五环气化炉水通道流量测试

杨 艳，徐才福，李文刚，谢国雄

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

五环气化炉水通道流量测试

杨 艳，徐才福，李文刚，谢国雄

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

介绍了五环炉水汽系统的流程及系统组成，阐述了水通道流量测试对气化炉安全稳定运行的重要性，结合洛阳永龙能化有限公司水动力的计算，对水通道测量数据进行了分析，针对测量流速出现偏差的水通道进行校核，确保受热面不受损。

气化炉；水/汽系统；水通道测量；水动力计算

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.012

煤气化技术的发展已有100多年的历史，主要经历了移动床气化技术、流化床气化技术和气流床气化技术的发展过程。煤气化温度和压力有了比较大的提高，从而使气化炉单位容积和单位时间的处理能力大大提高，加上大型空分技术的发展，使煤气化技术大型工业化成为可能。气流床气化技术由于煤种适应性强、操作温度及压力高、碳转化率高、冷煤气效率高和易于大型化，成为当今煤气化工艺发展的主要方向。其中，Shell干粉煤气化工艺、GE-Texaco水煤浆气化工艺、GSP粉煤加压气化工艺在国内得到广泛的应用。中国五环工程有限公司与河南能源化工集团合作，对国内外先进煤气化技术进行深入研究、优化及创新，共同研发了WHG（五环气化炉）气化技术［1］。该气化技术具有运行稳定、环境友好、投资及运行费用低的优点，拥有良好的应用前景。

水通道流量测试，是气化炉水汽系统进行冲洗程序时正向冲洗水质达到要求后，检查水通道是否存在因杂物导致通流面积减小，甚至堵塞的情况；以及水冷壁制造过程中的偏差，是否导致不能满足使受热面内介质的流动稳定、水通道金属温度超过设计值以及流动阻力不合理。如不及时发现并处理，将导致水通道流量减少，引起受热面的过热或损坏。因此，水通道流量测试是保证气化炉安全稳定运行的重要工作。

1　水汽系统流程

WHG气化炉的汽水系统是指工质从汽包进入下降管开始，经过循环水泵被分配到各个区段，在各个区段被加热到一定温度，形成的汽水混合物最后又回到汽包，在汽包内经过汽水分离，产生5.4MPa（g）饱和蒸汽送出界区，系统内的水量由中压锅炉给水补充。流过的管路所组成的管网系统，属于强制循环。该系统由循环水过滤器、泵、管道、分配器、受热面、集箱、汽包组成。具体流程见图1。

根据水动力计算软件划分，全水汽系统共1 696根管屏，51个集箱，388个节流圈，1个汽包，3台循环水泵（2开1备）。根据位置不同，水汽系统受热面一般按以下分类：顶锥、膜式壁、烧嘴罩、底锥、锥形渣屏、热裙、急冷区、急冷管、气体返向室、输气管等。利用节流圈对以上受热面水流量进行分配。节流圈开孔及循环水泵的参数由水动力计算结果确定。

图1　WHG水汽系统流程

2　系统组成

2.1水冷壁结构

WHG汲取Shell气化炉的设计经验，采用“以渣抗渣”的结构，在反应室耐火材料层表面形成固态渣和流动熔渣层，渣层防高温，使膜式壁不受气流冲刷，保证了膜式壁的长寿命。膜式水冷壁回收反应室热量，提高了气化炉的能量转换效率及经济性。在运行过程中，若耐火材料层挂渣较薄，易导致水冷壁超温。WHG在水汽系统设计时，考虑了无挂渣的极端工况，最大限度地保证了水冷壁的安全。水冷壁结构见图2，与CFB锅炉底部炉膛类似，在水冷壁高温侧敷设一层耐火材料，防止直接冲刷；而固态渣层和熔渣层对于防止水冷壁超温是非常重要的。以气化反应室膜式水冷壁为例：在无挂渣极端工况下，水动力校核结果中的渣钉端部温度达到约460℃，根部温度约370℃；而在正常工况下（即正常挂渣），渣钉端部温度约360℃，根部温度约280℃。因此，气化炉运行过程中，水冷壁表面挂渣是否正常，对于水汽系统的安全运行，是非常重要的。

图2　水冷壁结构模型

2.2Lamont管嘴

Lamont管嘴［2］安装在进受热面之前的管道入口，起到分配系统流量、避免局部水冷壁管子超温的作用。Lamont管嘴开孔直径由水动力计算确定，尺寸范围在6.2～10.4mm之间。典型结构之一见图3，图中为内置式节流孔板组件（例如烧嘴罩传热面环形组合式分布器/联箱），其孔板接头靠近联箱一端将与联箱开孔直接连接，并按要求进行组焊，其另一端与烧嘴罩传热面水通道连接管对接。

图3　典型的Lamont管嘴

2.3汽包

WHG汽包接受吸收受热面热量后的汽水混合物，经汽水分离后产出饱和蒸汽。汽相空间分为两个部分（Ⅰ室和Ⅱ室），以便于计量气化炉各受热面产汽量。Ⅰ室为气化反应室受热面产汽收集区，Ⅱ室为激冷管、气体返回室、输气管段受热面产汽收集区。两部分出汽管均设流量计，以监测气化炉热负荷状况。汽包设计产汽量为64 t/h，内部设汽水分离装置。Ⅰ室设7套旋风分离器，9组百叶窗；Ⅱ室设12套旋风分离器，13组百叶窗，保证汽包产汽的蒸汽品质。Ⅱ室液位高于1 250mm时，触发气化炉紧急停车联锁且打开紧急放水阀；Ⅱ室液位低于675mm时，触发气化炉紧急停车联锁。WHG汽包结构见图4。

图4　WHG汽包结构

2.4循环水泵

水汽系统共配置3台水冷壁冷却水循环水泵（2开1备），为系统提供循环动力，详细参数见表1。为保证水泵安全，当汽包Ⅱ室液位低于25 mm超过3min后，由联锁控制关停中压循环水泵，同时触发气化炉紧急停车联锁。当循环水泵出口总管循环流量低时，投入第3台备用泵，备用泵投入运行超过一定时间，且循环流量没有回升时，将触发气化炉紧急停车联锁。2台泵中有1台出现故障，另外1台备用泵在30 s之内紧急启动。当电网发生停电时，启动应急电源。

表1　循环水泵参数

3　水通道流量测量

2014年5月至7月，河南能源化工集团下属洛阳永龙能化有限公司的1台及龙宇煤化工有限公司的2台新型WHG装置先后完成煮炉、冲洗工作，并在冲洗过程中进行了水通道流量测试。测量仪器采用GE公司的PT878超声波流量计。初始冲洗时，由于系统内铁锈、杂质较多，不宜进行测量。待冲洗后的排水较洁净时，再进行流量测试。每一根水通道的测量流速均需记录，重点关注流速较小的水通道。采用正反冲洗结合的方式，多次反复冲洗后，当流速变化不大，且水质洁净时，视为冲洗工作结束。

最终记录的水通道流速测量数据供中国五环工程有限公司进行水动力核算。部分数据见表2。水动力模拟数据是指在设计阶段，通过水动力计算软件建模，对各水通道流速的模拟数据。经比较，现场实测流速普遍大于水动力模拟数据。考虑其原因，是由于在水动力模拟时，水泵为正常工作时扬程，而实际冲洗时，水泵的扬程是小于正常工作扬程的，这也导致系统循环水量大于模拟时水量，即实际测量流速大于水动力模拟数据，考虑水量因素的修正后，水动力模拟的流速与实测数据较一致。

表2　水通道流量测试数据（m/s）

续表

影响水通道流量的因素较多，主要有杂质阻塞、孔板加工精度、焊缝质量等。水动力核算的目的，是对测量流速出现偏差的水通道进行校核，是否能在各工况下确保受热面安全、不受损坏。如洛阳WHG中的水通道1323，其流量偏离正常流量，在极端工况下将发生水通道含汽率超限、传热恶化［3］，致使受热面损坏，需进行X射线检测，确定堵管位置。再如龙宇1#WHG中的水通道1205及龙宇2#WHG中的水通道1102，虽较其他水通道流速较低，但在核算时，其含汽率在安全限值内，故该水通道未进行进一步处理，在煮炉后的冲洗过程中予以关注。基于以上原则，中国五环工程有限公司对五环气化炉所有水通道流速进行了校核，在煮炉后的流量测试中，对校核中易出现超温的水通道进行重点关注。对于流量仍未合格的水通道，进行割管疏通，恢复连接后重新进行煮炉、流量测试，直至所有水通道流量测试合格。

经过上述工作，首套WHG于2014年底在河南洛阳永龙能化有限公司试车成功，产出合格的合成气。水汽系统运转正常，保证了WHG装置的安全稳定运行。

4　结语

水通道流量测试作为气化炉水汽系统投运前的检查工作，对保证系统安全运行至关重要。水动力核算是测试数据分析的主要依据。首套WHG的试车成功，也为今后的工程提供了宝贵的数据支撑和经验积累。

［1］徐才福，夏吴，张宗飞，等.WHG气流床粉煤加压气化技术的开发与应用［J］.化肥设计，2015，53（2）：1-4.

［2］李亚东.Shell气化炉水汽系统的清洁［J］.化肥工业，2010，36 （5）：31-34.

［3］林宗虎.气液两相流和沸腾传热［M］.西安：西安交通大学出版社，2003.

修改稿日期：2016-06-20

W ater Channel Flow M easurem ent for WHG

YANG Yan，XU Cai-fu，LIWen-gang，XIE Guo-xiong
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

This paper introduces the processand componentsof thewater and vapor system ofWHG gasifier，discusses the importance ofwater channel flow test to the safe and stable operation of gasification furnace.Based on the hydrodynamic calculation of Luoyang Yonglong Energy and Chemical Co.，Ltd.，the paper also analyzes themeasurement data ofwater channel.The checks are conducted for those water channelswith the flow velocity deviation to ensure that the heating surface is not damaged.

gasifier；water/steam system；water channelmeasurement；hydrodynamic calculation

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.012

TQ545

B

1004-8901（2016）04-0041-03

杨艳（1985年-），男，湖南醴陵人，2011年毕业于华中科技大学热能动力专业，硕士研究生，工程师，现主要从事化工装置热工系统设计工作。