自闭式煤气排水器工作管关键结构参数设计方法

于德宏，苏宝珍，刘德强，谢长永，王庆祺，蔡景春，王东宝

（1.北京首建设备维修有限公司，北京 100043；2.北京首钢建设集团有限公司，北京 100043；3.北京首钢迁钢公司 炼铁部，河北 唐山 064404）

0 引言

冶金行业中，常常需要对煤气进行一定距离的管道输送。在输送过程中，煤气中的部分饱和气和机械水会分离出来，给煤气输送、管道维护和用户的使用带来了不利的影响，因此必须及时将冷凝水排出，该功能是由与输送管道连通的煤气排水器实现的。煤气排水器主要由煤气排水器本体和煤气防泄漏装置组成。当煤气管网压力波动或由于其他原因引起的排水器有效水位异常降低造成煤气泄漏时，通过煤气排水器防泄漏装置可有效地遏止煤气的外泄，防止煤气着火、爆炸、中毒等恶性事故的发生。

煤气排水器的水封高度决定于该管网压力的大小，既不能高也不能低。低压管网配高压排水器，则冷凝水不能有效地排出，影响生产；高压管网配低压排水器，管网压力将击穿水封，使煤气泄漏，不但造成污染，还严重危及人身安全。另外，煤气管网通常压力波动较大，最高压力有时超出排水器自身极限值，使煤气过压现象时有发生。因此，在煤气排水器的设计过程中应对其承压能力进行准确设计，保证在超压情况下密封球能及时对低压室工作管进行密封。

1 煤气排水器结构形式

煤气排水器一般有立式和卧式两种，由于介质压力的不同，为了保持排水器的有效高度以及便于操作维护又分为单室水封和双室水封两种型式，一般煤气排水器的水封高度在1 000mm 以内采用单室水封，超过1 000mm采用双室水封或多室水封。本文将着重对多室水封的自闭式煤气排水器的结构设计过程进行研究。

2 自闭式煤气排水器工作管关键结构参数设计

图1为多室水封的自闭式煤气排水器结构示意图。原设计中，由于各室工作管长度、长度分配等关键参数通常借助于设计人员经验，容易导致设计可承受压力偏差，出现频繁泄漏或关闭等问题。因此，本文在大量现场试验和理论研究的基础上，结合煤气排水器的结构特点和工作原理，提出一种煤气排水器工作管关键结构参数设计方法，可实现对低压室内封闭用结构部分可承受压力的计算，同时根据约束条件自动计算其余各腔室应设计数量和相应工作管长度。其具体优化方案如下：

（1）收集所设计煤气排水器可承受的最大管道压力Pmax和低压室内封闭用结构参数（如图2所示），包括封闭球下端距封闭口距离h1；浮力圆柱长度h2、直径φ；管道无压力时液面距浮力圆柱顶端的距离h3；封闭球、连杆及浮力圆柱的总重力G。

（2）计算浮力高度h4：

其中：ρ水为水的密度。

计算低压室可降水位h5：

h5＝h3＋（h2－h4）＋h1。

计算低压室封闭所需压力p1：

p1＝ρ水·g·h5。

计算其余水封结构需承受的最大压力p：

p＝pmax－p1。

计算其余水封结构所需工作管总长度l：

l＝p／（ρ水·g）。

令其余承压室总数n＝1，计算其余各室工作管长度h6：

h6＝l／n。

给定其余各室工作管最大长度hmax，判断不等式h6≤hmax是否成立。若成立，则确定其余各室数量为n，且各室工作管长度为h6，结束计算；否则，令n＝n＋1，直至不等式成立，再结束计算。方案计算流程图如图3所示。

图1 多室水封的自闭式煤气排水器结构示意图

图2 低压室内封闭用结构参数图

3 模型的应用

北京首建设备维修有限公司经过多年的实践与研究并结合此设计方法，研制开发了自闭式煤气排水器，成功实现了对煤气管道冷凝水的及时排出，并防止了压力突变造成的煤气泄漏等事故。

本例中pmax＝0.035 MPa、h1＝0.1 m、h2＝0.3 m、φ＝0.08m、h3＝0.6 m、G＝10N。令其余承压室总数n＝1、hmax＝1m。

将各已知数据输入计算程序，计算得到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，判断不等式h6≤hmax是否成立。显然，不等式2.7≤1不成立，则令n＝n＋1，再重新计算其余各室工作管长度h6，直至以上不等式成立。计算可知，此时n＝3，则其余各室数量为3，且各室工作管长度为0.9m，结束计算。

4 结论

本文提出的煤气排水器工作管关键结构参数设计方法，可实现对低压室内封闭用结构部分可承受压力的计算，同时根据约束条件自动计算其余各腔室应设计数量和相应工作管长度。通过以上方法有效地保证了排水器的实际可承受压力与设计相同，防止煤气泄漏或密封装置的频繁开闭。

图3 方案计算流程图

［1］ 佘宏彦，曾宪民，周良墉，等.煤气管道排水安全技术的研究［J］.工业安全与环保，2009，35（9）：44－47.

［2］ 徐荣波.煤气管道堵漏型排水技术及安全型排水技术对比分析［J］.科技与生活，2012（5）：176，175.

［3］ 谭昕，岳岗，李传坤，等.一种新型防泄漏煤气排水器的设计与应用［J］.世界钢铁，2009，9（3）：60－61.

［4］ 王志峰，张志忠，李卫东，等.转炉煤气排水器运行分析及改进［J］.河南冶金，2010，18（4）：33－34，53.

［5］ 翟俊娥，程秀梅.煤气排水器状态监测系统改造［J］.河北冶金，2005（4）：48－49.