疏水阀在半钢轮胎硫化机的节能应用

赵璞，李楠

(1.韩泰轮胎有限公司，浙江 嘉兴 314003;2.大禾产机（嘉兴）有限公司，浙江 嘉兴 314003)

随着中国经济的飞速发展，人民的生活水平显著提高，汽车作为代步工具逐渐普及进入大众生活，中国的汽车销售额已经连续10年位于世界第一。相应而言，作为汽车消耗品的轮胎的使用量也随之上涨，轮胎市场的竞争也愈发激烈。这种情况下，对轮胎企业来说，如何节能减排、降低成本，成为企业发展的重要课题。而作为轮胎生产中能源消耗大户的蒸汽，如何优化使用效率，减少使用量，降低单位能耗具有重大的意义。

1 半钢液压式热板硫化机蒸汽冷凝水排放现状及问题点

半钢液压热板式硫化机是轮胎行业占比较高的硫化生产设备。半钢轮胎指的是轿车用轮胎，英文简称为PCR，液压指的是硫化机的开闭动力是采用液压油的方式，热板式指的是硫化加热是蒸汽通过热板和模套来间接加热模具，半钢液压热板式硫化机常见的分为天平式（图1）和框架式（图2） 。

半钢液压热板式硫化机的轮胎加热部分由上下热板和活络模具的模套组成，如图3所示。

轮胎硫化三要素：温度、压力、时间，是指在硫化机上通过模具、胶囊用高温蒸汽和高压氮气对成型生产的胎坯在一定时间内进行加热加压的化学反应过程。半钢液压硫化机的热板及模具蒸汽加热管道如图4所示，1.0 MPa饱和蒸汽通过控制阀来调节满足轮胎生产工艺的温度，通过活塞切断阀排放冷凝水。实际在蒸汽从硫化主管路和冷凝水回收管路还有上升的管路，中间通过金属软管来连接。

图1 天平式

图2 框架式

图3 硫化机上下热板及模具示意图

图4 硫化机热板及模具蒸汽管道图

蒸汽在轮胎硫化过程中换热后变成冷凝水，然后通过时控活塞切断阀排入专门回收管路。活塞切断阀的结构和排水工作原理图5所示，活塞切断阀排冷凝水的工作原理是通过PLC控制电磁阀通断供给压缩空气来实现切断阀的开闭。

图5 活塞切断阀示意图

PCR液压热板式硫化机虽然可以通过活塞切断阀定时开启来排除冷凝水，但活塞切断阀只是通过经验来控制开启的时间，而且要保证每台硫化机都要把冷凝水排干净。 在实际情况下各个轮胎工厂蒸汽主管道长短、蒸汽来源的质量的不同（如过热或饱和蒸汽）、冬夏季等环境温度变化影响蒸汽管道散热造成蒸汽质量差异、硫化机安装位置不同造成每台硫化机的蒸汽质量也存在差异（通常情况下管末对比管初硫化机温度低：2～3 ℃）等各种因素造成每台硫化机活塞切断阀前的冷凝水量是不同的，为了保证每台硫化机的热板和模套内的冷凝水都彻底排完，活塞切断阀的开启关闭时间是按蒸汽质量最差的末端硫化机的排完水的时间来确定的。目前在PCR轮胎生产企业普遍采用的标准是切断阀每关闭20～25 s后开启0.25 s定时排放冷凝水，在冷凝水排出的过程中，同时也带来蒸汽的排出，造成蒸汽能源的浪费；在前期的试验阶段，大约有5%～10%左右的蒸汽浪费。另外，由于硫化机别的管道安装位置及温度控制阀等差异因素造成热板及模套内冷凝水未排放干净，造成硫化机温度波动或偏低导致轮胎欠硫化，在这种情况下会调整切断阀定时排放时间（如每10 s开启0.5 s）甚至直接打开直排，造成蒸汽能源更大的浪费，同时也增加员工的设定难度及造成现场的非标作业。部分轮胎企业对这样定时排放方式也进行改善，如在切断阀前端增加存水灌，虽然减少了蒸汽排放，但还是存在一定浪费。

2 使用疏水阀替代切断阀，降低蒸汽单耗

从现有的切断阀使用方法上无法保证准确排完冷凝水而又不泄漏蒸汽造成能源浪费；具有自动排放冷凝水和不凝性气体且可以阻断蒸汽泄漏的蒸汽疏水阀正是我们需要的代替品。温度是轮胎硫化三要素之一，对轮胎品质影响至关重要，需要把硫化机的热板及模套内的蒸汽换热后产生的冷凝水及时的排出，确保硫化机温度在标准范围内，免除硫化机热板和模套内积存冷凝水影响轮胎换热不足而带来的轮胎欠硫不良。在本次改造方案中采用有水即排的TLV硫化专用型自由浮球疏水阀。它具有以下特点：

（1）工艺负荷变化时，自动调节型的自由浮球可提供连续、平稳和低速的冷凝水排放；

（2）高精磨加工的浮球，持续的水封及三点支座式密封设计，即使在无负荷的工况中也能确保完美的密封；

（3）只有一个运动部件-浮球，避免了集中磨损，减少故障，延长使用寿命；

（4）具有“故障常开”功能的热静力膜盒（X-元件）自动排放低于饱和蒸汽温度的空气；

（5）内置大流通过滤网，保证无故障工作；

（6）可在线更换内部元件，清理简便，减少维修成本。其结构示意图如图6所示。

图6 自由浮球疏水阀结构示意图

自由浮球疏水阀工作原理：在蒸汽进入设备之前，设备温度较低，X-元件处于收缩位置，阀孔(A)打开,当蒸汽开始供应，空气通过阀孔(A)排放，同时冷凝水通过打开的阀嘴（B）排放，如图7所示。当初始空气和冷凝水排放完毕后，蒸汽进入阀体导致X-元件膨胀，膨胀导致阀孔（A）自动关闭排放空气功能；浮球根据流入阀体的冷凝水量向上提升，此时冷凝水通过阀嘴连续排放，如图8所示。在运行过程中当热空气进入阀体，X-元件立即感受到阀体内部温度的降低，自动打开阀孔（A），快速排放空气，如图9所示。当空气完全排放后，温度重新上升，X-元件里面自动排空气的阀孔（A）关闭；如果阀体内没有冷凝水流入，浮球回落跟阀嘴紧密密封，主阀嘴（B）的阀孔关闭，疏水阀处于关闭状态，水位形成的液封在阀嘴之上，确保没有蒸汽泄漏，如图10所示。

图7 排出初始的空气和冷凝水

图8 排出冷凝水

图9 排出热空气

图10 阀门关闭

本次改造采用TLV不锈钢自由浮球疏水阀主要参数如下：工作压力1.0 MPa，工作温度Max.220 ℃, 1.0 MPa 压差下排水量670 kg/h，0.7 MPa压差下排水量580 kg/h，蒸汽自耗为0.1kg/h，阀体选用304不锈钢，法兰连接方式，水平方式安装，如图11所示。疏水阀安装要点如下：

（1）安装时前后左后水平度要求小于5°；

（2）注意疏水阀门进、出口安装方向；

（3）疏水阀前端加过滤器（防止全厂频繁停检修时，蒸汽管道的产生异物进入疏水阀）；

（4） 疏水阀后端，冷凝水主管道前端加止回阀（防止单台设备蒸汽管道停机检修时，主管的冷凝水道回窜）；

（5） 过滤器前端加汽水分离罐（防止水珠直接击打疏水阀内部的浮球，造成疏水阀密封不良，并且还可作为硫化机测温点）；

（6） 为了点检疏水的工作状态，可在疏水阀后端加装窥视镜等。

初期我们在2台硫化机上安装TLV 疏水阀，进行热板模套温度波动技术指标评价，结果完全满足工艺要求±3 ℃（实际温度波动：±1.5 ℃以内）；在热板和模套的管道上安装流量计，进行蒸汽节能效果测试，疏水阀对比活塞切断阀节能 11.97%，如表1所示。

图11 疏水阀安装简单示意图

最终韩泰嘉兴工厂267台硫化机疏水阀改造完成后每吨重量的轮胎生产蒸汽平均用量（包含热板和模套中压的蒸汽用量、胶囊内部高压蒸汽用量）2019年对比2018年下降：6.1% (下降：0.12 t/t，2018年：2.112 t/t，2019年:1.991 t/t) ，如表2所示。2019年度对比2018年蒸汽节俭效果386万元/年[(0.121 t/t×147 489 t（2019年生产重量）×217元/t（蒸汽单价）]。267台硫化机疏水阀改造投入费用：449万，投资回收期：1.2年。

表1 初期热板及模套、节能效果对比

表2 2018/2019年蒸汽用量原单位对比

3 结语

蒸汽是轮胎生产过程中大量使用的能源，在成本中占有一定比例。从工作原理来看，在硫化机上使用蒸汽疏水阀代替时控活塞切断阀具有良好的节能效果。在韩泰轮胎嘉兴工厂硫化机蒸汽冷凝水外排活塞切断阀改疏水阀的技改项目中，轮胎产品的吨当蒸汽单耗下降了6.1%（2019年：1.991 t/t对比2018年:2.112 t/t）；并且2019年生产、品质水准与2018年基本保持一致，产量维持在：51,500个/日左右（重量：500 t/日），轮胎欠硫化不良发生：20 PPM左右；本次节能减排效果显著，生产及品质稳定是值得推广扩散的技改方案。