煤氣化裝置中水擊現(xiàn)象的預防與措施

侯偉

(中國石化股份有限公司 齊魯分公司， 山東 淄博 255068)

關鍵字： 水煤漿氣化；鎖斗；泄壓閥；水擊；黑水角閥

在生產(chǎn)過程中，當壓力管道上的閥門突然關閉或開啟時，或水泵突然停止或啟動時，因瞬時流速發(fā)生急劇變化，從而造成管道內介質的瞬時壓力迅速、反復變化的現(xiàn)象，稱為水擊或水錘現(xiàn)象。水擊現(xiàn)象又分為正水擊和負水擊，由于閥門關閉或停泵造成的水擊為正水擊現(xiàn)象，由于閥門打開或泵開啟造成的水擊為負水擊現(xiàn)象。

在閃蒸過程中，存在閃蒸不穩(wěn)定因素，導致閃蒸空間內的壓力快速反復改變，誘發(fā)流體周期性發(fā)生閃蒸汽化和極速冷凝過程，閃蒸空間突然縮小，周期性出現(xiàn)局部真空現(xiàn)象，周圍介質以高速向真空區(qū)域沖擊，也會發(fā)生水擊現(xiàn)象。

在GE水煤漿氣化裝置中就存在著3種水擊現(xiàn)象： 正水擊、負水擊以及閃蒸不穩(wěn)定誘發(fā)的水擊現(xiàn)象。水擊造成設備、管道、儀表及其附件頻繁故障和損壞，不僅對正常生產(chǎn)造成影響，而且也存在安全隱患。因此，消除和減緩水擊現(xiàn)象的發(fā)生是保障裝置安全生產(chǎn)的重要任務。

1 鎖斗泄壓閥誘發(fā)的水擊

在GE水煤漿氣化裝置中，鎖斗是一個關鍵設備，其主要作用是把氣化爐激冷室底部的灰渣和未被燃燒的煤炭通過鎖斗收集起來，再排入撈渣池。鎖斗的收渣、排渣等流程是由一系列開關球閥、機泵和一套邏輯順控系統(tǒng)來完成。循環(huán)周期約為30 min，其中收渣流程是： 帶渣的黑水由氣化爐激冷室經(jīng)鎖斗入口閥流至鎖斗，灰渣滯留在鎖斗內，黑水再由鎖斗經(jīng)循環(huán)泵返回氣化爐激冷室進行循環(huán)，循環(huán)的黑水在向下流動的過程中將渣由激冷室?guī)腈i斗內，收渣時間約為28 min。排渣流程是： 開啟泄壓閥，將鎖斗黑水泄至鎖斗沖洗水罐內，泄壓正常后，打開鎖斗沖洗水閥、鎖斗出口閥，利用沖洗水將鎖斗內收集的灰渣通過出口閥排入撈渣池，排渣時間約為2 min。工藝流程如圖1所示。

圖1 氣化爐鎖斗工藝流程

鎖斗發(fā)生水擊現(xiàn)象主要集中在排渣過程中，首先是泄壓閥誘發(fā)的水擊和氣蝕現(xiàn)象，在泄壓閥1開啟的一瞬間，泄壓閥和沖洗水閥出現(xiàn)振動，并伴有噪音，每個周期都會出現(xiàn)，頻繁振動導致泄壓閥附件松動，信號失效，泄壓閥氣源卡套松動脫落，致使泄壓閥失氣，恢復故障狀態(tài)，給生產(chǎn)帶來安全隱患。

1.1 原因分析

鎖斗泄壓是將鎖斗內的壓力由6.5 MPa泄至常壓，為排渣做準備。黑水泄壓是非常快的，據(jù)查歷史趨勢記錄顯示，泄壓閥1還未完全打開時鎖斗壓力已經(jīng)從6.5 MPa泄至1.0 MPa左右，2 s后，泄壓閥2打開，鎖斗壓力泄至3 kPa以下。在泄壓閥1開啟瞬間，黑水流速從零瞬間增大，帶渣黑水從控制閥高速沖出發(fā)生水擊并伴有氣蝕現(xiàn)象，除造成控制閥、管道振動外還對控制閥內件造成非常嚴重的沖刷，泄壓閥1運行1個周期(約70 d)后必須進行維修。該水擊現(xiàn)象是由于泄壓閥突然打開，引起黑水流量迅速改變，稱為負水擊現(xiàn)象。但由于管道閥門口徑較小，液體流量改變不大，水擊現(xiàn)象并不嚴重，容易被忽略。

1.2 預防措施

泄壓閥誘發(fā)水擊現(xiàn)象的主要原因： 泄壓過快，泄壓閥1還未完全打開泄壓已經(jīng)完成。消除和減緩水擊現(xiàn)象的思路就是降低泄壓速度，實施措施有兩種： 將現(xiàn)有泄壓閥口徑變小或在泄壓閥后增加限流孔板。

經(jīng)論證后，采用在泄壓閥1后增加限流孔板的方法。實施后閥門振動大幅降低，閥門運行周期由原來的1個周期提高到3～4個周期，閥門使用壽命大幅延長，故障率和維修成本大幅降低，該方法迅速推廣至所有鎖斗單元。

水擊和沖刷現(xiàn)象主要發(fā)生在介質為液體的狀況下，如果管道內充滿氣體，再輔助以限流措施，那么就會從根源上徹底消除水擊和沖刷現(xiàn)象的發(fā)生。此推論應該能夠滿足消除水擊和沖刷現(xiàn)象的要求，可以采取以下措施：

1)更改泄壓閥1、泄壓閥2、沖洗閥安裝位置，遠離鎖斗，移至鎖斗沖洗水罐附近，即泄壓閥1、泄壓閥2、沖洗閥從圖1中的A點移至B點。

2)計算泄壓閥1至鎖斗間管道內的容積，確保這段管道的容積能夠滿足泄壓要求。

3)泄壓閥1、沖洗閥閥前管道更換為承壓管道。

4)泄壓閥1輔助以限流措施。

泄壓閥1、泄壓閥2、沖洗閥移位后，泄壓閥1前的管道內充滿高壓空氣，利用管道內的空氣把鎖斗內的壓力泄至常壓，泄壓閥1再輔助以限流孔板來降低噪音。該方案也有成功實施的案例。

2 鎖斗出口閥沖洗水閥誘發(fā)的水擊

鎖斗排渣結束時，在鎖斗出口閥、沖洗水閥關閉的一瞬間，整個管線及其鎖斗平臺都會出現(xiàn)大幅度的振動，并伴有聲響，該現(xiàn)象每個周期都會發(fā)生，劇烈的振動導致工藝管線緊固件松動、支撐件變形或脫落，同時導致控制閥附件松動，儀表控制信號失效，控制閥氣源卡套松動、脫落，控制閥失氣，恢復故障狀態(tài)，閥門失去控制作用等，給生產(chǎn)帶來安全隱患。該水擊現(xiàn)象是由于閥門突然關閉引起黑水流量迅速改變誘發(fā)的，稱為正水擊現(xiàn)象。

2.1 原因分析

1)鎖斗排渣的工藝流程。首先開啟鎖斗沖洗水閥,然后開啟出口閥，利用鎖斗沖洗罐中的灰水沖洗鎖斗，將渣排入撈渣池，15 s后關閉出口閥，沖洗水罐液位下降約40%，接著關閉鎖斗沖洗水閥，完成排渣流程。

2)現(xiàn)有設備和儀表條件及水擊計算如下：

a)沖洗水閥和出口閥為雙作用開關球閥 關閉時間：Tg=3 s。

b)沖洗水管道、排渣管道規(guī)格為DN350。

c)沖洗水罐至出口閥的距離L1=25 m，沖洗水罐至沖洗閥距離L2=20 m，沖洗水量約12 m3，沖洗時間約15 s。

d)根據(jù)自由落體公式，出口閥處黑水理論速度vt1=30.42 m/s，考慮管道摩擦等因素，實際流速v′t1=20.6 m/s；沖洗水閥處黑水理論速度vt2=28.10 m/s，考慮管道摩擦等因素，實際流速v′t2=19.4 m/s；水擊波速度為v1=1 100 m/s,出口水閥水擊波周期Tt1=2L1/v1=0.045 5 s，沖洗水閥水擊波周期Tt2=2L2/v1=0.036 4 s。

e)當閥門關閉時，水擊波以v1的速度向上游傳播，再反向回到閥門，該周期稱為水擊波周期(即Tt)，當閥門關閉時間Tg

(1)

(2)

因出口閥的關閉時間Tg>Tt，該處受到的水擊為間接水擊，此時向上游方向傳播的水擊波和反射回來的水擊波有相互抵消的作用，所以間接水擊壓力小于直接水擊壓力。出口閥采用O型球閥，O型球閥流量特性曲線如圖2所示。

圖2 O型球閥流量特性曲線

根據(jù)O型球閥的流量特性曲線，閥門開度在0～60%時，通過閥門的流量變化不大，當閥門開度達到60%以上，流量才會大幅降低，即流量大幅降低的時間遠小于閥門行程時間，Tg取值1～1.5 s，出口閥的間接水擊壓力范圍： 0.67～0.99 MPa，計算如下：

(3)

(4)

沖洗水閥的間接水擊壓力按上述公式計算，其中L取值20 m，v′t2取值19.4 m/s得出，間接水擊壓力范圍： 0.51～0.76 MPa。

因此，出口閥關閉時所承受的實際壓力范圍為0.95～1.29 MPa,沖洗水閥所承受的實際壓力范圍為0.71～0.96 MPa，這就是造成與鎖斗相關的管道、設備振動主要原因。

2.2 預防措施

從式(3)～式(4)可以明顯看出減緩水擊現(xiàn)象可以從L，vt和Tg等參數(shù)的變化著手，實際操作中，L和Tt是無法改變的，能夠改變的是： 降低閥門前的流速或延長閥門關閉時間。

1)降低閥前流速可以采用在閥前或閥后加限流孔板的方法。由于出口閥流過的是帶渣黑水，為防止堵塞管路不能加限流孔板。只能在沖洗水閥前加限流孔板，這樣可以降低流體流經(jīng)出口閥和沖洗水閥的流速，減緩閥門關閉時誘發(fā)的水擊現(xiàn)象。缺點是限流的尺度難以掌控，限流小時，減緩水擊的效果不佳；限流大時，會延長沖刷時間，而且會因流速降低而影響鎖斗的下渣效果，帶來其他問題。

2)延長閥門的關閉時間。將閥門的非可調式氣控放大器更換為可調節(jié)式氣控放大器，調節(jié)氣控放大器的輸出氣量，將閥門關閉時間延長為15 s左右，則出口閥的間接水擊壓力降低為0.07 MPa，實際所承受的沖擊壓力降低至0.32 MPa。同時，將沖洗水閥的關閉時間也延長為15 s，則沖洗水閥的間接水擊壓力降低為0.053 MPa，實際所承受的沖擊力降低至0.25 MPa，這樣可以大幅緩解水擊現(xiàn)象，降低對設備、管線和儀表設備的沖擊和破壞，以最小的改變獲取最佳的預防效果。

3 高壓黑水角閥誘發(fā)的水擊

在煤氣化裝置中，高壓黑水角閥(LV01A/B)是裝置中的重要閥門且互為備用，其主要作用是把氣化爐及洗滌塔產(chǎn)生的壓力6.5 MPa、溫度255 ℃的黑水經(jīng)過高壓黑水角閥減壓后送入壓力0.91 MPa、溫度179 ℃的高壓閃蒸罐，以便于回收灰水和熱量。利用黑水角閥降壓，使黑水在高壓閃蒸罐內進行不完全閃蒸，各組分在氣相中的分壓迅速降低，黑水大量汽化，溶解在黑水中的酸性氣體逸出。工藝流程圖如圖3所示。

圖3 高壓閃蒸罐流程示意

開車初期，LV01A在小開度下運行平穩(wěn)，當開度超過65%以上后，閥芯開始出現(xiàn)上下低頻大幅振動，角閥和氣化爐之間的工藝管道立即出現(xiàn)劇烈振動，導致管道支撐錯位、脫落，支架變形同時伴有巨大的沖擊聲，此時黑水流量也出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象。間隔5～8 s后，再次出現(xiàn)振動現(xiàn)象。

3.1 原因分析

該閥的主要作用是把從氣化爐過來的高溫高壓黑水減壓后送入閃蒸罐，進行不完全閃蒸。由于閥前后壓差大、沖刷嚴重，設計采用角閥加閃蒸緩沖器的辦法，從閥門安裝位置看，緩沖器在黑水角閥下部，緩沖器是一個直徑0.45 m，高3 m的圓柱體，底部為可拆卸的耐沖刷盲板，如圖4所示，從緩沖器中上部接管連接至高閃罐。緩沖器的基本作用是防止高流速黑水對閥后管件和高閃罐的設備管口的破壞，起到緩沖和保護高閃罐的作用。黑水閃蒸系統(tǒng)正常運行時，緩沖器的液位應低于連至高閃罐工藝管道的下沿，即圖4中A點。

圖4 緩沖器結構示意

該黑水角閥選用的流量特性是等百分比特性。當開度在60%以下時，相對開度增加，對應的相對CV值變化小，黑水流量平穩(wěn)，閥后的閃蒸汽、黑水通過緩沖器出口管道泄放到高閃罐，緩沖器液位能夠保持在正常范圍；但當閥門開度超過60%時，相對開度增加，對應的相對CV值增大的幅度會越來越大，此時，閥門開度增大會導致黑水流量大幅度增加，同時也要求緩沖器內的閃蒸汽和黑水快速排入高閃罐，但限于緩沖器空間和出口管道的限制，導致緩沖器內的黑水液位越過工藝管道的上沿即圖4中的B點，閃蒸界面快速上升到不斷接近角閥擴散段下端，如圖4中C點，由于黑水流速遠低于閃蒸汽的流速，使得閥后閃蒸汽空間加劇縮小，導致C點區(qū)域的壓力急劇上升，閥后聚集的飽和閃蒸汽遇到壓力高、溫度低的黑水會立即液化，體積瞬間縮小，在閥后瞬間形成一段真空區(qū)域，導致周圍黑水高速向此處沖擊，造成水擊現(xiàn)象，該水擊現(xiàn)象可稱為不穩(wěn)定閃蒸誘發(fā)的水擊現(xiàn)象。瞬間形成的真空區(qū)域會發(fā)生以下變化：

1)水擊產(chǎn)生巨大能量向四周傳遞，水擊波向上沖擊閥芯，閥芯向上移動，水擊波導致黑水流速大幅降低，并向上游傳遞。

2)水擊波向下釋放于高閃罐，緩沖器液位緩解，恢復正常。

3)氣化爐至角閥的黑水被水擊波阻斷而導致第二次水擊現(xiàn)象發(fā)生(推論)。

4)氣化爐至角閥的黑水管線因巨大水擊沖擊出現(xiàn)振動，支撐脫落，支架扭曲變形。

幾秒后，閥門由系統(tǒng)控制又回到先前開度，如此循環(huán)，不斷發(fā)生水擊現(xiàn)象。

經(jīng)過計算，得出該處的水擊壓力約為40.6 MPa，如此大的沖擊力瞬間爆發(fā)，可見對黑水管道的破壞非常大。

3.2 預防措施

水擊現(xiàn)象是由不穩(wěn)定閃蒸造成的，從儀表設備方面分析后可知，閥門開度在60%以上時黑水流量增量過大，超出緩沖器設計的閃蒸能力范圍；從工藝方面分析后可知，緩沖器閃蒸能力余量設計不足，出口管道排出量欠缺。針對上述造成不穩(wěn)定閃蒸的原因，建議采用以下措施：

1)按工藝條件重新計算閥門的各項參數(shù)。

2)閥芯的流量特性由等百分比更改為線性特性，核算黑水流量、閃蒸量是否和緩沖器相符，并重新核算閥門及閥內件是否滿足工藝要求。

通過將黑水角閥閥芯的流量特性變更為線性特性，改進后的角閥使用情況良好，閥門正常開度64%左右，對應黑水流量在220 m3/h，開度為90%，對應黑水流量310 m3/h，完全滿足工藝要求的流量范圍，調節(jié)流量變化平穩(wěn)，經(jīng)過一個周期的運行測試，一直正常，無大幅波動現(xiàn)象。

4 結束語

本文所敘述的水擊和汽蝕現(xiàn)象，在類似的煤化工裝置中具有代表性。對裝置運行造成不利影響，存在安全隱患。通過在閥后增設限流孔板、延長閥門關閉時間以及更改閥門特性曲線等措施，現(xiàn)場水擊現(xiàn)象得以緩解和解決。不但確保了裝置運行期間的生產(chǎn)安全性，還取得了經(jīng)濟效益。