布料器冷卻水系統優化

王永龍 張勇

（1：河北省智能爐頂裝備工程研究中心 河北 秦皇島 066318；2：秦皇島秦冶重工有限公司 河北 秦皇島 066318）

1 前言

布料器是無料鐘爐頂裝料設備中最關鍵的設備，作為同進口布料器比肩且擁有自主知識產權的國產化BCQ布料器是秦冶爐頂設備的重要組成部分。布料器冷卻介質采用工業水，控制合適的流量可以起到良好的冷卻效果，控制布料器箱體溫度不超過60℃，回轉支承溫度不超過70℃，保證了設備的穩定運行。但是在布料器設備使用多年后，受多種因素影響，偶有發生布料器溢水到高爐爐內、冷卻系統斷流、水封擊穿等事故。另外設備的正常運行還需要密封氮氣的配合，連續的氮氣充入可以起到保證布料器箱內壓力成微正壓（相比高爐頂壓而言），從而抑制高爐灰塵進入到布料器設備內部，起到氣封作用［1］，但是氮氣壓力和流量若控制不當也會引起布料器發生事故，為此需要了解冷卻系統運行原理和一些常見事故的分析判斷及處理方法。

2 開式冷卻水系統

布料器開式水冷循環系統，如圖1（開式水冷系統原理圖）所示，主要由進水管路、排水管路、U形水封裝置、回氣管道組成。

圖1 開式水冷系統原理圖

2.1 進水管路

借助煉鐵系統冷卻水主管道作為水源（壓力0.6MPa），通過調節閥和一系列的檢測儀表后進入到布料器內部，該管路設置有電磁流量計（位號W.2.1）和流量調節閥（位號W.3.1），用以檢測和控制進水流量。

2.2 排水管路

從爐頂鋼圈接兩路（或四路）出水口，用管道連接合并成一路，進入到氣水分離器，然后經U形水封排出到集水槽。U形水封裝置主要由氣水分離器、沉淀罐和相應的檢測原件組成，U形管的有效高度抵消布料器內部的壓力，從而使冷卻水順利從布料器內部排出同時不會擊穿水封，該管路設置有回水電磁流量計（位號W.2.2）、氣水分離器（位號W.13.1）及沉淀罐（位號W.14.1）。為了保證檢修時布料器冷卻水流通順暢，需保證氣水分離罐到高于水封出水口（h），低于爐頂鋼圈法蘭高度（同時具有不小于1：10的斜度）。

2.3 回氣管道

回氣管道的主要作用的連接氣水分離器，使罐內氣壓與布料器內壓力相等，保證冷卻水能順利流出到氣水分離器。

2.4 流量計布置

在布置管道時需要注意回水流量計（位號W.2.2）安裝在豎直管道上，且必須布置在U形水封管路的上升管區域（因流量計只能檢測滿管流介質，水溶液中若存在氣體會極大地影響流量計的檢測準確度）。

2.5 水封高度計算

1）按照液體壓強公式

式中：P—布料器內部的壓力，Pa；

ρ—介質密度（35℃），994kg／m3；

g—重力加速度，9.8N／kg；

H—水封有效高度，m。

假設設計壓力P＝0.28×106Pa（0.28MPa），代入公式得Hmin＝28.7m。為防止爐頂壓力波動（約0.05MPa）引起水封擊穿，水封有效高度應預留一定的富裕量（約5m），即水封的有效高度應≥33.7m。

2）核算管路阻力損失［2］

BCQ布料器根據喉管直徑分為多個系列，此處按照DN650布料器流量20m3／h進行核算。

上升管中冷卻水的流速為：

取管壁絕對粗糙度ε＝0.3mm，ε／d＝0.3／100＝0.003。

根據湍流時摩擦系數λ的計算公式：

同時結合查表得λ＝0.065。

局部阻力損失：

式中：u—介質流速，m／s；

V—介質流量，kg／m3；

d—管道通徑，m；

ρ—介質密度（35℃），kg／m3；

μ—介質運動粘度（35℃），Pa·s；

λ—摩擦系數；

l—管道長度，m，折合后按照80m計算；

ζ—阻力系數，見表1。

表1 管道局部阻力系數

3）核算h差值

為保證水流穩定流動，水封出水口需保證流速u，根據管路阻力損失核算h的最小值。

預留1.5倍安全系數，h取3.4m。

即高爐在休風期間，為了能讓布料器冷卻水流動順暢需要保證布料器下法蘭與水封出水口高度差約3.4m。

2.6 缺陷

開式水冷系統在國內使用的非常普遍，雖然受限于各家高爐自身條件不同，但是關于水系統出現過的事故共同點卻是一致的。

首先最常出現的是水封擊穿問題（即水封失效，高爐煤氣隨出水管道流動到大氣環境當中）；其次水封出水水流呈現不穩定的狀態；最后水系統使用年限久之后，出現管道堵塞且無法在線處理，引起布料器向高爐內部漏水。

3 優化改造

3.1 增加局部管道通徑

BCQ布料器鋼圈排水一般接≥2個管口（DN100）。改造后，爐頂鋼圈出水匯合后的鋼管（排水管路）由DN100改為一根DN150的鋼管，并且把U型水封下水管也由DN100改為DN150（如圖2所示），保證了管內氣體回流順暢，并且下水管直徑大于上水管直徑，可起到一定緩沖作用，能更好地適應管內壓力波動，避免水封擊穿。

圖2 U形水封改進前后示意圖

3.2 增加補水球閥

在底部沉淀罐的上方增加一個常閉球閥（位號W.15.1），連接沉淀罐附近的高壓水源，方便沉淀罐排污后及時補水。在U形水封發生擊穿事故時，可以打開該球閥給水封管道內強行補充高壓水，直至出水口出水均勻無氣體為止，該方法無需高爐減小風壓，且可以快速恢復水封，減小水封擊穿帶來的影響。

3.3 增加管道沖洗通道

將布料器進水管路與排水管路連通起來，如圖3所示，中間設置一個常閉球閥（位號W.1.9）隔斷。在排水管路發生堵塞或者流水不暢時，將布料器進水管路閥門（位號W.9.1、W.9.2）、排水管路閥門（位號W.11.2）、回氣管路閥門（位號W.10.2）關閉，打開常閉球閥（位號W.1.9）進行管路沖洗。盡量在休風時進行該操作，若在正常生產時操作需要注意布料器斷水時間不應超過1小時。該改進可以實現水冷管道在線沖洗、疏通管道，避免布料器發生漏水事件。

圖3 改進后的開式水冷系統原理圖

3.4 出水管增加坡度

U形水封出水口管段（上升管頂端到集水槽），設置成傾斜管路，斜度應大于1∶10，便于出水順暢和頂部排氣，從而保持出水口水流穩定。

3.5 水封上升管增加流量計

冷卻水系統應設置回水流量計，與進水流量做比較，并在高爐中控室進行實時監測，在發生問題時具備分析手段和提升處置辦法的可操作性。

4 常見事故分析及處置

4.1 水封擊穿

水封擊穿在開式水冷系統中比較常見，其主要原因是高爐爐頂壓力波動引起水封高度急劇變化或高壓氣體與冷卻水混合帶來水封擊穿。

1）水封擊穿首先要排查氣水分離罐。排水管道流經氣水分離罐時，氣體和液體在罐內和豎直下降管內進行分離，氣體沿著頂部的回氣管路回到布料器（也可以理解為均壓管路），若頂部回氣管路堵塞，將引起氣、水混合從而帶來水封擊穿。

2）底部沉淀罐進行排污，按照正確的操作流程將沉淀罐內積累的灰沙、油污清理干凈并續入半凈水。

3）管道布置不合理。開式水冷中回氣管路在任何地方都應處于排水管路的上方，便于水、氣分離且回氣順暢。

4）部分廠家的水封有效高度無法達到設計要求也是引起擊穿的一個主要因素。若頂壓高或者頂壓波動較大，水封有效高度明顯不足問題出現時可以按照以下三個方案進行改造：

1）將圖3中U形水封上升管閥門（位號W.12.1）的開度減小。在保證回水流量計與進水流量計數值一致（或保持固定差值）的前提下將閥門開度調整到最小，這樣給水封管路增加了緩沖能力，在壓力波動較大時不至于引起擊穿。

2）考慮加大氣水分離罐的容積。采用一個容積約2m3水罐（附帶液位計）作為氣水分離罐。在水罐底部增加一個手動球閥，待爐頂頂壓穩定后，全關該手動球閥使水罐蓄水至約2／3容積，然后手動緩慢打開該手動球閥（保持水罐內至少有1／2液位），直至回水流量與進水流量保持一致。

3）考慮抬高水封出水口。水封出口采用雙管道并聯，一處管道處于原平臺，另一處抬高到下密平臺。如圖4所示，原出水口增加一個閥門（位號W.16.1，帶遠程控制），并與原管道并聯一處有效高度為H1的管道，H1具體值應滿足H＜H1＜2×（H－5），根據爐頂壓力決定閥門（位號W.16.1）是否開啟。需要特別注意的是在爐頂休風之前應強制閥門（位號W.16.1）處于開啟狀態，以防布料器向高爐溢水。

圖4 抬高水封出水口示意圖

5）發生水封擊穿后，快速恢復水封的辦法（無需減風）。打開沉淀罐常閉球閥（位號W.15.1）給水封管道內強行補充高壓水，直至出水口出水均勻無氣體為止，該方法無需高爐減小風壓且快速有效。

4.2 布料器溢水及水封出水水流不穩定

如果布料器發生溢水現象一般的情況下也會伴隨水封出水水流忽大忽小、甚至斷流，密封氮氣流量和壓力與頂壓不匹配、操作流程不當都會引起該問題的發生。

1）布料器密封氮氣的壓力（及流量）與頂壓不匹配。易發生在爐頂設備調試階段或者頂壓逐漸升壓的過程中，主要原因是氮氣氣源壓力減壓閥閥后壓力高或者無減壓閥，在頂壓升壓初期布料器密封環縫處流速過快，將冷卻水帶進高爐形成雨幕式溢水（從爐內成像上能看到水滴）。所以在高爐壓力較低時，需要控制氮氣的流量或減壓閥閥后壓力，在高爐壓力恢復正常值后，再將流量或者減壓閥閥后壓力調整到設計值。

高爐爐頂壓力較低時，若布料器水流量過大，也會引起布料器溢水，初始水流量應小于5噸／小時，待爐頂壓力穩定后再逐步增加供水量至需求值［3］。

2）布料器進水口供水壓力不足，引起水封呼吸。部分用戶布料器進水口供水壓力按照高于高爐頂壓0.1MPa（約0.3～0.4MPa），但是因進水流量會隨著布料器內壓力的升高而降低，部分用戶的水質情況較差引起進水管路堵塞，所以在條件允許情況下，建議將布料器進水口的壓力調定在0.6MPa以上（至少應高于頂壓0.2MPa），利用高壓水確保進水的穩定性。

3）水封出水管管路水平管道過長或斜度較小。當爐內壓力波動時，水封內的水位隨之產生波動，過長水平管道造成水流時斷時續甚至斷流。水封出水上升管應盡量靠近集水槽，且不得存在水平管道，應設置大于1：10的斜坡管道，且管道越長斜度應越大。

5 結論

分析了布料器開放式水冷系統特點及漏水原因；并從設計原理出發，于管道布置方面消除不良因素，提出增加局部管路內徑，控制閥門開度等手段來減少水封擊穿事故發生的幾率；增加補水球閥實現不減風的情況下快速恢復水封的方案；增設自循環管路實現管路自循環和自清洗方案，在保障水冷系統的正常運行的同時給出現異常問題后的快速應對提供了基礎條件。