湘鋼動力廠第四煤層氣凈化站改造設(shè)計

湘鋼動力廠第四煤層氣凈化站改造設(shè)計

0凈化存在的意義動力廠第四天然氣凈化站（以下簡稱“四凈化”）是湘鋼最大的天然氣凈化站之一。1#路橋承擔著空氣處理、氣虛壓力調(diào)節(jié)和油氣控制的任務(wù)。它的作用關(guān)系到1#高爐的正常生產(chǎn),對湘鋼全局有十分重要的意義。四凈化內(nèi)煤氣管道縱橫,煤氣設(shè)施密布,周圍有許多重要的設(shè)施和交通通道,作業(yè)和來往人員很多。一旦發(fā)生煤氣泄漏,對四周人員威脅很大。四凈化在使用過程中,總體上可以滿足生產(chǎn)的要求。但也暴露出一些問題,給人員安全和高爐生產(chǎn)帶來一些不利影響。這些問題帶有一定的普遍意義,或多或少地在其他凈化站存在,成為凈化站煤氣系統(tǒng)的“通病”。凈化站的性能涉及多個方面,從本質(zhì)上來說,提高煤氣系統(tǒng)本身的運行效率和抗風險能力、減少或避免煤氣系統(tǒng)的故障和事故才是保障凈化站高效安全運行的根本。在湘鋼的高爐煤氣凈化系統(tǒng)中,四凈化的煤氣壓力高,流量大,系統(tǒng)復(fù)雜,遠遠超過了其他凈化站。1廠區(qū)凈煤氣總管排水器和管道的壓力(1)大水封排水速度慢。由于煤氣管道的直徑大,大水封一次存水近100t。2個排水器排水時間接近30min。如能縮短時間對高爐生產(chǎn)很有好處。(2)水封排水器耐擊穿能力差。平時大水封放水時,容易發(fā)生煤氣泄漏事故。(3)大水封系統(tǒng)煤氣排水效果不良,懷疑內(nèi)部導(dǎo)流板脫落,堵住排水口,但無法處理。(4)煤氣系統(tǒng)各種閥門多,全靠人工操作,操作使用相當麻煩,操作時間長。為更深入地了解和認識四凈化的煤氣系統(tǒng),筆者對四凈化站進行了周密的調(diào)研。從調(diào)研的情況來看,四凈化站煤氣系統(tǒng)確實存在著一些缺陷。(1)凈化站的排水器都是立式普通水封排水器。其耐擊穿能力較差。在煤氣壓力突然波動、排水器水封擊穿后,煤氣泄漏不止。給操作人員安全形成隱患,甚至造成嚴重的后果。大水封位于高爐和TRT(高爐煤氣余壓發(fā)電)之后,高爐爐況和TRT工況的波動經(jīng)常引起煤氣壓力的波動。雖然大水封離50m放散塔不遠,但放散塔是根據(jù)主管網(wǎng)的壓力進行調(diào)節(jié),凈化站又位于壓力的源頭。因此,凈化站大水封處的壓力還是經(jīng)常波動的。(2)排水器的選擇也存在問題。煤氣主管的工作壓力(計算壓力)為13kPa。而排水器的設(shè)計擊穿壓力為50kPa。國家標準GB6222—2005規(guī)定:“高壓高爐從剩余煤氣放散管或減壓閥組算起300m以內(nèi)的廠區(qū)凈煤氣總管排水器水封的有效高度,應(yīng)不小于3000mm?！?30kPa)。設(shè)計者為了保險,選擇了50kPa的擊穿壓力。此壓力超過工作壓力太多,也超過國家標準規(guī)定的最低限30kPa太多。普通排水器水封的擊穿壓力超過工作壓力過多,會產(chǎn)生“氣阻”現(xiàn)象(俗稱“憋氣”),阻礙冷凝水的排出。實際使用中一直懷疑是出水管被什么東西堵住了。研究證明,靠增加水封的壓力或采用接觸密封的方法來避免排水器煤氣泄漏都是不合理的。煤氣的壓力除了受調(diào)壓系統(tǒng)控制外,還受用戶或放散情況決定。在異常情況下,往往煤氣壓力調(diào)節(jié)措施失效,管道內(nèi)煤氣壓力急劇上升,讓任何水封無法封住。如果煤氣的壓力得不到釋放,會損害管道并給用戶帶來難以估計的損失。(3)煤氣大水封的溢流管通過排水器進行溢流,此方法不合理。大水封下部的排水器是雙室復(fù)式水封結(jié)構(gòu)。水封的阻力是兩級水封阻力之和。由于溢流管通過了排水器水封,溢流高度就是自然高度加上排水器第二級水封阻力之和,其原理如圖1所示。溢流管內(nèi)的水位并沒有如實反映大水封內(nèi)的水位。由于溢流管不能自動準確控制大水封中的水位高度,給大水封和煤氣管道的安全造成威脅。采用外露的玻璃水位計也不安全,一旦損壞,可能造成煤氣泄漏。由于排水器在大水封工作時,成為大水封溢流管的一部分,大水封的水壓全部作用在排水器上。此時水壓加上煤氣的壓力,可能超過0.1MPa,造成排水器超壓工作。(4)大水封下部排水器正好放在大水封煤氣管道下面。由于空間有限,閥門布置非常困難,2臺閘閥布置不下。只好采用一臺閘閥和一臺結(jié)構(gòu)緊湊的插板閥。插板閥的密封長度比閘閥大得多,其風險幾率也大得多,很容易發(fā)生煤氣泄漏。實際生產(chǎn)中,插板閥經(jīng)常發(fā)生煤氣泄漏。為了減少泄漏,工人們只好把密封面壓得很緊,操作起來又很費力。國家標準GB6222—2005規(guī)定:“煤氣管道的排水管宜安裝閘閥或旋塞”。很顯然,使用插板閥是不符合國標規(guī)定的。(5)最早大水封下面的排水器的出水管有個接水漏斗。由于大水封放水時流量很大,漏斗來不及漏水,造成水從漏斗開口處跑冒出來,影響周圍的環(huán)境。為防止排水器放水時從接水漏斗處冒水,就取消了接水漏斗。排水器的出水管與地下排水管連接在一起,一直連到污水池內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)在使用中出現(xiàn)兩個問題:①排水管比較長,又埋在地下,很容易被水中的雜質(zhì)堵塞,導(dǎo)致大水封排水速度慢,甚至無法排水,而且管道的疏通也很困難;②由于地下水管的出水口大大低于排水器的底部,在大流量排水時,會產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象。最終,排水器里的水也被排出(部分),造成缺水而無法封住煤氣。工人們只好在排水時,控制排水閥門的大小,避免排水器內(nèi)的水被大量排掉。這樣,既影響了排水速度,又給工人操作增加了不小的麻煩。根據(jù)相關(guān)的規(guī)范,煤氣管道排水器的排水管是不能直接連接到封閉的下水管或水池里的。因為溶解在冷凝水里的煤氣揮發(fā)出來會聚積在管道或水池內(nèi),形成危險源。因此冷凝水直接通到封閉的地下水管,再到半封閉的污水池,也是不合理的。(6)由于四凈化站區(qū)域的主煤氣管道很高,有的高度超過10m。煤氣主管道與排水器之間的連接管很長。連接管采用垂直的管道,也存在一定的隱患。這樣超長的連接管,由于連接管的熱脹冷縮以及排水器的沉降,會給煤氣管道帶來很大的應(yīng)力。有可能在煤氣管道強度變差時,造成煤氣管道的焊縫開裂,引起煤氣泄漏。上述問題不僅存在于四凈化,其他凈化站和其他冶金企業(yè)也存在。這些問題有些是沒有被認識到,有些雖然認識到了,但沒有相應(yīng)的解決辦法。這些問題的存在導(dǎo)致或?qū)?dǎo)致對生產(chǎn)的影響和安全事故的發(fā)生。2問題分析2.1原水溢流系統(tǒng)的現(xiàn)狀大水封溢流管的作用是保證在大水封內(nèi)的水位達到最高位時,多余的水能從溢流管流走。從而保證水不會倒灌入煤氣主管道。要達到此目的,溢流系統(tǒng)要保證在大水封中的水位達到上限時,自動讓水從溢流管流出。原有的溢流系統(tǒng)如圖1所示。大水封中的水要溢流,必須經(jīng)過大水封下的水封式排水器。排水器的出水口有閥門,閥門在溢流時是關(guān)閉的。這樣排水器中的水就經(jīng)過溢流管上升,直至排出溢流管。在實際應(yīng)用時,排水器高壓室內(nèi)的煤氣造成高壓室出水管的液面低于高壓室中的水面。設(shè)高壓室的水面與其出水管的水面高度差為h,大水封的水位高度為H1,溢流管內(nèi)的水位高度為H2。根據(jù)上式,如果溢流管開始溢流,即H2達到水位上限,此時大水封內(nèi)的水位已經(jīng)超過了上限,超過高度為h。溢流管溢流高度H2是一定的,排水器內(nèi)高壓室的水位差h與高壓室內(nèi)的煤氣量有關(guān)。很顯然,實際大水封中的水位難以受到溢流管的準確控制。2.2排水器水封的壓力和高度水封式排水器是利用水位差的壓力封住管道里的煤氣,只讓冷凝水流出,達到排水的目的。普通水封式排水器也稱為“小水封”,其結(jié)構(gòu)和原理如圖2所示。為了減高度,排水器經(jīng)常做成雙級或多級。當管道內(nèi)的煤氣壓力超過了排水器水封的阻力,煤氣就會從排水器中溢出,跑到空氣中對人造成危害。對復(fù)式水封來說,煤氣的壓力只要高于第一級(高壓級)的阻力,煤氣就會進入水封。此時,由于煤氣的壓力尚不足以突破整個水封的阻力,進入水封的煤氣就聚集在水封中,形成了第二級或更大的阻力。排水器的擊穿壓力大于最大工作壓力太多,是指復(fù)式(多級)排水器除去第一級(高壓級)的阻力外,其余各級的擊穿壓力之和大于煤氣的最大工作壓力。在圖2中,排水器第二級水封的阻力H大于煤氣主管道的壓力P,阻力H一旦建立起來,煤氣冷凝水就不能突破阻力排出。只有當進水管回升的水柱h加上煤氣壓力P大于了阻力H,冷凝水才能流出。如果煤氣主管道底面低于標高h,冷凝水就會倒回到煤氣管道中,聚集在那里。在四凈化,排水器的擊穿壓力為50kPa,煤氣主管道的最大工作壓力為13kPa。根據(jù)圖2的原理,水封的半程壓力為25kPa,排水器最大回升水面高度h為對大水封來說,這么高的水位早已把煤氣主管道底部淹沒了。設(shè)置排水器的目的是為了排出煤氣管道中的冷凝水。如果排水器不能順利將冷凝水排出,那么,排水器就失去了意義。但從上面的分析可以知道,煤氣進入排水器水封,泄漏出來會對人造成威脅,不排放出來又會妨礙冷凝水的排放。對這個問題,普通水封式排水器是無法解決的。3排水系統(tǒng)的改造3.1提高排水器的性能在這次改造中,最關(guān)鍵的問題是排水器。它關(guān)系安全性和排水的順暢性。(1)安全尤為重要在特殊情況下,排水口也不能有煤氣泄漏。同時,又要保證煤氣管道的安全。(2)新型排水器在現(xiàn)代職業(yè)制度下的應(yīng)用效果一方面在大水封放水時,水流量要大,排水時間要短;另一方面,平時排放冷凝水要順暢,不能出現(xiàn)“氣阻”現(xiàn)象,堵住冷凝水排放。通過認真的考察和甄別,分析了國內(nèi)多種排水器的優(yōu)缺點,最終引進了安全型水封式排水器。這種排水器運用“氣水分流”、“擴散減壓”、“消除氣阻”和“自動補水”等項專利技術(shù),比普通水封式排水器更耐擊穿,即使在超壓情況下被擊穿,煤氣也只能從放散管放散,不會從排水口溢出對人造成危害。當煤氣管道的壓力恢復(fù)正常后,水封又能把管道中的煤氣封住。這種安全型水封的進水管(煤氣管道的排水管)放在筒體的外部,兼有立式水封排水器和臥式水封排水器的優(yōu)點。這一優(yōu)點在大水封下的排水器上體現(xiàn)更加突出。原先普通立式排水器受到主煤氣管道高度的限制,操作閥門布置不下,不能采用閘閥,只好采用插板閥?，F(xiàn)在,進水管在外面,閥門安裝位置沒有限制。因此,可以將插板閥改為閘閥,糾正了原先不符合國家標準的問題。同時,閥門的高度可以調(diào)整到合適的位置,操作使用非常方便。排水器沒有妨礙排水的結(jié)構(gòu),可以自動消除“氣阻”,排水非常順暢。新型排水器外形示意圖見圖3。新型安全水封的放散壓力為50kPa。原先的排水器當煤氣管道的壓力超過50kPa時,水封就被擊穿,煤氣大量泄漏到地面。新型水封在煤氣壓力超過50kPa時,只會放散。煤氣從放散管釋放,排水口不會有煤氣泄漏,很安全。由于新型排水器內(nèi)部有減壓緩沖的功能,水封擊穿后溢流的水比老式排水器泄漏的水少得多。當煤氣壓力恢復(fù)正常后,水封的壓力仍然可以封住煤氣。不會長時間地泄漏煤氣。排水器的安全性難以進行生產(chǎn)現(xiàn)場的試驗,也就是說,難以在現(xiàn)場生產(chǎn)中進行排水器的擊穿試驗。為了保證和考驗排水器的安全性,排水器生產(chǎn)廠特地按比例做了2個縮小的樣品,在工廠進行了安全性對比試驗。試驗結(jié)果表明,老式水封排水器很快就被擊穿,一旦擊穿,氣體就會不停地泄漏;而安全型的水封排水器在同樣的條件下,擊穿后氣體是從放散管放散,排水器溢流出的水少得多,出水口沒有氣體溢出。擊穿后,安全型水封的壓力仍然可以達到封住工作壓力下的氣體。對比試驗的結(jié)果驗證了新型安全水封排水器的安全可靠性比老式水封排水器好得多?？梢赃_到提高安全性能的目的。為了保證新型排水器的效果,產(chǎn)品出廠前又反復(fù)進行了產(chǎn)品性能試驗。多次采用高壓空氣對排水器進行擊穿試驗。結(jié)果,排水器的性能完全滿足使用要求。新型排水器良好的性能保證了新系統(tǒng)的安全性。新型安全排水器還有自動補水的功能,可以保證排水器水封不會缺水脫封。為了適應(yīng)大水封排水的需求,對排水器進行了改進。重點提高水封的安全可靠性,同時保證水封的排水性能。新型排水器對保證排水器的使用性能起到了重要的作用。還解決了閥門選型和操作的難題。3.2水位過流,排水器出兩原先的溢流管不能可靠地控制大水封中的水位。新方案是采用高位溢流的方法,在主煤氣管道上另開一個溢流孔,溢流孔的位置在大水封的規(guī)定水位位置。如圖1中虛線所示。這樣,只要大水封的水位達到規(guī)定位置,溢流管就會有水流出。操作人員即可關(guān)閉進水閥門。新溢流管不經(jīng)過排水器,溢出的水直接排到下水道。由于是高位溢流,大水封的水位得到嚴格控制,不會出現(xiàn)大水封水位超限的情況。不用人工根據(jù)水位計來控制大水封的水位高低。經(jīng)過這樣的改造之后,大水封水位精確可靠。3.3可實現(xiàn)排水和排水流量控制原大水封只有2個排水口,即通過2個排水器排水。排水器的地下排水管很長,易堵塞,阻力大。因此造成大水封排水速度慢,時間長。新方案一方面把排水管由直埋管道改成明溝,縮短了排水管,減小了阻力。另一方面在主煤氣管底部新增加一個排水口,加大排水流量。這個排水口平時要關(guān)閉,為了防止煤氣從閥門泄漏,閥門后設(shè)置了一個U形水封。高位溢流管也通過這個U形水封,對高位溢流管起到很好的保護作用。為了保證U形水封的安全,采用一個自動補水器給U形管補水。自動補水器可以保證U形管內(nèi)有穩(wěn)定的水面高度,而不用采用長流水。3.4連接管長度的影響煤氣管道的排水管就是排水器的進水管。它垂直連接在煤氣管道和排水器之間。由于氣溫和煤氣溫度的變化,這個連接管會產(chǎn)生熱脹冷縮。如果連接管較長,熱脹冷縮的變化量就會相當大。在四凈化站,主煤氣管道高度超過了10m,這么大的高度,連接管的熱脹冷縮量接近10mm。為了避免熱脹冷縮造成煤氣管道和排水器受到過大的應(yīng)力,必須要設(shè)法消除連接管長度變化的影響。為此,設(shè)計時,在排水器的進水管上增設(shè)了一個波紋管。讓波紋管來吸收連接管熱脹冷縮的變化,不致對煤氣主管道造成危害。3.5主管道放散管原先四凈化煤氣系統(tǒng)選用的閥門都是手動閥門。工人勞動強度大,開閉速度慢,而且必須要工人在現(xiàn)場操作。有的閥門很高,如主管道放散管,工人要爬上去操作,既麻煩又不安全。這次改造,把使用比較頻繁的閥門全部改成了電動閥門(防爆型)。工人操作非常簡便、省力,閥門啟閉速度也得到提高。并且可以實現(xiàn)遠距離操作。萬一現(xiàn)場出了緊急事故,工人不用到現(xiàn)場處理,在操作室就可以對閥門進行操作,減輕了工人的作業(yè)風險。4新型水封的優(yōu)點(1)針對大型煤氣管道的水封排水問題,提出和采用了排水性能優(yōu)越、耐擊穿的安全型水封排水器。這種水封排水器內(nèi)部有特殊的結(jié)構(gòu),以及更高的擊穿壓力,比普通水封更不易擊穿;同時,水封內(nèi)流道暢通,任何情況下排水順利。即使在極端情況下,也不用機械接觸密封來防止煤氣泄漏,而是將泄漏的煤氣放散到空中去,保證周圍人員的安全。(2)“氣阻”是普通水封排水器的一個“痼疾”?！皻庾琛笔怯捎谒獾姆舛聣毫μ?超過了煤氣主管道的壓力,冷凝水無法正常通過水封排出的現(xiàn)象。排水器不能排水,就失去了它存在的意義。新型水封解決了這一難題,任何情況下都能正常排水。使排水器能發(fā)揮其根本作用。(3)新型水封排水器的進水管在筒體外部,解決了原先進水管閥門安裝困難的問題。將原先的插板閥換成了電動閘閥,不但減輕了工人的勞動強度,而且可以避免煤氣泄漏,更加安全。(4)新的排水器全部采用了“自動補水器”,不用長流水來補水。這樣既減少了自來水的消耗,也減少了排水器污水的排放量和處理量,避免了對環(huán)境的污染。同時,也便于真實地觀察冷凝水的排放情況。更加綠色、節(jié)能、減排、環(huán)保。(5)增加了大水封的排水口,同時,新型排水器的排水性能好于普通排水器,因此,提高了大水封的排水速度?？梢钥s短近1/2的大水封排水作業(yè)時間,為高爐生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。(6)改進后的大水封溢流系統(tǒng)更加準確、可靠、方便。溢流管