液氧水浴式汽化器振動問題的分析及改進探討

劉永龍， 王仲楊

(白銀有色集團股份有限公司銅業公司， 甘肅 白銀 730900)

0 引言

白銀有色集團股份有限公司銅業公司歷經數次技術改造，發展成為年產陰極銅15萬t、硫酸54萬t的大型銅冶煉企業。銅業公司制氧車間承擔著銅業公司的供氧、供氮、供風、供水任務。供氧系統提供白銀爐、轉爐、卡爾多爐、硫酸用氧；供風系統提供白銀爐用吹煉風、轉爐用風及全廠儀表用風；供水系統為精煉、熔煉、電解提供循環用水。供氧系統分為備用的6 500 Nm3/h系統和正在投產的20 000 Nm3/h系統。其中正在投產的20 000 m3/h制氧系統是通過空氣吸入口將空氣吸入，原料空氣進入自潔式空氣過濾器中，將空氣中的機械雜質和塵埃過濾后，進入到透平空壓機再進行多段壓縮。空冷塔的預冷系統將壓縮后的空氣進行預冷，預冷的空氣將空氣中水分去除后進入到分子篩的純化系統。被純化的潔凈空氣一部分進入到下塔C1參與精餾，一部分直接進入主換熱器E1被反流污氮冷卻，另外一部分進入液氧自增壓器K2中被液氧液化為液空，進到下塔C1的中下部。下塔C1中的主冷凝蒸發器將下塔C1頂部的氮氣冷凝成液氮，下塔C1中下部的液空和下塔C1底部的富氧液空通過過冷器節流及過冷之后進入到上塔C2參與精留。上塔C2中經過再次的精餾，獲得產品氮氣、污氮氣、液氧和氧氣等。在液氧蒸發器中發生換熱，將主冷底部抽出的液氧和空氣進行換熱后汽化，汽化之后的氧氣通過主換熱器再次加熱送出冷箱,得到可用的產品氧氣。從冷箱出來的氧氣一部分直接送出界區進入總管網的低壓氧氣管，一部分產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。

來自液氧貯槽的液氧，經后備液氧泵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，供給轉爐、白銀爐等使用。另一股經后備液氧泵2壓縮至所需的壓力，然后送往液氧水浴式蒸汽加熱器中，汽化后與氧壓機來的氧氣匯合進入氧氣緩沖罐，氧氣經過調壓閥閥組調壓送出界區。同時，液氧可以通過槽車送往外界銷售。

1 液氧水浴式汽化器簡介

近些年隨著金屬行業的高速發展，工業氧氣的使用也快速增加，空分設備穩定性對高、低壓氧氣供應要求也越來越高。有時，空分設備因檢修停車會影響氧氣供應的穩定性。所以，為了確保穩定性，銅業公司建設了液氧汽化和液氧貯槽系統。

液體汽化供氣系統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系統四部分組成，其中最關鍵的設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為主，其優點為在同等單位下蒸發量大，不占用空間，設備質量及強度高，容易檢修，所以水浴式汽化器得到了廣泛認可。而空溫式汽化器主要以鋁合金材質為主，其缺點為在同等單位下蒸發量不高、占用空間大、設備易損壞、不易檢修。

2 液氧水浴式汽化器主要技術參數

白銀有色集團股份有限公司銅業公司于2012年建設液氧水浴式汽化器，型號為A120071。

流量 20 000 m3/h

工作溫度 -183 ℃

工作壓力 0.05 MPa

工作介質 液氧

出口溫度 常溫

加熱介質 0.8 MPa飽和蒸汽

配套裝置 溫度計、調壓閥、安全閥等

3 液氧水浴式汽化器的結構及原理

液氧水浴式汽化器結構如圖1所示，是立式結構。產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，從而將液氧由液態轉變為氣態，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過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，提高換熱效果。

1.水側溢流口 2.進水口 3.外殼 4.換熱盤管 5.液體分配管 6.O型加熱管 7.調節閥 8.熱水進出口 9.循環水泵圖1 液氧水浴式汽化器結構圖

加壓泵將低溫液體抽出，順著頂部的直管進入，加壓到汽化器底部環管，液體從下至上由環管分別進入盤管，通過管束常溫氣體與汽化器上端氣體環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“O”型加熱管開始加熱；循環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水口，汽化器每一層繞管之間，形成液體從上到下循環，這樣的循環能保證水流在盤管之間逆向流動。同時，過量水可以通過溢流閥引出，如圖1所示。

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

圖2 繞管管束結合部示意圖

4 液氧水浴式汽化器振動問題分析及產生的影響

4.1 振動問題分析

將液氧水浴式汽化器A120071設備打開保護蓋，對汽化器整體的盤管組固定結構進行檢查，檢查完各固件都緊固完好，因此排除了盤管松動而產生的振動可能性。根據汽化器運行時響聲沉重而不連續性的特點，以及汽化器中水蒸氣加熱管布置方式判斷，產生的振動應為汽化器加熱部位，如圖3所示為汽化器加熱結構形式。

圖3 汽化器加熱結構形式

經過多次檢查，產生“水擊”現象的原因是由于汽化器內部的加熱管為“O”型，水蒸汽進水閥門到水蒸氣加熱管之間的管道中布滿冷水。當水蒸氣閥門被打開時，向汽化器供蒸汽后，導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，導致了“水擊”現象。水蒸汽快速膨脹，從而形成"水擊”現象，這就是汽化器在運行時會產生異響和振動的原因。

4.2 振動問題產生的影響

這種結構的水浴式汽化器的最大缺點是蒸汽在進入“O”型加熱管的過程中會產生很大的振動現象，使相連的管道發生振動。因為振動幅度較大，可能會導致水浴式汽化器中管道的斷裂，從而影響汽化器運行的穩定及安全。循環水或蒸汽進入液體管道的故障也時有發生，影響了正常生產。其他單位的水浴式汽化器也存在振動大的問題，甚至有些單位還發生了將臨近廠房玻璃振碎的情況，危險性增加。

5 液氧水浴式汽化器的改進探討

5.1 外接液體管道長度對振動的影響

經分析計算：

Δp=ρ1gh1-ρgghg-ΔP1-ΔPpr2ΔPg

(1)

式中 Δ—ΔP為流動動力，Pa；

ρ1—液體密度，kg/m3；

h1—液柱高度，m；

ρg—氣體密度，kg/m3；

hg—氣柱高度，m；

g—重力加速度，m/s2；

ΔP1—液相流動阻力損失，Pa；

ΔPpr—流體流經增壓盤管時的阻力損失，Pa；

ΔPg—氣相流動阻力損失，Pa。

經過以上公式分析，外接液體管道長度是產生振動的重要因素之一，汽化器中的增壓管大量吸收熱量，從而導致部分液體吸收熱量被蒸發成氣體，管道中氣體和液體相互流動，又因液體密度是高于氣體密度的，所以導致液體向下流動，氣體又向上流動，流動的阻力大大增加，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”現象，為了確保設備穩定安全地運行。可以將熱水出口管改為蒸汽出口管，同時去除“O”型加熱管，在水浴式汽化器外的循環水泵管道下方安裝汽水混合加熱器，蒸汽從汽化器頂部進入到底部，由循環水泵送至汽化混合加熱器中，從而使蒸汽與循環水同時加熱，熱水由汽化器頂部進入，在汽化器各層繞管間自上而下流動形成循環。

1.水側溢流口 2.進水口 3.外殼 4.換熱盤管 5.液體分配管 6.調節閥 7.蒸汽出口 8.循環水泵 9.汽水混合加熱器圖4 液氧水浴式汽化器改進結構圖

汽水混合器具有節能環保的優點，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，具有無振動、低噪聲、熱交換效率高、節省能源等優勢。汽水混合器被廣泛地運用在熱水采暖、熱力除氧以及生活、生產用熱水等系統中，汽水混合器主要由噴管、殼體、網板、墊圈等重要部分組成。加的熱水通過噴管時，蒸汽通過噴管外側的管壁上，同時很多側向的小孔會噴進水中，蒸汽和水在管中進行高效的熱交換，從而進行加熱。這樣，液氧水浴式汽化器振動和響聲的問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構，型號使用DLQSH，使用時直接連接于管道系統。拉閥爾噴管是加熱器中重要組成部分，被加熱的液體進入噴管中，進行高速的流動，而蒸汽又通過噴管外側的管壁上，在高速的情況下，加熱液體與蒸汽充分在噴管內可以做到瞬間高效的混合。從而不會產生空穴，水浴式汽化器振動和響聲的問題就可以完全消除。

圖5 汽水混合加熱外形圖

6.1 汽水混合加熱器優點

汽水混合加熱器是蒸汽和水直接進行混合加熱，是一種蒸汽直接加熱的設備，它不是間接加熱，因此稱之為“混合式加熱設備”。其蒸汽利用率為百分百，汽水混合均勻，熱交換效率高、節能；加熱快捷、迅速，被加熱水經過汽水混合加熱器即可達到所需溫度，產品體積小，不占用空間，安裝簡便、節省投資。與此同時，汽水混合加熱器徹底解決了水浴式汽化器的振動噪聲缺陷。

6.2 技術參數

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連接法蘭DN125 mm，額定流量D1為145 t/h；汽側連接法蘭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) t/h

6.3 汽水混合加熱器運行標準

(1)蒸汽壓力大于水壓0.05 MPa以上是運行汽水混合加熱器的條件；

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

(3)在知道蒸汽的消耗量的情況下，可按管內流速20～30 m/S來計算系統的蒸汽管徑。

(4)水泵可以設計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 改進后液氧水浴式汽化器開停條件

因為水浴式汽化器的作用是將水加熱，然后在蒸發管內將低溫液體進行蒸發。所以先將純凈水(無氯)灌入蒸發桶內至溢流口之前，再把低溫液體倒入，然后通入蒸汽，把溫度控制在設定的60 ℃左右(溫度不能過高)，先打開氣體出口閥，然后用流量調節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霜。

在氣溫低時，汽化器停運期間，必須排完蒸發筒內的剩余水，或者在蒸發桶內吹入少量蒸汽及保證蒸發桶處于溢流狀態，因為汽化器的蒸發溫度在20～40 ℃，所以需注意避免水浴結冰。檢查蒸汽管道內的疏水器保證完好，才能夠進行工作狀態。液體蒸發器內的盤管需按照壓力容器管理，因此要按照國家對壓力容器管道的標準進行檢查，檢查合格后方可投入運行。

8 結語

白銀有色集團股份有限公司銅業公司制氧車間的液氧水浴式汽化器A120071振動問題的危害性大，經過以上對液氧水浴式汽化器A120071的改進探討，可以有效解決振動所產生的危害，只有經過生產實踐不斷優化，才能在冶煉設備行業中發揮更大的作用。