浅析汽液两相流装置在煅烧工序的应用

陈 岩

（江苏井神盐化股份有限公司淮安碱厂，江苏 淮安 223200）

纯碱生产工艺中，用蒸汽地方较多，而换热后的蒸汽冷凝水的疏水及预热利用成为节能重点关注的环节。在蒸汽冷凝水疏水器和膨胀器（闪发器）的作业中，液位的控制对疏水效果和蒸汽闪发起着重要的作用。在传统的液位控制技术中，大多使用仪表自控阀来控制，但由于生产工艺特殊性，以及仪表自控阀执行机械动作频繁，在生产过程中尤其是刚开车阶段普遍存在易卡涩、磨损、腐蚀和泄漏等问题，时常需要维修。严重时可能会造成无水位运行，导致疏水管线大量串汽，提高了蒸汽消耗，甚至导致下一等级压力容器超压安全阀起跳，产生安全隐患。而汽液两相流装置凭借其准确性、灵敏性、经济性、传感敏锐以及高效的特点较早前被我国各大火电厂应用。近几年，汽液两相流装置利用其良好的性能，在新建纯碱厂疏水器、闪发器等压力容器疏水系统中投用较多，有取代仪表自控阀之趋势。

本文主要介绍了汽液两相流装置的工作原理，以及简单介绍了其相关安装注意事项。同时提出了汽液两相流装置在纯碱煅烧工序使用过程中，相比于仪表自控阀的优劣势及解决方法。希望能够为业内使用单位给予一定的启发。

1 汽液两相流装置工作原理

汽液两相流装置是基于汽液两相流及流体力学理论设计而成的，不需外力驱动，其执行机构的动力源来自所需控制对象的汽体［1］。由于汽液的比容相差很大，所以动力源所需的蒸汽量很小。其调节机理是汽液两相在流动过程中［2］汽相比容迅速增大而液相比容基本不变，这使得液相的有效流通面积减小。在压差一定的情况下，液相流量随之减少，汽相对液相起到了调节作用。

汽液两相流装置是由汽液两相流和信号管两部分组成，汽液两相流是一个带有孔板的渐扩式喷嘴的三通阀，结构如图1所示。汽液两相流装置在疏水系统中的安装简图见图2。在系统工作时，当液位高于信号管上口时，汽相不能进入控制器，此时不需要汽相调节；当液位处于信号管直径之间时，有汽相进入控制器，汽相对液相有调节作用，液相越接近信号管下口时，进入控制器的汽相就越多，调节作用也越强；当容器内的液相位于信号管下口时，汽相的调节作用达到最大，此时若液相继续下降（即凝结水量小于疏水量），则液位无法维持，系统失去调节作用。反之，则可使液位逐渐回升。

图1 汽液两相流结构简图

2 仪表自控阀与汽液两相流装置的应用比较

2.1 仪表自控阀对压力容器液面控制效果分析

仪表自控阀在煅烧炉疏水器和闪发器的控制中存在一些技术上的不足：

图2 汽液两相流装置在疏水系统中的安装简图

1）压力容器液面控制是仪表自控阀与液面计联合工作的结果。采用差压液位计很难在高压差工况中正确地反映液面的真实状态。对于一个3.2MPa的工况条件下，1～2m的液位差对仪表差压液位计的敏感度很低，因此仪表液位计会出现较大的误差。

2）疏水器与闪发器的压差相对较大，从3.2 MPa减压至1.6MPa或0.5MPa，在冷凝水通过阀门减压时，会产生严重的蒸汽闪发和汽蚀现象，对阀门的冲刷非常严重，一旦汽蚀冲刷后，仪表阀门便失去控制作用，因此仪表控制阀的寿命很短。

3）由于疏水器到闪发器的疏水仪表阀门口径都相对较小，仪表阀门受控制执行机构行程限制，很难做到微量调节。因此在自控调节过程中，液面的波动始终存在。

4）仪表自控设置参数不适宜会导致阀门调节滞后，因而导致液面周期性波动。而煅烧蒸汽疏水器和闪发器的液位控制范围有限，仪表阀门的滞后调节经常导致液位超过低限，甚至无液位。

2.2 生产过程中汽液两相流装置的优势

1）液位自调节性能强，水位波动控制在正常水位的50mm以内。

2）无机械活动部件，无气动、电动控制系统，设计原理先进，可靠性高，具有免维护的特点。

3）该装置全密闭结构，无任何活动漏点，出厂前严格按国家标准进行打压和探伤等检验程序，无泄漏，安全性高。

4）内芯采用优质不锈钢材料，能满足设备长期运行要求，寿命长。

5）液位控制稳定，很少有大起大落现象，同时避免了无液位运行，降低安全阀起跳风险。

6）该装置系统简化，无需电气控制系统，现场安装简单，价格便宜。

7）液位控制稳定，大大缓解了管道内汽蚀和振动现象。

3 汽液两相流装置的劣势及解决方法

3.1 管线弯头易刷薄泄漏

江苏井神盐化股份有限公司淮安碱厂煅烧车间现有9台压力容器疏水系统都是采用汽液两相流装置，目前已使用近5年时间，效果较好。但是由于安装初期没有意识到汽蚀对管道的冲刷而造成泄漏的严重性，汽液两相流连接的短管以及疏水阀出口管道上的弯头都是采用的普通碳钢管及与管线壁厚一样的厚度8mm，使用不到两年的时间短管和弯头相续出现泄漏；使用不到4年的时间，二次闪发器回水管线上几乎所有弯头都出现了刷薄泄漏的现象，被迫待停产时进行更换。刷薄泄漏的弯头壁厚非常的薄，给生产带来了安全隐患。

研究分析汽液两相流工作原理可以发现，汽液两相流调节器后的疏水管线中夹带着一定的饱和蒸汽［1，3－5］。从泄漏的部位看，主要是该汽液两相流疏出的是汽液两种介质，由于汽液两相流运行时内部是一个动态的过程，汽液两相发生变化，流速发生变化，造成对汽液两相流后的短管及弯头的猛烈冲刷，长期运行导致管线刷薄，造成了泄漏。

为了解决此问题，我们采用了12mm壁厚防磨加厚配件代替了原来8mm壁厚的普通碳钢管配件，目前来看，效果不错。同时配管时尽量减少弯头使用数量。因此，建议新安装的厂区，在安装时，对容易造成冲刷的部位采用处理过的防磨加厚部件，及尽量减少弯头使用数量，从而减少因冲刷泄漏造成设备的停运。

3.2 末端闪发器部分蒸汽未能得到有效利用，增加蒸汽消耗量

通过研究汽液两相流工作原理知道，在汽液两相流疏水过程中，其执行机构的动力源来自所需控制对象的汽体［1］，所需汽量占据疏水量的一定比例，因此在汽液两相流运行过程中一直是有一部分闪发出来的蒸汽通过汽液两相流直接进入到下一级别的闪发罐中，最终随着冷凝水直接排放掉。此种现象在生产不稳定又没有及时关闭隔离阀门时尤为严重，因为此时进入容器中的冷凝液量减小，甚至小于疏出水量，根据其工作原理，汽相的调节作用达到最大，从而造成蒸汽大量浪费。

在文献［6］中提到，青岛碱业2007年将汽液两相流投入到煅烧疏水系统后，吨碱中压汽耗是降低的，这主要是有效解决了疏水器和闪发器跑汽问题，这与很多电厂［3－5］、氯碱厂［7］未投用汽液两相流之前的情况相似。

为了能够从理论上说明末端闪发器投用汽液两相流，如不对闪发后的冷凝水加以回收利用将会增加一定的蒸汽消耗，以二次闪发器为例，计算汽液两相流使用过程中，导致疏水系统直接损失二闪饱和蒸汽的部分热量，没有得到充分利用，而伴随二闪冷凝水直接送往制盐排放。

假设汽液两相流中夹带的蒸汽比例为r，二次闪发器每小时疏水总量为m（kg），其它参数变化忽略不计，则：

正常情况下，如果冷凝液中不含有夹带的蒸汽，冷凝水中含有的热量为：

Q1＝m×H″其中：H″为二闪饱和冷凝水的焓值，kJ／kg；

使用汽液两相流后，则汽液相混合含有的总热量为：

Q2＝mrH′＋m（1－r）H″

其中：H′为二闪闪发的饱和蒸汽的热焓值，kJ／kg。

那么汽液相混合液多带走的热量，即损失热量为：

Q＝Q2－Q1＝mr（H′－H″）

这部分饱和蒸汽热量如没有得到很好的回收利用，则增加了蒸汽消耗量。但是增加的这部分蒸汽消耗量，相对于无液位跑蒸汽来说，消耗量还是小的。如果冷凝水液位能够稳定地控制在信号管处，消耗蒸汽量会有效降低。因此相对于用仪表阀门无法控制液位，汽液两相流是节能的。

为了解决此问题，将此损失的热量进行有效回收利用，降低蒸汽消耗，必须做到以下三点：①煅烧二闪饱和冷凝水必须加以技改回收利用。此技改不仅解决了冷凝水自身热量回收和优质降温冷凝水再利用，同时也将这部分损失的热量得以回收利用。②生产不稳定时，及时关闭隔离阀，减少蒸汽消耗。③两相流的设计及制造技术也必须引起足够重视。尤其是汽相环隙的设计时充分考虑汽耗损失，两相流的设计能力须尽量与实际生产负荷范围相对应。尽可能将范围精确，减小信号管走汽量的同时，保证液位稳定。

4 安装注意事项

1）汽液两相流无互换性必须对号安装，壳体上箭头标向与疏水方向一致。

2）信号管中心高度不可以高过容器进水口高度，需保证正常水位低于进水口，否则容易造成疏水不畅。

3）汽液两相流安装位置尽量接近容器本体，最好水平安装，竖直安装也不影响使用效果。

4）汽液两相流连接时连通管愈短愈好，同时系统中弯头数量愈少愈优，弯头壁厚愈厚愈好。

5）在整个安装过程中，应清除加热器及管道内的焊渣、杂物。

5 总 结

纯碱煅烧工序应用汽液两相流装置虽然存在一定的问题，但是通过注意安装事项、配件选型及煅烧冷凝水加以回收利用，相比于仪表自控阀具有更多的优点，值得在纯碱行业中推广。

［1］ 李慧君，王树众.汽液两相流原理在液位控制器中的应用［J］.西安交通大学学报，2003，37（5）：451－455

［2］ 李慧君.汽液两相自调节水位控制器的理论研究［D］.西安：西安交通大学能源与动力工程学院，1993

［3］ 佛铁梁，薛向宇，尚阿蕊.汽液两相流自调节液位控制装置在电厂的应用［J］.山西电力技术，2000（3）：14～15，59

［4］ 齐殿全，林万超，陈国慧.汽液两相流自调节水位控制器在300MW 机组上的应用［J］.中国电力，2001（2）：71～72

［5］ 杨锦波.新型汽液两相流自调节疏水器在电厂的应用［J］.设备管理与维修，2001（12）：17～18

［6］ 董杰.汽液两相流疏水调节器在煅烧炉疏水系统上的应用［J］.纯碱工业，2008（2）：46～48

［7］ 张林.浅谈汽液两相流自调液位装置在蒸发工序的应用［J］.氯碱工业，2002（2）：22～23