楊 艷，徐才福，李文剛，謝國(guó)雄

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

五環(huán)氣化爐水通道流量測(cè)試

楊 艷，徐才福，李文剛，謝國(guó)雄

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

介紹了五環(huán)爐水汽系統(tǒng)的流程及系統(tǒng)組成，闡述了水通道流量測(cè)試對(duì)氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性，結(jié)合洛陽(yáng)永龍能化有限公司水動(dòng)力的計(jì)算，對(duì)水通道測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，針對(duì)測(cè)量流速出現(xiàn)偏差的水通道進(jìn)行校核，確保受熱面不受損。

氣化爐；水/汽系統(tǒng)；水通道測(cè)量；水動(dòng)力計(jì)算

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.012

煤氣化技術(shù)的發(fā)展已有100多年的歷史，主要經(jīng)歷了移動(dòng)床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)和氣流床氣化技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。煤氣化溫度和壓力有了比較大的提高，從而使氣化爐單位容積和單位時(shí)間的處理能力大大提高，加上大型空分技術(shù)的發(fā)展，使煤氣化技術(shù)大型工業(yè)化成為可能。氣流床氣化技術(shù)由于煤種適應(yīng)性強(qiáng)、操作溫度及壓力高、碳轉(zhuǎn)化率高、冷煤氣效率高和易于大型化，成為當(dāng)今煤氣化工藝發(fā)展的主要方向。其中，Shell干粉煤氣化工藝、GE-Texaco水煤漿氣化工藝、GSP粉煤加壓氣化工藝在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。中國(guó)五環(huán)工程有限公司與河南能源化工集團(tuán)合作，對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)煤氣化技術(shù)進(jìn)行深入研究、優(yōu)化及創(chuàng)新，共同研發(fā)了WHG（五環(huán)氣化爐）氣化技術(shù)［1］。該氣化技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、環(huán)境友好、投資及運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，擁有良好的應(yīng)用前景。

水通道流量測(cè)試，是氣化爐水汽系統(tǒng)進(jìn)行沖洗程序時(shí)正向沖洗水質(zhì)達(dá)到要求后，檢查水通道是否存在因雜物導(dǎo)致通流面積減小，甚至堵塞的情況；以及水冷壁制造過(guò)程中的偏差，是否導(dǎo)致不能滿足使受熱面內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)穩(wěn)定、水通道金屬溫度超過(guò)設(shè)計(jì)值以及流動(dòng)阻力不合理。如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，將導(dǎo)致水通道流量減少，引起受熱面的過(guò)熱或損壞。因此，水通道流量測(cè)試是保證氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要工作。

1　水汽系統(tǒng)流程

WHG氣化爐的汽水系統(tǒng)是指工質(zhì)從汽包進(jìn)入下降管開(kāi)始，經(jīng)過(guò)循環(huán)水泵被分配到各個(gè)區(qū)段，在各個(gè)區(qū)段被加熱到一定溫度，形成的汽水混合物最后又回到汽包，在汽包內(nèi)經(jīng)過(guò)汽水分離，產(chǎn)生5.4MPa（g）飽和蒸汽送出界區(qū)，系統(tǒng)內(nèi)的水量由中壓鍋爐給水補(bǔ)充。流過(guò)的管路所組成的管網(wǎng)系統(tǒng)，屬于強(qiáng)制循環(huán)。該系統(tǒng)由循環(huán)水過(guò)濾器、泵、管道、分配器、受熱面、集箱、汽包組成。具體流程見(jiàn)圖1。

根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算軟件劃分，全水汽系統(tǒng)共1 696根管屏，51個(gè)集箱，388個(gè)節(jié)流圈，1個(gè)汽包，3臺(tái)循環(huán)水泵（2開(kāi)1備）。根據(jù)位置不同，水汽系統(tǒng)受熱面一般按以下分類：頂錐、膜式壁、燒嘴罩、底錐、錐形渣屏、熱裙、急冷區(qū)、急冷管、氣體返向室、輸氣管等。利用節(jié)流圈對(duì)以上受熱面水流量進(jìn)行分配。節(jié)流圈開(kāi)孔及循環(huán)水泵的參數(shù)由水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果確定。

圖1　WHG水汽系統(tǒng)流程

2　系統(tǒng)組成

2.1水冷壁結(jié)構(gòu)

WHG汲取Shell氣化爐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用“以渣抗渣”的結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)室耐火材料層表面形成固態(tài)渣和流動(dòng)熔渣層，渣層防高溫，使膜式壁不受氣流沖刷，保證了膜式壁的長(zhǎng)壽命。膜式水冷壁回收反應(yīng)室熱量，提高了氣化爐的能量轉(zhuǎn)換效率及經(jīng)濟(jì)性。在運(yùn)行過(guò)程中，若耐火材料層掛渣較薄，易導(dǎo)致水冷壁超溫。WHG在水汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了無(wú)掛渣的極端工況，最大限度地保證了水冷壁的安全。水冷壁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，與CFB鍋爐底部爐膛類似，在水冷壁高溫側(cè)敷設(shè)一層耐火材料，防止直接沖刷；而固態(tài)渣層和熔渣層對(duì)于防止水冷壁超溫是非常重要的。以氣化反應(yīng)室膜式水冷壁為例：在無(wú)掛渣極端工況下，水動(dòng)力校核結(jié)果中的渣釘端部溫度達(dá)到約460℃，根部溫度約370℃；而在正常工況下（即正常掛渣），渣釘端部溫度約360℃，根部溫度約280℃。因此，氣化爐運(yùn)行過(guò)程中，水冷壁表面掛渣是否正常，對(duì)于水汽系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是非常重要的。

圖2　水冷壁結(jié)構(gòu)模型

2.2Lamont管嘴

Lamont管嘴［2］安裝在進(jìn)受熱面之前的管道入口，起到分配系統(tǒng)流量、避免局部水冷壁管子超溫的作用。Lamont管嘴開(kāi)孔直徑由水動(dòng)力計(jì)算確定，尺寸范圍在6.2～10.4mm之間。典型結(jié)構(gòu)之一見(jiàn)圖3，圖中為內(nèi)置式節(jié)流孔板組件（例如燒嘴罩傳熱面環(huán)形組合式分布器/聯(lián)箱），其孔板接頭靠近聯(lián)箱一端將與聯(lián)箱開(kāi)孔直接連接，并按要求進(jìn)行組焊，其另一端與燒嘴罩傳熱面水通道連接管對(duì)接。

圖3　典型的Lamont管嘴

2.3汽包

WHG汽包接受吸收受熱面熱量后的汽水混合物，經(jīng)汽水分離后產(chǎn)出飽和蒸汽。汽相空間分為兩個(gè)部分（Ⅰ室和Ⅱ室），以便于計(jì)量氣化爐各受熱面產(chǎn)汽量。Ⅰ室為氣化反應(yīng)室受熱面產(chǎn)汽收集區(qū)，Ⅱ室為激冷管、氣體返回室、輸氣管段受熱面產(chǎn)汽收集區(qū)。兩部分出汽管均設(shè)流量計(jì)，以監(jiān)測(cè)氣化爐熱負(fù)荷狀況。汽包設(shè)計(jì)產(chǎn)汽量為64 t/h，內(nèi)部設(shè)汽水分離裝置。Ⅰ室設(shè)7套旋風(fēng)分離器，9組百葉窗；Ⅱ室設(shè)12套旋風(fēng)分離器，13組百葉窗，保證汽包產(chǎn)汽的蒸汽品質(zhì)。Ⅱ室液位高于1 250mm時(shí)，觸發(fā)氣化爐緊急停車聯(lián)鎖且打開(kāi)緊急放水閥；Ⅱ室液位低于675mm時(shí)，觸發(fā)氣化爐緊急停車聯(lián)鎖。WHG汽包結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4　WHG汽包結(jié)構(gòu)

2.4循環(huán)水泵

水汽系統(tǒng)共配置3臺(tái)水冷壁冷卻水循環(huán)水泵（2開(kāi)1備），為系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。為保證水泵安全，當(dāng)汽包Ⅱ室液位低于25 mm超過(guò)3min后，由聯(lián)鎖控制關(guān)停中壓循環(huán)水泵，同時(shí)觸發(fā)氣化爐緊急停車聯(lián)鎖。當(dāng)循環(huán)水泵出口總管循環(huán)流量低時(shí)，投入第3臺(tái)備用泵，備用泵投入運(yùn)行超過(guò)一定時(shí)間，且循環(huán)流量沒(méi)有回升時(shí)，將觸發(fā)氣化爐緊急停車聯(lián)鎖。2臺(tái)泵中有1臺(tái)出現(xiàn)故障，另外1臺(tái)備用泵在30 s之內(nèi)緊急啟動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生停電時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急電源。

表1　循環(huán)水泵參數(shù)

3　水通道流量測(cè)量

2014年5月至7月，河南能源化工集團(tuán)下屬洛陽(yáng)永龍能化有限公司的1臺(tái)及龍宇煤化工有限公司的2臺(tái)新型WHG裝置先后完成煮爐、沖洗工作，并在沖洗過(guò)程中進(jìn)行了水通道流量測(cè)試。測(cè)量?jī)x器采用GE公司的PT878超聲波流量計(jì)。初始沖洗時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)鐵銹、雜質(zhì)較多，不宜進(jìn)行測(cè)量。待沖洗后的排水較潔凈時(shí)，再進(jìn)行流量測(cè)試。每一根水通道的測(cè)量流速均需記錄，重點(diǎn)關(guān)注流速較小的水通道。采用正反沖洗結(jié)合的方式，多次反復(fù)沖洗后，當(dāng)流速變化不大，且水質(zhì)潔凈時(shí)，視為沖洗工作結(jié)束。

最終記錄的水通道流速測(cè)量數(shù)據(jù)供中國(guó)五環(huán)工程有限公司進(jìn)行水動(dòng)力核算。部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。水動(dòng)力模擬數(shù)據(jù)是指在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算軟件建模，對(duì)各水通道流速的模擬數(shù)據(jù)。經(jīng)比較，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流速普遍大于水動(dòng)力模擬數(shù)據(jù)?？紤]其原因，是由于在水動(dòng)力模擬時(shí)，水泵為正常工作時(shí)揚(yáng)程，而實(shí)際沖洗時(shí)，水泵的揚(yáng)程是小于正常工作揚(yáng)程的，這也導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)水量大于模擬時(shí)水量，即實(shí)際測(cè)量流速大于水動(dòng)力模擬數(shù)據(jù)，考慮水量因素的修正后，水動(dòng)力模擬的流速與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較一致。

表2　水通道流量測(cè)試數(shù)據(jù)（m/s）

續(xù)表

影響水通道流量的因素較多，主要有雜質(zhì)阻塞、孔板加工精度、焊縫質(zhì)量等。水動(dòng)力核算的目的，是對(duì)測(cè)量流速出現(xiàn)偏差的水通道進(jìn)行校核，是否能在各工況下確保受熱面安全、不受損壞。如洛陽(yáng)WHG中的水通道1323，其流量偏離正常流量，在極端工況下將發(fā)生水通道含汽率超限、傳熱惡化［3］，致使受熱面損壞，需進(jìn)行X射線檢測(cè)，確定堵管位置。再如龍宇1#WHG中的水通道1205及龍宇2#WHG中的水通道1102，雖較其他水通道流速較低，但在核算時(shí)，其含汽率在安全限值內(nèi)，故該水通道未進(jìn)行進(jìn)一步處理，在煮爐后的沖洗過(guò)程中予以關(guān)注?；谝陨显瓌t，中國(guó)五環(huán)工程有限公司對(duì)五環(huán)氣化爐所有水通道流速進(jìn)行了校核，在煮爐后的流量測(cè)試中，對(duì)校核中易出現(xiàn)超溫的水通道進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)于流量仍未合格的水通道，進(jìn)行割管疏通，恢復(fù)連接后重新進(jìn)行煮爐、流量測(cè)試，直至所有水通道流量測(cè)試合格。

經(jīng)過(guò)上述工作，首套WHG于2014年底在河南洛陽(yáng)永龍能化有限公司試車成功，產(chǎn)出合格的合成氣。水汽系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，保證了WHG裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4　結(jié)語(yǔ)

水通道流量測(cè)試作為氣化爐水汽系統(tǒng)投運(yùn)前的檢查工作，對(duì)保證系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。水動(dòng)力核算是測(cè)試數(shù)據(jù)分析的主要依據(jù)。首套WHG的試車成功，也為今后的工程提供了寶貴的數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)積累。

［1］徐才福，夏吳，張宗飛，等.WHG氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.化肥設(shè)計(jì)，2015，53（2）：1-4.

［2］李亞?wèn)|.Shell氣化爐水汽系統(tǒng)的清潔［J］.化肥工業(yè)，2010，36 （5）：31-34.

［3］林宗虎.氣液兩相流和沸騰傳熱［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

修改稿日期：2016-06-20

W ater Channel Flow M easurem ent for WHG

YANG Yan，XU Cai-fu，LIWen-gang，XIE Guo-xiong
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

This paper introduces the processand componentsof thewater and vapor system ofWHG gasifier，discusses the importance ofwater channel flow test to the safe and stable operation of gasification furnace.Based on the hydrodynamic calculation of Luoyang Yonglong Energy and Chemical Co.，Ltd.，the paper also analyzes themeasurement data ofwater channel.The checks are conducted for those water channelswith the flow velocity deviation to ensure that the heating surface is not damaged.

gasifier；water/steam system；water channelmeasurement；hydrodynamic calculation

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.012

TQ545

B

1004-8901（2016）04-0041-03

楊艷（1985年-），男，湖南醴陵人，2011年畢業(yè)于華中科技大學(xué)熱能動(dòng)力專業(yè)，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事化工裝置熱工系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。