純氧燃燒氧氣管路設(shè)計(jì)與選型的探討

閻笠揚(yáng)， 李 鋒

(安德森熱能科技(蘇州)有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215002)

引 言

隨著節(jié)能環(huán)保政策的進(jìn)一步落實(shí)，以及玻璃、水泥、鋼鐵等建筑材料性能的不斷提升，純氧燃燒技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

上世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)開始從歐美等先進(jìn)技術(shù)國(guó)家引進(jìn)純氧燃燒技術(shù)以及相關(guān)燃燒設(shè)備。隨著國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加速，以及自主整合國(guó)際先進(jìn)技術(shù)及裝備資源的力度加大，成本得到降低，效率進(jìn)一步提升。但設(shè)計(jì)規(guī)范以及安全方面的投入仍舊存在較大改進(jìn)的潛力。

本文通過(guò)對(duì)氧氣管道、閥組設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)組成的分析，對(duì)其設(shè)計(jì)及關(guān)鍵組件的選型提出了建議。

1 純氧燃燒氧氣管道及閥組

1.1 氧氣管道設(shè)計(jì)基本要求

工業(yè)上，多依據(jù)美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)發(fā)布的第861號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《Ovens and Furnaces，2015 Edition》燃燒設(shè)備安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氧氣的具體規(guī)定，即IGC 標(biāo)準(zhǔn)，是目前最嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)之一。在IGCDoc13/02E 有關(guān)章節(jié)中已對(duì)使用于氧氣介質(zhì)的多種材料的流速及耐壓限制情況進(jìn)行了界定，例如材料蒙乃爾(Monel)。蒙乃爾合金又被稱作鎳合金，是以鎳為基體并添加錳、銅、鐵等其它元素而成的合金。中國(guó)頒布實(shí)施的《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》 (GB 16912-2008)對(duì)氧氣的規(guī)定與歐洲標(biāo)準(zhǔn)基本相同(如表1所示)。

1.2 氧氣閥組的主要組成部件

所有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝需要按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制約執(zhí)行。從氧氣的供應(yīng)，通過(guò)閥組再到燃燒器，整個(gè)氧氣管路的設(shè)計(jì)安裝、測(cè)試和使用過(guò)程應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求以及國(guó)家的相關(guān)規(guī)定。

隔離閥：目的是為了設(shè)備維護(hù)和緊急情況下提供手動(dòng)切斷。因此，閥門必須位于一個(gè)在緊急狀況下設(shè)備操作員可以快速接觸到的位置。使用可以適用于氧氣管道系統(tǒng)的快速開啟球閥或蝶閥。為減少絕熱壓縮危險(xiǎn)，在打開閥門時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量緩慢。閥門需要具有鎖定功能，以便在維護(hù)操作期間能夠?qū)⒀鯕夤?yīng)鎖定在管路系統(tǒng)外。

表1 氧氣管道流速設(shè)計(jì)安全要求

過(guò)濾器：濾除顆粒物并防止其進(jìn)入氧氣管道和流動(dòng)部件。一般根據(jù)具體情況，過(guò)濾器推薦使用30～100目的黃銅或蒙乃爾合金濾網(wǎng)。氧氣管道系統(tǒng)中一般不建議在過(guò)濾器上加裝排污閥。排污閥的用途是使清洗過(guò)濾器的過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單；但是排污閥很容易被打開，特別是在清理濾網(wǎng)等不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，會(huì)造成局部的富氧空氣產(chǎn)生危險(xiǎn)。

減壓閥：當(dāng)上游供氧壓力存在波動(dòng)的情況，或超過(guò)閥組燃燒器操作所需的壓力時(shí)，需要一個(gè)調(diào)壓器以調(diào)節(jié)穩(wěn)定壓力。

當(dāng)閥組任意部件或管路的實(shí)際壓力有可能存在大于最大工作壓力的情況下，需要用泄壓裝置以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。減壓裝置必須按制造商和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選型和適當(dāng)調(diào)整。泄壓裝置的出口必須用管道輸送到安全的位置。

(1)壓力表用來(lái)指示流動(dòng)元件的氧氣計(jì)量壓力。許多不同類型的流動(dòng)元件需要精確的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行精確的流量測(cè)量和計(jì)算。

(2)使用流量計(jì)來(lái)測(cè)量進(jìn)入燃燒器的氧流量。流量計(jì)的種類有很多，包括差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)、細(xì)縫流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)，渦街流量計(jì)，浮子流量計(jì)，科氏力質(zhì)量流量計(jì)，熱式(氣體)質(zhì)量流量計(jì)，渦輪流量計(jì)等。使用時(shí)應(yīng)該保證所有的材料滿足氧相容，相關(guān)尺寸符合設(shè)計(jì)。

(3)氧氣流量限制開關(guān)須聯(lián)鎖以達(dá)到在非正常氧氣流量的工況下關(guān)閉自動(dòng)安全切斷閥。

(4)壓力變送器一般用以補(bǔ)償氧氣供應(yīng)的壓力波動(dòng)。使用壓力補(bǔ)償是該精度所要求的。

(5)溫度元件和溫度變送器也是可選元件之一。一般使用溫度變送器以補(bǔ)償氧氣所計(jì)算出的供應(yīng)氧氣的溫度波動(dòng)。

(6)管路中必須設(shè)有安全截止閥。在安全截止閥上必須有位置指示(例如“開啟”和“關(guān)閉”)，不能使用流量控制閥來(lái)代替安全截止閥。當(dāng)任何安全聯(lián)鎖裝置處于非正常工作狀態(tài)時(shí)，它必須切換到關(guān)閉位置。

在要求不高的情況下，可以使用氣動(dòng)球閥作為安全切斷閥。推薦使用帶有可調(diào)孔的儀表空氣三通電磁閥以用于控制球閥的啟閉速度。當(dāng)燃燒器系統(tǒng)的加熱能力大于120 kW時(shí)需要有第二個(gè)安全截止閥。兩個(gè)安全截止閥中至少有一個(gè)必須有限位開關(guān)或類似的裝置，以用于證明閥門在爐膛吹掃期間處于“關(guān)閉”位置。

當(dāng)在氧氣/燃料系統(tǒng)未工作時(shí)，為了防止氧氣從上游截止閥處泄露，需要使用放氣閥和相應(yīng)的管道，以便將可能從上游關(guān)閉閥泄漏的氧氣排放到安全位置。放氣閥選擇和排氣管道設(shè)計(jì)應(yīng)按照相應(yīng)準(zhǔn)則。

排氣閥和其相應(yīng)的管路不是通風(fēng)管，應(yīng)當(dāng)將排氣閥和管道的尺寸保持在最低限度。小管徑可以在一定程度上避免因排氣閥故障而產(chǎn)生過(guò)多的氧氣泄露。同時(shí)，排氣閥及其管路和流量計(jì)也為上游安全截止閥的氣密性檢查提供了直接、方便的方法。

可選用第二隔離閥來(lái)為維護(hù)操作提供手動(dòng)關(guān)閉閥。一般使用適用于氧氣管路的快速開啟球閥或蝶閥。在打開閥門時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量緩慢，以減少絕熱壓縮的危險(xiǎn)。

對(duì)于燃?xì)庖约把鯕獾陌踩刂归y進(jìn)行嚴(yán)格的氣密性檢查。同時(shí)，在燃燒器上游的氧氣管道中必須安裝單向閥以防止任何燃?xì)饣亓鞯窖鯕夤艿乐小?/p>

2 氧氣閥組關(guān)鍵組件及其選型實(shí)例

2.1 減壓閥

減壓閥有多種類型，如膜片式減壓閥(如圖1所示)和雙級(jí)氧氣減壓閥等。

圖1 膜片減壓閥工作原理示意圖

2.2 流量調(diào)節(jié)閥

流量調(diào)節(jié)閥必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整尺寸。流量調(diào)節(jié)閥的目的是根據(jù)所需燃燒器的燃燒率來(lái)控制輸送的氧氣流量。流量調(diào)節(jié)閥一般采用手動(dòng)或可自動(dòng)控制的球心閥。

如果采用自動(dòng)流量控制模式，該系統(tǒng)可以由有兩個(gè)平行螺線管驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)支路，或PID閉環(huán)控制組成。在一個(gè)典型的PID閉環(huán)控制功能中，控制器發(fā)送一個(gè)電信號(hào)到I/O轉(zhuǎn)換器，它產(chǎn)生一個(gè)氣動(dòng)信號(hào)來(lái)定位自動(dòng)控制閥。控制器還可以接受氧氣流量的反饋信號(hào)，并將閥門開度控制在期望的設(shè)定值以穩(wěn)定氣體流速。

2.3 單向閥

根據(jù)氧氣管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各類材料壓力、壓力流速積限制、沖擊工況判斷原則，分析不同類型閥門閥體及內(nèi)件材料所受的摩擦、沖擊。結(jié)合工程項(xiàng)目的操作工況，得出閥門的主要材料、閥門壓力等選擇。

圖2所示為旋啟式單向閥，其它類型有雙板式，軸流式，賀爾碧格氣閥等。

圖2 旋啟式單向閥工作原理示意圖

3 氧氣管路安全要求與檢測(cè)

3.1 安全截止閥及其控制回路

燃燒的三個(gè)要素如圖3所示，切斷任一個(gè)要素即可阻止燃燒的發(fā)生。因此，在出現(xiàn)任何不符合安全聯(lián)鎖的情況下，安全截止閥將立刻切斷氧氣流量，如：燃?xì)饣蜓鯕鈮毫^(guò)低或過(guò)高；燃?xì)饣蜓鯕饬髁窟^(guò)低或過(guò)高；燃燒器熄火；爐膛溫度過(guò)高；燃燒器冷卻空氣/水流量過(guò)低；爐壓過(guò)高；斷電。

圖3 燃燒三角形

3.2 常見(jiàn)典型安全事故原因分析

氧氣管道或閥組內(nèi)的鐵銹、粉塵、焊渣與管道內(nèi)壁或閥口摩擦產(chǎn)生高溫發(fā)生爆炸。管道內(nèi)或閥門存在油脂、橡膠等低燃點(diǎn)的物質(zhì)，在一定條件下引燃。絕熱壓縮后產(chǎn)生的高溫可使燃燒物燃燒。

高壓純氧中可燃物的燃點(diǎn)降低是氧氣管道閥門燃燒的誘因。氧氣管道和閥門在高壓純氧中，其危險(xiǎn)性是非常大的，其反應(yīng)會(huì)顯著加劇，設(shè)計(jì)或應(yīng)用不當(dāng)易引發(fā)安全事故。

3.3 管路清潔處理

3.3.1 管道吹掃

吹掃前應(yīng)做好相應(yīng)準(zhǔn)備，安裝好吹掃排放管道。氣密性試驗(yàn)合格后，管道需用不帶油的空氣或氮?dú)獯祾?。一般分段時(shí)都以閥門、法蘭為吹出口，吹出口應(yīng)裝設(shè)閥門，并用臨時(shí)排氣管接至安全地區(qū)排放。排氣管的截面積宜和被吹掃管相同或稍小，但不得小于吹掃管截面積的75%，排氣管端應(yīng)用支架固定，排氣管閥門應(yīng)時(shí)開、時(shí)關(guān)用以控制吹掃壓力。吹掃壓力不得超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，流速應(yīng)不低于工作流速且一般不小于15～20 m/s。吹掃合格后，應(yīng)及時(shí)拆除臨時(shí)設(shè)施，恢復(fù)管道原來(lái)位置，對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，并做最終封閉。氧氣管道在投入使用前，應(yīng)以管道系統(tǒng)至少3倍體積的氧氣進(jìn)行吹掃。氧氣吹掃的排氣管應(yīng)接至室外安全處，排出口距地面高度應(yīng)不小于2.5 m并應(yīng)注意防火。

3.3.2 氧氣閥組的脫脂

根據(jù)燃燒的三要素，壓縮氧氣流過(guò)管路產(chǎn)生摩擦，當(dāng)遇到管道中殘余油脂，可能立刻燃燒繼而引發(fā)爆炸事故。因此，氧氣閥組的管道、各配件和一切同氧氣有接觸的部件全部需要在投產(chǎn)前進(jìn)行嚴(yán)格的除銹、吹掃以及脫脂等清理工作。工業(yè)上常用的脫脂劑包括：四氯化碳、精餾酒精和工業(yè)用二氯乙烷等。碳素鋼、不銹鋼及銅的管道、管件的閥門一般使用工業(yè)用四氯化碳。四氯化碳與二氯乙烷具有毒性，使用時(shí)應(yīng)當(dāng)做好防護(hù)措施。很多脫脂劑都屬于易燃物，脫脂工作現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)嚴(yán)格遵守防火的有關(guān)規(guī)定。

脫脂完畢后，應(yīng)按設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行脫脂質(zhì)量檢驗(yàn)。當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)規(guī)定時(shí)，脫脂質(zhì)量檢驗(yàn)的方法及合格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下：

①用清潔干燥的白濾紙擦拭氧氣閥門通道內(nèi)壁，紙上應(yīng)無(wú)油脂痕跡。

②用紫外線燈照射，脫脂表面應(yīng)無(wú)紫藍(lán)熒光。

3.3.3 焊接要求

為了確保滿足氧氣管道內(nèi)壁清潔度和光滑度的要求，不能有焊瘤出現(xiàn)，并有效防止焊渣進(jìn)入管道內(nèi)，碳鋼管道應(yīng)采用氬弧焊打底、手工電弧涵蓋面的焊接工藝；不銹鋼管全部采用氬弧焊的焊接工藝。管道焊接后必須對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查和無(wú)損探傷。焊縫表面不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。碳鋼咬邊深度不得大于0.5 mm，不銹鋼焊縫不能有咬邊。焊縫外觀檢查后，應(yīng)對(duì)所有焊縫按造設(shè)計(jì)要求或標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的比例，進(jìn)行無(wú)損探傷。

4 結(jié)束語(yǔ)

純氧燃燒技術(shù)，滿足了針對(duì)性產(chǎn)品質(zhì)量提高的需求，對(duì)于減少?gòu)U氣排放量、控制有害成分的生成等方面也有獨(dú)特效果。環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)成本、企業(yè)效益之間的考量，存在對(duì)燃燒技術(shù)以及設(shè)備選型等方面不同的選擇。

通過(guò)氧氣管道以及氧氣閥組的設(shè)計(jì)及選型，以及安裝和安全檢查等方面的優(yōu)化措施，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全運(yùn)行以及對(duì)純氧燃燒效益的充分利用。