液氧水浴式汽化器振動(dòng)問(wèn)題的分析及改進(jìn)探討

劉永龍， 王仲楊

(白銀有色集團(tuán)股份有限公司銅業(yè)公司， 甘肅 白銀 730900)

0 引言

白銀有色集團(tuán)股份有限公司銅業(yè)公司歷經(jīng)數(shù)次技術(shù)改造，發(fā)展成為年產(chǎn)陰極銅15萬(wàn)t、硫酸54萬(wàn)t的大型銅冶煉企業(yè)。銅業(yè)公司制氧車(chē)間承擔(dān)著銅業(yè)公司的供氧、供氮、供風(fēng)、供水任務(wù)。供氧系統(tǒng)提供白銀爐、轉(zhuǎn)爐、卡爾多爐、硫酸用氧；供風(fēng)系統(tǒng)提供白銀爐用吹煉風(fēng)、轉(zhuǎn)爐用風(fēng)及全廠(chǎng)儀表用風(fēng)；供水系統(tǒng)為精煉、熔煉、電解提供循環(huán)用水。供氧系統(tǒng)分為備用的6 500 Nm3/h系統(tǒng)和正在投產(chǎn)的20 000 Nm3/h系統(tǒng)。其中正在投產(chǎn)的20 000 m3/h制氧系統(tǒng)是通過(guò)空氣吸入口將空氣吸入，原料空氣進(jìn)入自潔式空氣過(guò)濾器中，將空氣中的機(jī)械雜質(zhì)和塵埃過(guò)濾后，進(jìn)入到透平空壓機(jī)再進(jìn)行多段壓縮?？绽渌念A(yù)冷系統(tǒng)將壓縮后的空氣進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷的空氣將空氣中水分去除后進(jìn)入到分子篩的純化系統(tǒng)。被純化的潔凈空氣一部分進(jìn)入到下塔C1參與精餾，一部分直接進(jìn)入主換熱器E1被反流污氮冷卻，另外一部分進(jìn)入液氧自增壓器K2中被液氧液化為液空，進(jìn)到下塔C1的中下部。下塔C1中的主冷凝蒸發(fā)器將下塔C1頂部的氮?dú)饫淠梢旱滤﨏1中下部的液空和下塔C1底部的富氧液空通過(guò)過(guò)冷器節(jié)流及過(guò)冷之后進(jìn)入到上塔C2參與精留。上塔C2中經(jīng)過(guò)再次的精餾，獲得產(chǎn)品氮?dú)?、污氮?dú)?、液氧和氧氣等。在液氧蒸發(fā)器中發(fā)生換熱，將主冷底部抽出的液氧和空氣進(jìn)行換熱后汽化，汽化之后的氧氣通過(guò)主換熱器再次加熱送出冷箱,得到可用的產(chǎn)品氧氣。從冷箱出來(lái)的氧氣一部分直接送出界區(qū)進(jìn)入總管網(wǎng)的低壓氧氣管，一部分產(chǎn)品液氧從液氧自增壓器K2底部中被抽出,從主冷箱直接被送往液氧貯槽。

來(lái)自液氧貯槽的液氧，經(jīng)后備液氧泵1壓縮至所需的壓力，然后送往液氧水浴式汽化器中，汽化后送入低壓氧氣總管網(wǎng)，供給轉(zhuǎn)爐、白銀爐等使用。另一股經(jīng)后備液氧泵2壓縮至所需的壓力，然后送往液氧水浴式蒸汽加熱器中，汽化后與氧壓機(jī)來(lái)的氧氣匯合進(jìn)入氧氣緩沖罐，氧氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥閥組調(diào)壓送出界區(qū)。同時(shí)，液氧可以通過(guò)槽車(chē)送往外界銷(xiāo)售。

1 液氧水浴式汽化器簡(jiǎn)介

近些年隨著金屬行業(yè)的高速發(fā)展，工業(yè)氧氣的使用也快速增加，空分設(shè)備穩(wěn)定性對(duì)高、低壓氧氣供應(yīng)要求也越來(lái)越高。有時(shí)，空分設(shè)備因檢修停車(chē)會(huì)影響氧氣供應(yīng)的穩(wěn)定性。所以，為了確保穩(wěn)定性，銅業(yè)公司建設(shè)了液氧汽化和液氧貯槽系統(tǒng)。

液體汽化供氣系統(tǒng)主要由液氧水浴式汽化器、液體加壓泵、低溫液體貯槽和管網(wǎng)系統(tǒng)四部分組成，其中最關(guān)鍵的設(shè)備是液氧水浴式汽化器。液氧汽化器主要分為水浴式汽化器與空溫式汽化器兩種。水浴式汽化器主要以不銹鋼材質(zhì)為主，其優(yōu)點(diǎn)為在同等單位下蒸發(fā)量大，不占用空間，設(shè)備質(zhì)量及強(qiáng)度高，容易檢修，所以水浴式汽化器得到了廣泛認(rèn)可。而空溫式汽化器主要以鋁合金材質(zhì)為主，其缺點(diǎn)為在同等單位下蒸發(fā)量不高、占用空間大、設(shè)備易損壞、不易檢修。

2 液氧水浴式汽化器主要技術(shù)參數(shù)

白銀有色集團(tuán)股份有限公司銅業(yè)公司于2012年建設(shè)液氧水浴式汽化器，型號(hào)為A120071。

流量 20 000 m3/h

工作溫度 -183 ℃

工作壓力 0.05 MPa

工作介質(zhì) 液氧

出口溫度 常溫

加熱介質(zhì) 0.8 MPa飽和蒸汽

配套裝置 溫度計(jì)、調(diào)壓閥、安全閥等

3 液氧水浴式汽化器的結(jié)構(gòu)及原理

液氧水浴式汽化器結(jié)構(gòu)如圖1所示，是立式結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品液氧流入到汽化器中，從汽化器頂部排出并加熱到常溫。蒸汽進(jìn)入汽化器將容器中的水加熱，加熱后的水再與液氧和氧氣換熱，從而將液氧由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，再加熱到常溫。為了提高水與液氧、氧氣換熱效果，將汽化器底部的水經(jīng)過(guò)管道加壓泵送入容器的頂部，從而加速水在汽化器中的循環(huán)，提高換熱效果。

1.水側(cè)溢流口 2.進(jìn)水口 3.外殼 4.換熱盤(pán)管 5.液體分配管 6.O型加熱管 7.調(diào)節(jié)閥 8.熱水進(jìn)出口 9.循環(huán)水泵圖1 液氧水浴式汽化器結(jié)構(gòu)圖

加壓泵將低溫液體抽出，順著頂部的直管進(jìn)入，加壓到汽化器底部環(huán)管，液體從下至上由環(huán)管分別進(jìn)入盤(pán)管，通過(guò)管束常溫氣體與汽化器上端氣體環(huán)管相遇之后從頂部直管引出；蒸汽管被汽化器從頂部引到底部，此時(shí)“O”型加熱管開(kāi)始加熱；循環(huán)水泵將加熱后的熱水從底部管口引出，由加壓泵送至汽化器頂部的進(jìn)水口，汽化器每一層繞管之間，形成液體從上到下循環(huán)，這樣的循環(huán)能保證水流在盤(pán)管之間逆向流動(dòng)。同時(shí)，過(guò)量水可以通過(guò)溢流閥引出，如圖1所示。

如圖2所示，所有氣體出口管道、蒸汽管道、包括低溫液體進(jìn)口管道都設(shè)計(jì)在汽化器的頂端，呈懸掛狀態(tài)。所以汽化器中的繞管管束可以整體清潔或抽芯檢查。

圖2 繞管管束結(jié)合部示意圖

4 液氧水浴式汽化器振動(dòng)問(wèn)題分析及產(chǎn)生的影響

4.1 振動(dòng)問(wèn)題分析

將液氧水浴式汽化器A120071設(shè)備打開(kāi)保護(hù)蓋，對(duì)汽化器整體的盤(pán)管組固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，檢查完各固件都緊固完好，因此排除了盤(pán)管松動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)可能性。根據(jù)汽化器運(yùn)行時(shí)響聲沉重而不連續(xù)性的特點(diǎn)，以及汽化器中水蒸氣加熱管布置方式判斷，產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)為汽化器加熱部位，如圖3所示為汽化器加熱結(jié)構(gòu)形式。

圖3 汽化器加熱結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)過(guò)多次檢查，產(chǎn)生“水擊”現(xiàn)象的原因是由于汽化器內(nèi)部的加熱管為“O”型，水蒸汽進(jìn)水閥門(mén)到水蒸氣加熱管之間的管道中布滿(mǎn)冷水。當(dāng)水蒸氣閥門(mén)被打開(kāi)時(shí)，向汽化器供蒸汽后，導(dǎo)致管道中的冷水不能夠完全排出，在這管段中，冷水和水蒸汽充分接觸，將管道中的水蒸汽被冷凝成水，導(dǎo)致了“水擊”現(xiàn)象。水蒸汽快速膨脹，從而形成"水擊”現(xiàn)象，這就是汽化器在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生異響和振動(dòng)的原因。

4.2 振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生的影響

這種結(jié)構(gòu)的水浴式汽化器的最大缺點(diǎn)是蒸汽在進(jìn)入“O”型加熱管的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)現(xiàn)象，使相連的管道發(fā)生振動(dòng)。因?yàn)檎駝?dòng)幅度較大，可能會(huì)導(dǎo)致水浴式汽化器中管道的斷裂，從而影響汽化器運(yùn)行的穩(wěn)定及安全。循環(huán)水或蒸汽進(jìn)入液體管道的故障也時(shí)有發(fā)生，影響了正常生產(chǎn)。其他單位的水浴式汽化器也存在振動(dòng)大的問(wèn)題，甚至有些單位還發(fā)生了將臨近廠(chǎng)房玻璃振碎的情況，危險(xiǎn)性增加。

5 液氧水浴式汽化器的改進(jìn)探討

5.1 外接液體管道長(zhǎng)度對(duì)振動(dòng)的影響

經(jīng)分析計(jì)算：

Δp=ρ1gh1-ρgghg-ΔP1-ΔPpr2ΔPg

(1)

式中 Δ—ΔP為流動(dòng)動(dòng)力，Pa；

ρ1—液體密度，kg/m3；

h1—液柱高度，m；

ρg—?dú)怏w密度，kg/m3；

hg—?dú)庵叨?，m；

g—重力加速度，m/s2；

ΔP1—液相流動(dòng)阻力損失，Pa；

ΔPpr—流體流經(jīng)增壓盤(pán)管時(shí)的阻力損失，Pa；

ΔPg—?dú)庀嗔鲃?dòng)阻力損失，Pa。

經(jīng)過(guò)以上公式分析，外接液體管道長(zhǎng)度是產(chǎn)生振動(dòng)的重要因素之一，汽化器中的增壓管大量吸收熱量，從而導(dǎo)致部分液體吸收熱量被蒸發(fā)成氣體，管道中氣體和液體相互流動(dòng)，又因液體密度是高于氣體密度的，所以導(dǎo)致液體向下流動(dòng)，氣體又向上流動(dòng)，流動(dòng)的阻力大大增加，這就是形成“水擊”的原因。

5.2 水浴式汽化器的改進(jìn)探討

如圖4所示，液氧水浴式汽化器A120071為了徹底解決“水擊”現(xiàn)象，為了確保設(shè)備穩(wěn)定安全地運(yùn)行?？梢詫崴隹诠芨臑檎羝隹诠埽瑫r(shí)去除“O”型加熱管，在水浴式汽化器外的循環(huán)水泵管道下方安裝汽水混合加熱器，蒸汽從汽化器頂部進(jìn)入到底部，由循環(huán)水泵送至汽化混合加熱器中，從而使蒸汽與循環(huán)水同時(shí)加熱，熱水由汽化器頂部進(jìn)入，在汽化器各層繞管間自上而下流動(dòng)形成循環(huán)。

1.水側(cè)溢流口 2.進(jìn)水口 3.外殼 4.換熱盤(pán)管 5.液體分配管 6.調(diào)節(jié)閥 7.蒸汽出口 8.循環(huán)水泵 9.汽水混合加熱器圖4 液氧水浴式汽化器改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖

汽水混合器具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，利用水和蒸汽在管道中可以瞬間高效地混合，從而將管道中水快速加熱，具有無(wú)振動(dòng)、低噪聲、熱交換效率高、節(jié)省能源等優(yōu)勢(shì)。汽水混合器被廣泛地運(yùn)用在熱水采暖、熱力除氧以及生活、生產(chǎn)用熱水等系統(tǒng)中，汽水混合器主要由噴管、殼體、網(wǎng)板、墊圈等重要部分組成。加的熱水通過(guò)噴管時(shí)，蒸汽通過(guò)噴管外側(cè)的管壁上，同時(shí)很多側(cè)向的小孔會(huì)噴進(jìn)水中，蒸汽和水在管中進(jìn)行高效的熱交換，從而進(jìn)行加熱。這樣，液氧水浴式汽化器振動(dòng)和響聲的問(wèn)題可以徹底得到改善。

6 汽水混合加熱器

如圖5所示為汽水混合加熱器的結(jié)構(gòu)，型號(hào)使用DLQSH，使用時(shí)直接連接于管道系統(tǒng)。拉閥爾噴管是加熱器中重要組成部分，被加熱的液體進(jìn)入噴管中，進(jìn)行高速的流動(dòng)，而蒸汽又通過(guò)噴管外側(cè)的管壁上，在高速的情況下，加熱液體與蒸汽充分在噴管內(nèi)可以做到瞬間高效的混合。從而不會(huì)產(chǎn)生空穴，水浴式汽化器振動(dòng)和響聲的問(wèn)題就可以完全消除。

圖5 汽水混合加熱外形圖

6.1 汽水混合加熱器優(yōu)點(diǎn)

汽水混合加熱器是蒸汽和水直接進(jìn)行混合加熱，是一種蒸汽直接加熱的設(shè)備，它不是間接加熱，因此稱(chēng)之為“混合式加熱設(shè)備”。其蒸汽利用率為百分百，汽水混合均勻，熱交換效率高、節(jié)能；加熱快捷、迅速，被加熱水經(jīng)過(guò)汽水混合加熱器即可達(dá)到所需溫度，產(chǎn)品體積小，不占用空間，安裝簡(jiǎn)便、節(jié)省投資。與此同時(shí)，汽水混合加熱器徹底解決了水浴式汽化器的振動(dòng)噪聲缺陷。

6.2 技術(shù)參數(shù)

為了加熱不同溫度的水，在額定流量D1t/h下，所需蒸汽量D0t/h，可由下式計(jì)算。

D0=(t2-t1)D1(i-Ct2)

式中C—水的比熱，kcal/(kg·℃)；

t1—加熱前的水溫，℃；

t2—加熱后的水溫，℃；

i—在一定壓力下進(jìn)入加熱器飽和蒸汽的熱焓，kcal/kg；

D1—加熱器額定流量。

20 000 Nm3/h系統(tǒng)的液氧水浴式汽化器中用的管徑為DN80 mm，那么選擇汽水混合加熱器的水側(cè)連接法蘭DN125 mm，額定流量D1為145 t/h；汽側(cè)連接法蘭DN125 mm，額定流量為145 m3/h，額定流量D1為145 t/h。

表1 蒸汽消耗量表(飽和蒸汽壓力為0.4 MPa時(shí)) t/h

6.3 汽水混合加熱器運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)

(1)蒸汽壓力大于水壓0.05 MPa以上是運(yùn)行汽水混合加熱器的條件；

(2)汽水混合加熱器在沒(méi)有蒸汽進(jìn)入時(shí)，額定流量損失為5 mH2O，進(jìn)入蒸汽后，可以認(rèn)為水頭損失為1 mH2O；

(3)在知道蒸汽的消耗量的情況下，可按管內(nèi)流速20～30 m/S來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的蒸汽管徑。

(4)水泵可以設(shè)計(jì)在汽水混合加熱器的前方，但需注意蒸汽壓力一定要高于入水的壓力。

7 改進(jìn)后液氧水浴式汽化器開(kāi)停條件

因?yàn)樗∈狡鞯淖饔檬菍⑺訜?，然后在蒸發(fā)管內(nèi)將低溫液體進(jìn)行蒸發(fā)。所以先將純凈水(無(wú)氯)灌入蒸發(fā)桶內(nèi)至溢流口之前，再把低溫液體倒入，然后通入蒸汽，把溫度控制在設(shè)定的60 ℃左右(溫度不能過(guò)高)，先打開(kāi)氣體出口閥，然后用流量調(diào)節(jié)閥控制低溫液體的流量，并將出口氣體溫度控制在大于-15 ℃，這樣可以防止出口管道結(jié)霜。

在氣溫低時(shí)，汽化器停運(yùn)期間，必須排完蒸發(fā)筒內(nèi)的剩余水，或者在蒸發(fā)桶內(nèi)吹入少量蒸汽及保證蒸發(fā)桶處于溢流狀態(tài)，因?yàn)槠鞯恼舭l(fā)溫度在20～40 ℃，所以需注意避免水浴結(jié)冰。檢查蒸汽管道內(nèi)的疏水器保證完好，才能夠進(jìn)行工作狀態(tài)。液體蒸發(fā)器內(nèi)的盤(pán)管需按照壓力容器管理，因此要按照國(guó)家對(duì)壓力容器管道的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，檢查合格后方可投入運(yùn)行。

8 結(jié)語(yǔ)

白銀有色集團(tuán)股份有限公司銅業(yè)公司制氧車(chē)間的液氧水浴式汽化器A120071振動(dòng)問(wèn)題的危害性大，經(jīng)過(guò)以上對(duì)液氧水浴式汽化器A120071的改進(jìn)探討，可以有效解決振動(dòng)所產(chǎn)生的危害，只有經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐不斷優(yōu)化，才能在冶煉設(shè)備行業(yè)中發(fā)揮更大的作用。