湘钢动力厂第四煤层气净化站改造设计

湘钢动力厂第四煤层气净化站改造设计

0净化存在的意义动力厂第四天然气净化站（以下简称“四净化”）是湘钢最大的天然气净化站之一。1#路桥承担着空气处理、气虚压力调节和油气控制的任务。它的作用关系到1#高炉的正常生产,对湘钢全局有十分重要的意义。四净化内煤气管道纵横,煤气设施密布,周围有许多重要的设施和交通通道,作业和来往人员很多。一旦发生煤气泄漏,对四周人员威胁很大。四净化在使用过程中,总体上可以满足生产的要求。但也暴露出一些问题,给人员安全和高炉生产带来一些不利影响。这些问题带有一定的普遍意义,或多或少地在其他净化站存在,成为净化站煤气系统的“通病”。净化站的性能涉及多个方面,从本质上来说,提高煤气系统本身的运行效率和抗风险能力、减少或避免煤气系统的故障和事故才是保障净化站高效安全运行的根本。在湘钢的高炉煤气净化系统中,四净化的煤气压力高,流量大,系统复杂,远远超过了其他净化站。1厂区净煤气总管排水器和管道的压力(1)大水封排水速度慢。由于煤气管道的直径大,大水封一次存水近100t。2个排水器排水时间接近30min。如能缩短时间对高炉生产很有好处。(2)水封排水器耐击穿能力差。平时大水封放水时,容易发生煤气泄漏事故。(3)大水封系统煤气排水效果不良,怀疑内部导流板脱落,堵住排水口,但无法处理。(4)煤气系统各种阀门多,全靠人工操作,操作使用相当麻烦,操作时间长。为更深入地了解和认识四净化的煤气系统,笔者对四净化站进行了周密的调研。从调研的情况来看,四净化站煤气系统确实存在着一些缺陷。(1)净化站的排水器都是立式普通水封排水器。其耐击穿能力较差。在煤气压力突然波动、排水器水封击穿后,煤气泄漏不止。给操作人员安全形成隐患,甚至造成严重的后果。大水封位于高炉和TRT(高炉煤气余压发电)之后,高炉炉况和TRT工况的波动经常引起煤气压力的波动。虽然大水封离50m放散塔不远,但放散塔是根据主管网的压力进行调节,净化站又位于压力的源头。因此,净化站大水封处的压力还是经常波动的。(2)排水器的选择也存在问题。煤气主管的工作压力(计算压力)为13kPa。而排水器的设计击穿压力为50kPa。国家标准GB6222—2005规定:“高压高炉从剩余煤气放散管或减压阀组算起300m以内的厂区净煤气总管排水器水封的有效高度,应不小于3000mm。”(30kPa)。设计者为了保险,选择了50kPa的击穿压力。此压力超过工作压力太多,也超过国家标准规定的最低限30kPa太多。普通排水器水封的击穿压力超过工作压力过多,会产生“气阻”现象(俗称“憋气”),阻碍冷凝水的排出。实际使用中一直怀疑是出水管被什么东西堵住了。研究证明,靠增加水封的压力或采用接触密封的方法来避免排水器煤气泄漏都是不合理的。煤气的压力除了受调压系统控制外,还受用户或放散情况决定。在异常情况下,往往煤气压力调节措施失效,管道内煤气压力急剧上升,让任何水封无法封住。如果煤气的压力得不到释放,会损害管道并给用户带来难以估计的损失。(3)煤气大水封的溢流管通过排水器进行溢流,此方法不合理。大水封下部的排水器是双室复式水封结构。水封的阻力是两级水封阻力之和。由于溢流管通过了排水器水封,溢流高度就是自然高度加上排水器第二级水封阻力之和,其原理如图1所示。溢流管内的水位并没有如实反映大水封内的水位。由于溢流管不能自动准确控制大水封中的水位高度,给大水封和煤气管道的安全造成威胁。采用外露的玻璃水位计也不安全,一旦损坏,可能造成煤气泄漏。由于排水器在大水封工作时,成为大水封溢流管的一部分,大水封的水压全部作用在排水器上。此时水压加上煤气的压力,可能超过0.1MPa,造成排水器超压工作。(4)大水封下部排水器正好放在大水封煤气管道下面。由于空间有限,阀门布置非常困难,2台闸阀布置不下。只好采用一台闸阀和一台结构紧凑的插板阀。插板阀的密封长度比闸阀大得多,其风险几率也大得多,很容易发生煤气泄漏。实际生产中,插板阀经常发生煤气泄漏。为了减少泄漏,工人们只好把密封面压得很紧,操作起来又很费力。国家标准GB6222—2005规定:“煤气管道的排水管宜安装闸阀或旋塞”。很显然,使用插板阀是不符合国标规定的。(5)最早大水封下面的排水器的出水管有个接水漏斗。由于大水封放水时流量很大,漏斗来不及漏水,造成水从漏斗开口处跑冒出来,影响周围的环境。为防止排水器放水时从接水漏斗处冒水,就取消了接水漏斗。排水器的出水管与地下排水管连接在一起,一直连到污水池内。这种结构在使用中出现两个问题:①排水管比较长,又埋在地下,很容易被水中的杂质堵塞,导致大水封排水速度慢,甚至无法排水,而且管道的疏通也很困难;②由于地下水管的出水口大大低于排水器的底部,在大流量排水时,会产生虹吸现象。最终,排水器里的水也被排出(部分),造成缺水而无法封住煤气。工人们只好在排水时,控制排水阀门的大小,避免排水器内的水被大量排掉。这样,既影响了排水速度,又给工人操作增加了不小的麻烦。根据相关的规范,煤气管道排水器的排水管是不能直接连接到封闭的下水管或水池里的。因为溶解在冷凝水里的煤气挥发出来会聚积在管道或水池内,形成危险源。因此冷凝水直接通到封闭的地下水管,再到半封闭的污水池,也是不合理的。(6)由于四净化站区域的主煤气管道很高,有的高度超过10m。煤气主管道与排水器之间的连接管很长。连接管采用垂直的管道,也存在一定的隐患。这样超长的连接管,由于连接管的热胀冷缩以及排水器的沉降,会给煤气管道带来很大的应力。有可能在煤气管道强度变差时,造成煤气管道的焊缝开裂,引起煤气泄漏。上述问题不仅存在于四净化,其他净化站和其他冶金企业也存在。这些问题有些是没有被认识到,有些虽然认识到了,但没有相应的解决办法。这些问题的存在导致或将会导致对生产的影响和安全事故的发生。2问题分析2.1原水溢流系统的现状大水封溢流管的作用是保证在大水封内的水位达到最高位时,多余的水能从溢流管流走。从而保证水不会倒灌入煤气主管道。要达到此目的,溢流系统要保证在大水封中的水位达到上限时,自动让水从溢流管流出。原有的溢流系统如图1所示。大水封中的水要溢流,必须经过大水封下的水封式排水器。排水器的出水口有阀门,阀门在溢流时是关闭的。这样排水器中的水就经过溢流管上升,直至排出溢流管。在实际应用时,排水器高压室内的煤气造成高压室出水管的液面低于高压室中的水面。设高压室的水面与其出水管的水面高度差为h,大水封的水位高度为H1,溢流管内的水位高度为H2。根据上式,如果溢流管开始溢流,即H2达到水位上限,此时大水封内的水位已经超过了上限,超过高度为h。溢流管溢流高度H2是一定的,排水器内高压室的水位差h与高压室内的煤气量有关。很显然,实际大水封中的水位难以受到溢流管的准确控制。2.2排水器水封的压力和高度水封式排水器是利用水位差的压力封住管道里的煤气,只让冷凝水流出,达到排水的目的。普通水封式排水器也称为“小水封”,其结构和原理如图2所示。为了减高度,排水器经常做成双级或多级。当管道内的煤气压力超过了排水器水封的阻力,煤气就会从排水器中溢出,跑到空气中对人造成危害。对复式水封来说,煤气的压力只要高于第一级(高压级)的阻力,煤气就会进入水封。此时,由于煤气的压力尚不足以突破整个水封的阻力,进入水封的煤气就聚集在水封中,形成了第二级或更大的阻力。排水器的击穿压力大于最大工作压力太多,是指复式(多级)排水器除去第一级(高压级)的阻力外,其余各级的击穿压力之和大于煤气的最大工作压力。在图2中,排水器第二级水封的阻力H大于煤气主管道的压力P,阻力H一旦建立起来,煤气冷凝水就不能突破阻力排出。只有当进水管回升的水柱h加上煤气压力P大于了阻力H,冷凝水才能流出。如果煤气主管道底面低于标高h,冷凝水就会倒回到煤气管道中,聚集在那里。在四净化,排水器的击穿压力为50kPa,煤气主管道的最大工作压力为13kPa。根据图2的原理,水封的半程压力为25kPa,排水器最大回升水面高度h为对大水封来说,这么高的水位早已把煤气主管道底部淹没了。设置排水器的目的是为了排出煤气管道中的冷凝水。如果排水器不能顺利将冷凝水排出,那么,排水器就失去了意义。但从上面的分析可以知道,煤气进入排水器水封,泄漏出来会对人造成威胁,不排放出来又会妨碍冷凝水的排放。对这个问题,普通水封式排水器是无法解决的。3排水系统的改造3.1提高排水器的性能在这次改造中,最关键的问题是排水器。它关系安全性和排水的顺畅性。(1)安全尤为重要在特殊情况下,排水口也不能有煤气泄漏。同时,又要保证煤气管道的安全。(2)新型排水器在现代职业制度下的应用效果一方面在大水封放水时,水流量要大,排水时间要短;另一方面,平时排放冷凝水要顺畅,不能出现“气阻”现象,堵住冷凝水排放。通过认真的考察和甄别,分析了国内多种排水器的优缺点,最终引进了安全型水封式排水器。这种排水器运用“气水分流”、“扩散减压”、“消除气阻”和“自动补水”等项专利技术,比普通水封式排水器更耐击穿,即使在超压情况下被击穿,煤气也只能从放散管放散,不会从排水口溢出对人造成危害。当煤气管道的压力恢复正常后,水封又能把管道中的煤气封住。这种安全型水封的进水管(煤气管道的排水管)放在筒体的外部,兼有立式水封排水器和卧式水封排水器的优点。这一优点在大水封下的排水器上体现更加突出。原先普通立式排水器受到主煤气管道高度的限制,操作阀门布置不下,不能采用闸阀,只好采用插板阀。现在,进水管在外面,阀门安装位置没有限制。因此,可以将插板阀改为闸阀,纠正了原先不符合国家标准的问题。同时,阀门的高度可以调整到合适的位置,操作使用非常方便。排水器没有妨碍排水的结构,可以自动消除“气阻”,排水非常顺畅。新型排水器外形示意图见图3。新型安全水封的放散压力为50kPa。原先的排水器当煤气管道的压力超过50kPa时,水封就被击穿,煤气大量泄漏到地面。新型水封在煤气压力超过50kPa时,只会放散。煤气从放散管释放,排水口不会有煤气泄漏,很安全。由于新型排水器内部有减压缓冲的功能,水封击穿后溢流的水比老式排水器泄漏的水少得多。当煤气压力恢复正常后,水封的压力仍然可以封住煤气。不会长时间地泄漏煤气。排水器的安全性难以进行生产现场的试验,也就是说,难以在现场生产中进行排水器的击穿试验。为了保证和考验排水器的安全性,排水器生产厂特地按比例做了2个缩小的样品,在工厂进行了安全性对比试验。试验结果表明,老式水封排水器很快就被击穿,一旦击穿,气体就会不停地泄漏;而安全型的水封排水器在同样的条件下,击穿后气体是从放散管放散,排水器溢流出的水少得多,出水口没有气体溢出。击穿后,安全型水封的压力仍然可以达到封住工作压力下的气体。对比试验的结果验证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。可以达到提高安全性能的目的。为了保证新型排水器的效果,产品出厂前又反复进行了产品性能试验。多次采用高压空气对排水器进行击穿试验。结果,排水器的性能完全满足使用要求。新型排水器良好的性能保证了新系统的安全性。新型安全排水器还有自动补水的功能,可以保证排水器水封不会缺水脱封。为了适应大水封排水的需求,对排水器进行了改进。重点提高水封的安全可靠性,同时保证水封的排水性能。新型排水器对保证排水器的使用性能起到了重要的作用。还解决了阀门选型和操作的难题。3.2水位过流,排水器出两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,在主煤气管道上另开一个溢流孔,溢流孔的位置在大水封的规定水位位置。如图1中虚线所示。这样,只要大水封的水位达到规定位置,溢流管就会有水流出。操作人员即可关闭进水阀门。新溢流管不经过排水器,溢出的水直接排到下水道。由于是高位溢流,大水封的水位得到严格控制,不会出现大水封水位超限的情况。不用人工根据水位计来控制大水封的水位高低。经过这样的改造之后,大水封水位精确可靠。3.3可实现排水和排水流量控制原大水封只有2个排水口,即通过2个排水器排水。排水器的地下排水管很长,易堵塞,阻力大。因此造成大水封排水速度慢,时间长。新方案一方面把排水管由直埋管道改成明沟,缩短了排水管,减小了阻力。另一方面在主煤气管底部新增加一个排水口,加大排水流量。这个排水口平时要关闭,为了防止煤气从阀门泄漏,阀门后设置了一个U形水封。高位溢流管也通过这个U形水封,对高位溢流管起到很好的保护作用。为了保证U形水封的安全,采用一个自动补水器给U形管补水。自动补水器可以保证U形管内有稳定的水面高度,而不用采用长流水。3.4连接管长度的影响煤气管道的排水管就是排水器的进水管。它垂直连接在煤气管道和排水器之间。由于气温和煤气温度的变化,这个连接管会产生热胀冷缩。如果连接管较长,热胀冷缩的变化量就会相当大。在四净化站,主煤气管道高度超过了10m,这么大的高度,连接管的热胀冷缩量接近10mm。为了避免热胀冷缩造成煤气管道和排水器受到过大的应力,必须要设法消除连接管长度变化的影响。为此,设计时,在排水器的进水管上增设了一个波纹管。让波纹管来吸收连接管热胀冷缩的变化,不致对煤气主管道造成危害。3.5主管道放散管原先四净化煤气系统选用的阀门都是手动阀门。工人劳动强度大,开闭速度慢,而且必须要工人在现场操作。有的阀门很高,如主管道放散管,工人要爬上去操作,既麻烦又不安全。这次改造,把使用比较频繁的阀门全部改成了电动阀门(防爆型)。工人操作非常简便、省力,阀门启闭速度也得到提高。并且可以实现远距离操作。万一现场出了紧急事故,工人不用到现场处理,在操作室就可以对阀门进行操作,减轻了工人的作业风险。4新型水封的优点(1)针对大型煤气管道的水封排水问题,提出和采用了排水性能优越、耐击穿的安全型水封排水器。这种水封排水器内部有特殊的结构,以及更高的击穿压力,比普通水封更不易击穿;同时,水封内流道畅通,任何情况下排水顺利。即使在极端情况下,也不用机械接触密封来防止煤气泄漏,而是将泄漏的煤气放散到空中去,保证周围人员的安全。(2)“气阻”是普通水封排水器的一个“痼疾”。“气阻”是由于水封的封堵压力太高,超过了煤气主管道的压力,冷凝水无法正常通过水封排出的现象。排水器不能排水,就失去了它存在的意义。新型水封解决了这一难题,任何情况下都能正常排水。使排水器能发挥其根本作用。(3)新型水封排水器的进水管在筒体外部,解决了原先进水管阀门安装困难的问题。将原先的插板阀换成了电动闸阀,不但减轻了工人的劳动强度,而且可以避免煤气泄漏,更加安全。(4)新的排水器全部采用了“自动补水器”,不用长流水来补水。这样既减少了自来水的消耗,也减少了排水器污水的排放量和处理量,避免了对环境的污染。同时,也便于真实地观察冷凝水的排放情况。更加绿色、节能、减排、环保。(5)增加了大水封的排水口,同时,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。可以缩短近1/2的大水封排水作业时间,为高炉生产创造了条件。(6)改进后的大水封溢流系统更加准确、可靠、方便。溢流管