自閉式煤氣排水器工作管關鍵結構參數設計方法

于德宏，蘇寶珍，劉德強，謝長永，王慶祺，蔡景春，王東寶

（1.北京首建設備維修有限公司，北京 100043；2.北京首鋼建設集團有限公司，北京 100043；3.北京首鋼遷鋼公司 煉鐵部，河北 唐山 064404）

0 引言

冶金行業中，常常需要對煤氣進行一定距離的管道輸送。在輸送過程中，煤氣中的部分飽和氣和機械水會分離出來，給煤氣輸送、管道維護和用戶的使用帶來了不利的影響，因此必須及時將冷凝水排出，該功能是由與輸送管道連通的煤氣排水器實現的。煤氣排水器主要由煤氣排水器本體和煤氣防泄漏裝置組成。當煤氣管網壓力波動或由于其他原因引起的排水器有效水位異常降低造成煤氣泄漏時，通過煤氣排水器防泄漏裝置可有效地遏止煤氣的外泄，防止煤氣著火、爆炸、中毒等惡性事故的發生。

煤氣排水器的水封高度決定于該管網壓力的大小，既不能高也不能低。低壓管網配高壓排水器，則冷凝水不能有效地排出，影響生產；高壓管網配低壓排水器，管網壓力將擊穿水封，使煤氣泄漏，不但造成污染，還嚴重危及人身安全。另外，煤氣管網通常壓力波動較大，最高壓力有時超出排水器自身極限值，使煤氣過壓現象時有發生。因此，在煤氣排水器的設計過程中應對其承壓能力進行準確設計，保證在超壓情況下密封球能及時對低壓室工作管進行密封。

1 煤氣排水器結構形式

煤氣排水器一般有立式和臥式兩種，由于介質壓力的不同，為了保持排水器的有效高度以及便于操作維護又分為單室水封和雙室水封兩種型式，一般煤氣排水器的水封高度在1 000mm 以內采用單室水封，超過1 000mm采用雙室水封或多室水封。本文將著重對多室水封的自閉式煤氣排水器的結構設計過程進行研究。

2 自閉式煤氣排水器工作管關鍵結構參數設計

圖1為多室水封的自閉式煤氣排水器結構示意圖。原設計中，由于各室工作管長度、長度分配等關鍵參數通常借助于設計人員經驗，容易導致設計可承受壓力偏差，出現頻繁泄漏或關閉等問題。因此，本文在大量現場試驗和理論研究的基礎上，結合煤氣排水器的結構特點和工作原理，提出一種煤氣排水器工作管關鍵結構參數設計方法，可實現對低壓室內封閉用結構部分可承受壓力的計算，同時根據約束條件自動計算其余各腔室應設計數量和相應工作管長度。其具體優化方案如下：

（1）收集所設計煤氣排水器可承受的最大管道壓力Pmax和低壓室內封閉用結構參數（如圖2所示），包括封閉球下端距封閉口距離h1；浮力圓柱長度h2、直徑φ；管道無壓力時液面距浮力圓柱頂端的距離h3；封閉球、連桿及浮力圓柱的總重力G。

（2）計算浮力高度h4：

其中：ρ水為水的密度。

計算低壓室可降水位h5：

h5＝h3＋（h2－h4）＋h1。

計算低壓室封閉所需壓力p1：

p1＝ρ水·g·h5。

計算其余水封結構需承受的最大壓力p：

p＝pmax－p1。

計算其余水封結構所需工作管總長度l：

l＝p／（ρ水·g）。

令其余承壓室總數n＝1，計算其余各室工作管長度h6：

h6＝l／n。

給定其余各室工作管最大長度hmax，判斷不等式h6≤hmax是否成立。若成立，則確定其余各室數量為n，且各室工作管長度為h6，結束計算；否則，令n＝n＋1，直至不等式成立，再結束計算。方案計算流程圖如圖3所示。

圖1 多室水封的自閉式煤氣排水器結構示意圖

圖2 低壓室內封閉用結構參數圖

3 模型的應用

北京首建設備維修有限公司經過多年的實踐與研究并結合此設計方法，研制開發了自閉式煤氣排水器，成功實現了對煤氣管道冷凝水的及時排出，并防止了壓力突變造成的煤氣泄漏等事故。

本例中pmax＝0.035 MPa、h1＝0.1 m、h2＝0.3 m、φ＝0.08m、h3＝0.6 m、G＝10N。令其余承壓室總數n＝1、hmax＝1m。

將各已知數據輸入計算程序，計算得到h4＝0.2 m、h5＝0.6＋0.1＋0.1＝0.8m、p1＝0.008 MPa、p＝0.027 MPa、l＝2.7m、h6＝2.7m。

最后，判斷不等式h6≤hmax是否成立。顯然，不等式2.7≤1不成立，則令n＝n＋1，再重新計算其余各室工作管長度h6，直至以上不等式成立。計算可知，此時n＝3，則其余各室數量為3，且各室工作管長度為0.9m，結束計算。

4 結論

本文提出的煤氣排水器工作管關鍵結構參數設計方法，可實現對低壓室內封閉用結構部分可承受壓力的計算，同時根據約束條件自動計算其余各腔室應設計數量和相應工作管長度。通過以上方法有效地保證了排水器的實際可承受壓力與設計相同，防止煤氣泄漏或密封裝置的頻繁開閉。

圖3 方案計算流程圖

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