氣水分離器，使罐內(nèi)氣壓與布料器內(nèi)壓力相等，保證冷卻水能順利流出到氣水分離器。

2.4 流量計(jì)布置

在布置管道時(shí)需要注意回水流量計(jì)（位號W.2.2）安裝在豎直管道上，且必須布置在U形水封管路的上升管區(qū)域（因流量計(jì)只能檢測滿管流介質(zhì)，水溶液中若存在氣體會極大地影響流量計(jì)的檢測準(zhǔn)確度）。

2.5 水封高度計(jì)算

1）按照液體壓強(qiáng)公式

式中：P—布料器內(nèi)部的壓力，Pa；

ρ—介質(zhì)密度（35℃），994kg／m3；

g—重力加速度，9.8N／kg；

H—水封有效高度，m。

假設(shè)設(shè)計(jì)壓力P＝0.28×106Pa（0.28MPa），代入公式得Hmin＝28.7m。為防止?fàn)t頂壓力波動（約0.05MPa）引起水封擊穿，水封有效高度應(yīng)預(yù)留一定的富裕量（約5m），即水封的有效高度應(yīng)≥33.7m。

2）核算管路阻力損失［2］

BCQ布料器根據(jù)喉管直徑分為多個系列，此處按照DN650布料器流量20m3／h進(jìn)行核算。

上升管中冷卻水的流速為：

取管壁絕對粗糙度ε＝0.3mm，ε／d＝0.3／100＝0.003。

根據(jù)湍流時(shí)摩擦系數(shù)λ的計(jì)算公式：

同時(shí)結(jié)合查表得λ＝0.065。

局部阻力損失：

式中：u—介質(zhì)流速，m／s；

V—介質(zhì)流量，kg／m3；

d—管道通徑，m；

ρ—介質(zhì)密度（35℃），kg／m3；

μ—介質(zhì)運(yùn)動粘度（35℃），Pa·s；

λ—摩擦系數(shù)；

l—管道長度，m，折合后按照80m計(jì)算；

ζ—阻力系數(shù)，見表1。

表1 管道局部阻力系數(shù)

3）核算h差值

為保證水流穩(wěn)定流動，水封出水口需保證流速u，根據(jù)管路阻力損失核算h的最小值。

預(yù)留1.5倍安全系數(shù)，h取3.4m。

即高爐在休風(fēng)期間，為了能讓布料器冷卻水流動順暢需要保證布料器下法蘭與水封出水口高度差約3.4m。

2.6 缺陷

開式水冷系統(tǒng)在國內(nèi)使用的非常普遍，雖然受限于各家高爐自身?xiàng)l件不同，但是關(guān)于水系統(tǒng)出現(xiàn)過的事故共同點(diǎn)卻是一致的。

首先最常出現(xiàn)的是水封擊穿問題（即水封失效，高爐煤氣隨出水管道流動到大氣環(huán)境當(dāng)中）；其次水封出水水流呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)；最后水系統(tǒng)使用年限久之后，出現(xiàn)管道堵塞且無法在線處理，引起布料器向高爐內(nèi)部漏水。

3 優(yōu)化改造

3.1 增加局部管道通徑

BCQ布料器鋼圈排水一般接≥2個管口（DN100）。改造后，爐頂鋼圈出水匯合后的鋼管（排水管路）由DN100改為一根DN150的鋼管，并且把U型水封下水管也由DN100改為DN150（如圖2所示），保證了管內(nèi)氣體回流順暢，并且下水管直徑大于上水管直徑，可起到一定緩沖作用，能更好地適應(yīng)管內(nèi)壓力波動，避免水封擊穿。

圖2 U形水封改進(jìn)前后示意圖

3.2 增加補(bǔ)水球閥

在底部沉淀罐的上方增加一個常閉球閥（位號W.15.1），連接沉淀罐附近的高壓水源，方便沉淀罐排污后及時(shí)補(bǔ)水。在U形水封發(fā)生擊穿事故時(shí)，可以打開該球閥給水封管道內(nèi)強(qiáng)行補(bǔ)充高壓水，直至出水口出水均勻無氣體為止，該方法無需高爐減小風(fēng)壓，且可以快速恢復(fù)水封，減小水封擊穿帶來的影響。

3.3 增加管道沖洗通道

將布料器進(jìn)水管路與排水管路連通起來，如圖3所示，中間設(shè)置一個常閉球閥（位號W.1.9）隔斷。在排水管路發(fā)生堵塞或者流水不暢時(shí)，將布料器進(jìn)水管路閥門（位號W.9.1、W.9.2）、排水管路閥門（位號W.11.2）、回氣管路閥門（位號W.10.2）關(guān)閉，打開常閉球閥（位號W.1.9）進(jìn)行管路沖洗。盡量在休風(fēng)時(shí)進(jìn)行該操作，若在正常生產(chǎn)時(shí)操作需要注意布料器斷水時(shí)間不應(yīng)超過1小時(shí)。該改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)水冷管道在線沖洗、疏通管道，避免布料器發(fā)生漏水事件。

圖3 改進(jìn)后的開式水冷系統(tǒng)原理圖

3.4 出水管增加坡度

U形水封出水口管段（上升管頂端到集水槽），設(shè)置成傾斜管路，斜度應(yīng)大于1∶10，便于出水順暢和頂部排氣，從而保持出水口水流穩(wěn)定。

3.5 水封上升管增加流量計(jì)

冷卻水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置回水流量計(jì)，與進(jìn)水流量做比較，并在高爐中控室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在發(fā)生問題時(shí)具備分析手段和提升處置辦法的可操作性。

4 常見事故分析及處置

4.1 水封擊穿

水封擊穿在開式水冷系統(tǒng)中比較常見，其主要原因是高爐爐頂壓力波動引起水封高度急劇變化或高壓氣體與冷卻水混合帶來水封擊穿。

1）水封擊穿首先要排查氣水分離罐。排水管道流經(jīng)氣水分離罐時(shí)，氣體和液體在罐內(nèi)和豎直下降管內(nèi)進(jìn)行分離，氣體沿著頂部的回氣管路回到布料器（也可以理解為均壓管路），若頂部回氣管路堵塞，將引起氣、水混合從而帶來水封擊穿。

2）底部沉淀罐進(jìn)行排污，按照正確的操作流程將沉淀罐內(nèi)積累的灰沙、油污清理干凈并續(xù)入半凈水。

3）管道布置不合理。開式水冷中回氣管路在任何地方都應(yīng)處于排水管路的上方，便于水、氣分離且回氣順暢。

4）部分廠家的水封有效高度無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求也是引起擊穿的一個主要因素。若頂壓高或者頂壓波動較大，水封有效高度明顯不足問題出現(xiàn)時(shí)可以按照以下三個方案進(jìn)行改造：

1）將圖3中U形水封上升管閥門（位號W.12.1）的開度減小。在保證回水流量計(jì)與進(jìn)水流量計(jì)數(shù)值一致（或保持固定差值）的前提下將閥門開度調(diào)整到最小，這樣給水封管路增加了緩沖能力，在壓力波動較大時(shí)不至于引起擊穿。

2）考慮加大氣水分離罐的容積。采用一個容積約2m3水罐（附帶液位計(jì)）作為氣水分離罐。在水罐底部增加一個手動球閥，待爐頂頂壓穩(wěn)定后，全關(guān)該手動球閥使水罐蓄水至約2／3容積，然后手動緩慢打開該手動球閥（保持水罐內(nèi)至少有1／2液位），直至回水流量與進(jìn)水流量保持一致。

3）考慮抬高水封出水口。水封出口采用雙管道并聯(lián)，一處管道處于原平臺，另一處抬高到下密平臺。如圖4所示，原出水口增加一個閥門（位號W.16.1，帶遠(yuǎn)程控制），并與原管道并聯(lián)一處有效高度為H1的管道，H1具體值應(yīng)滿足H＜H1＜2×（H－5），根據(jù)爐頂壓力決定閥門（位號W.16.1）是否開啟。需要特別注意的是在爐頂休風(fēng)之前應(yīng)強(qiáng)制閥門（位號W.16.1）處于開啟狀態(tài)，以防布料器向高爐溢水。

圖4 抬高水封出水口示意圖

5）發(fā)生水封擊穿后，快速恢復(fù)水封的辦法（無需減風(fēng)）。打開沉淀罐常閉球閥（位號W.15.1）給水封管道內(nèi)強(qiáng)行補(bǔ)充高壓水，直至出水口出水均勻無氣體為止，該方法無需高爐減小風(fēng)壓且快速有效。

4.2 布料器溢水及水封出水水流不穩(wěn)定

如果布料器發(fā)生溢水現(xiàn)象一般的情況下也會伴隨水封出水水流忽大忽小、甚至斷流，密封氮?dú)饬髁亢蛪毫εc頂壓不匹配、操作流程不當(dāng)都會引起該問題的發(fā)生。

1）布料器密封氮?dú)獾膲毫Γ傲髁浚┡c頂壓不匹配。易發(fā)生在爐頂設(shè)備調(diào)試階段或者頂壓逐漸升壓的過程中，主要原因是氮?dú)鈿庠磯毫p壓閥閥后壓力高或者無減壓閥，在頂壓升壓初期布料器密封環(huán)縫處流速過快，將冷卻水帶進(jìn)高爐形成雨幕式溢水（從爐內(nèi)成像上能看到水滴）。所以在高爐壓力較低時(shí)，需要控制氮?dú)獾牧髁炕驕p壓閥閥后壓力，在高爐壓力恢復(fù)正常值后，再將流量或者減壓閥閥后壓力調(diào)整到設(shè)計(jì)值。

高爐爐頂壓力較低時(shí)，若布料器水流量過大，也會引起布料器溢水，初始水流量應(yīng)小于5噸／小時(shí)，待爐頂壓力穩(wěn)定后再逐步增加供水量至需求值［3］。

2）布料器進(jìn)水口供水壓力不足，引起水封呼吸。部分用戶布料器進(jìn)水口供水壓力按照高于高爐頂壓0.1MPa（約0.3～0.4MPa），但是因進(jìn)水流量會隨著布料器內(nèi)壓力的升高而降低，部分用戶的水質(zhì)情況較差引起進(jìn)水管路堵塞，所以在條件允許情況下，建議將布料器進(jìn)水口的壓力調(diào)定在0.6MPa以上（至少應(yīng)高于頂壓0.2MPa），利用高壓水確保進(jìn)水的穩(wěn)定性。

3）水封出水管管路水平管道過長或斜度較小。當(dāng)爐內(nèi)壓力波動時(shí)，水封內(nèi)的水位隨之產(chǎn)生波動，過長水平管道造成水流時(shí)斷時(shí)續(xù)甚至斷流。水封出水上升管應(yīng)盡量靠近集水槽，且不得存在水平管道，應(yīng)設(shè)置大于1：10的斜坡管道，且管道越長斜度應(yīng)越大。

5 結(jié)論

分析了布料器開放式水冷系統(tǒng)特點(diǎn)及漏水原因；并從設(shè)計(jì)原理出發(fā)，于管道布置方面消除不良因素，提出增加局部管路內(nèi)徑，控制閥門開度等手段來減少水封擊穿事故發(fā)生的幾率；增加補(bǔ)水球閥實(shí)現(xiàn)不減風(fēng)的情況下快速恢復(fù)水封的方案；增設(shè)自循環(huán)管路實(shí)現(xiàn)管路自循環(huán)和自清洗方案，在保障水冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行的同時(shí)給出現(xiàn)異常問題后的快速應(yīng)對提供了基礎(chǔ)條件。