布料器冷却水系统优化

王永龙 张勇

（1：河北省智能炉顶装备工程研究中心 河北 秦皇岛 066318；2：秦皇岛秦冶重工有限公司 河北 秦皇岛 066318）

1 前言

布料器是无料钟炉顶装料设备中最关键的设备，作为同进口布料器比肩且拥有自主知识产权的国产化BCQ布料器是秦冶炉顶设备的重要组成部分。布料器冷却介质采用工业水，控制合适的流量可以起到良好的冷却效果，控制布料器箱体温度不超过60℃，回转支承温度不超过70℃，保证了设备的稳定运行。但是在布料器设备使用多年后，受多种因素影响，偶有发生布料器溢水到高炉炉内、冷却系统断流、水封击穿等事故。另外设备的正常运行还需要密封氮气的配合，连续的氮气充入可以起到保证布料器箱内压力成微正压（相比高炉顶压而言），从而抑制高炉灰尘进入到布料器设备内部，起到气封作用［1］，但是氮气压力和流量若控制不当也会引起布料器发生事故，为此需要了解冷却系统运行原理和一些常见事故的分析判断及处理方法。

2 开式冷却水系统

布料器开式水冷循环系统，如图1（开式水冷系统原理图）所示，主要由进水管路、排水管路、U形水封装置、回气管道组成。

图1 开式水冷系统原理图

2.1 进水管路

借助炼铁系统冷却水主管道作为水源（压力0.6MPa），通过调节阀和一系列的检测仪表后进入到布料器内部，该管路设置有电磁流量计（位号W.2.1）和流量调节阀（位号W.3.1），用以检测和控制进水流量。

2.2 排水管路

从炉顶钢圈接两路（或四路）出水口，用管道连接合并成一路，进入到气水分离器，然后经U形水封排出到集水槽。U形水封装置主要由气水分离器、沉淀罐和相应的检测原件组成，U形管的有效高度抵消布料器内部的压力，从而使冷却水顺利从布料器内部排出同时不会击穿水封，该管路设置有回水电磁流量计（位号W.2.2）、气水分离器（位号W.13.1）及沉淀罐（位号W.14.1）。为了保证检修时布料器冷却水流通顺畅，需保证气水分离罐到高于水封出水口（h），低于炉顶钢圈法兰高度（同时具有不小于1：10的斜度）。

2.3 回气管道

回气管道的主要作用的连接气水分离器，使罐内气压与布料器内压力相等，保证冷却水能顺利流出到气水分离器。

2.4 流量计布置

在布置管道时需要注意回水流量计（位号W.2.2）安装在竖直管道上，且必须布置在U形水封管路的上升管区域（因流量计只能检测满管流介质，水溶液中若存在气体会极大地影响流量计的检测准确度）。

2.5 水封高度计算

1）按照液体压强公式

式中：P—布料器内部的压力，Pa；

ρ—介质密度（35℃），994kg／m3；

g—重力加速度，9.8N／kg；

H—水封有效高度，m。

假设设计压力P＝0.28×106Pa（0.28MPa），代入公式得Hmin＝28.7m。为防止炉顶压力波动（约0.05MPa）引起水封击穿，水封有效高度应预留一定的富裕量（约5m），即水封的有效高度应≥33.7m。

2）核算管路阻力损失［2］

BCQ布料器根据喉管直径分为多个系列，此处按照DN650布料器流量20m3／h进行核算。

上升管中冷却水的流速为：

取管壁绝对粗糙度ε＝0.3mm，ε／d＝0.3／100＝0.003。

根据湍流时摩擦系数λ的计算公式：

同时结合查表得λ＝0.065。

局部阻力损失：

式中：u—介质流速，m／s；

V—介质流量，kg／m3；

d—管道通径，m；

ρ—介质密度（35℃），kg／m3；

μ—介质运动粘度（35℃），Pa·s；

λ—摩擦系数；

l—管道长度，m，折合后按照80m计算；

ζ—阻力系数，见表1。

表1 管道局部阻力系数

3）核算h差值

为保证水流稳定流动，水封出水口需保证流速u，根据管路阻力损失核算h的最小值。

预留1.5倍安全系数，h取3.4m。

即高炉在休风期间，为了能让布料器冷却水流动顺畅需要保证布料器下法兰与水封出水口高度差约3.4m。

2.6 缺陷

开式水冷系统在国内使用的非常普遍，虽然受限于各家高炉自身条件不同，但是关于水系统出现过的事故共同点却是一致的。

首先最常出现的是水封击穿问题（即水封失效，高炉煤气随出水管道流动到大气环境当中）；其次水封出水水流呈现不稳定的状态；最后水系统使用年限久之后，出现管道堵塞且无法在线处理，引起布料器向高炉内部漏水。

3 优化改造

3.1 增加局部管道通径

BCQ布料器钢圈排水一般接≥2个管口（DN100）。改造后，炉顶钢圈出水汇合后的钢管（排水管路）由DN100改为一根DN150的钢管，并且把U型水封下水管也由DN100改为DN150（如图2所示），保证了管内气体回流顺畅，并且下水管直径大于上水管直径，可起到一定缓冲作用，能更好地适应管内压力波动，避免水封击穿。

图2 U形水封改进前后示意图

3.2 增加补水球阀

在底部沉淀罐的上方增加一个常闭球阀（位号W.15.1），连接沉淀罐附近的高压水源，方便沉淀罐排污后及时补水。在U形水封发生击穿事故时，可以打开该球阀给水封管道内强行补充高压水，直至出水口出水均匀无气体为止，该方法无需高炉减小风压，且可以快速恢复水封，减小水封击穿带来的影响。

3.3 增加管道冲洗通道

将布料器进水管路与排水管路连通起来，如图3所示，中间设置一个常闭球阀（位号W.1.9）隔断。在排水管路发生堵塞或者流水不畅时，将布料器进水管路阀门（位号W.9.1、W.9.2）、排水管路阀门（位号W.11.2）、回气管路阀门（位号W.10.2）关闭，打开常闭球阀（位号W.1.9）进行管路冲洗。尽量在休风时进行该操作，若在正常生产时操作需要注意布料器断水时间不应超过1小时。该改进可以实现水冷管道在线冲洗、疏通管道，避免布料器发生漏水事件。

图3 改进后的开式水冷系统原理图

3.4 出水管增加坡度

U形水封出水口管段（上升管顶端到集水槽），设置成倾斜管路，斜度应大于1∶10，便于出水顺畅和顶部排气，从而保持出水口水流稳定。

3.5 水封上升管增加流量计

冷却水系统应设置回水流量计，与进水流量做比较，并在高炉中控室进行实时监测，在发生问题时具备分析手段和提升处置办法的可操作性。

4 常见事故分析及处置

4.1 水封击穿

水封击穿在开式水冷系统中比较常见，其主要原因是高炉炉顶压力波动引起水封高度急剧变化或高压气体与冷却水混合带来水封击穿。

1）水封击穿首先要排查气水分离罐。排水管道流经气水分离罐时，气体和液体在罐内和竖直下降管内进行分离，气体沿着顶部的回气管路回到布料器（也可以理解为均压管路），若顶部回气管路堵塞，将引起气、水混合从而带来水封击穿。

2）底部沉淀罐进行排污，按照正确的操作流程将沉淀罐内积累的灰沙、油污清理干净并续入半净水。

3）管道布置不合理。开式水冷中回气管路在任何地方都应处于排水管路的上方，便于水、气分离且回气顺畅。

4）部分厂家的水封有效高度无法达到设计要求也是引起击穿的一个主要因素。若顶压高或者顶压波动较大，水封有效高度明显不足问题出现时可以按照以下三个方案进行改造：

1）将图3中U形水封上升管阀门（位号W.12.1）的开度减小。在保证回水流量计与进水流量计数值一致（或保持固定差值）的前提下将阀门开度调整到最小，这样给水封管路增加了缓冲能力，在压力波动较大时不至于引起击穿。

2）考虑加大气水分离罐的容积。采用一个容积约2m3水罐（附带液位计）作为气水分离罐。在水罐底部增加一个手动球阀，待炉顶顶压稳定后，全关该手动球阀使水罐蓄水至约2／3容积，然后手动缓慢打开该手动球阀（保持水罐内至少有1／2液位），直至回水流量与进水流量保持一致。

3）考虑抬高水封出水口。水封出口采用双管道并联，一处管道处于原平台，另一处抬高到下密平台。如图4所示，原出水口增加一个阀门（位号W.16.1，带远程控制），并与原管道并联一处有效高度为H1的管道，H1具体值应满足H＜H1＜2×（H－5），根据炉顶压力决定阀门（位号W.16.1）是否开启。需要特别注意的是在炉顶休风之前应强制阀门（位号W.16.1）处于开启状态，以防布料器向高炉溢水。

图4 抬高水封出水口示意图

5）发生水封击穿后，快速恢复水封的办法（无需减风）。打开沉淀罐常闭球阀（位号W.15.1）给水封管道内强行补充高压水，直至出水口出水均匀无气体为止，该方法无需高炉减小风压且快速有效。

4.2 布料器溢水及水封出水水流不稳定

如果布料器发生溢水现象一般的情况下也会伴随水封出水水流忽大忽小、甚至断流，密封氮气流量和压力与顶压不匹配、操作流程不当都会引起该问题的发生。

1）布料器密封氮气的压力（及流量）与顶压不匹配。易发生在炉顶设备调试阶段或者顶压逐渐升压的过程中，主要原因是氮气气源压力减压阀阀后压力高或者无减压阀，在顶压升压初期布料器密封环缝处流速过快，将冷却水带进高炉形成雨幕式溢水（从炉内成像上能看到水滴）。所以在高炉压力较低时，需要控制氮气的流量或减压阀阀后压力，在高炉压力恢复正常值后，再将流量或者减压阀阀后压力调整到设计值。

高炉炉顶压力较低时，若布料器水流量过大，也会引起布料器溢水，初始水流量应小于5吨／小时，待炉顶压力稳定后再逐步增加供水量至需求值［3］。

2）布料器进水口供水压力不足，引起水封呼吸。部分用户布料器进水口供水压力按照高于高炉顶压0.1MPa（约0.3～0.4MPa），但是因进水流量会随着布料器内压力的升高而降低，部分用户的水质情况较差引起进水管路堵塞，所以在条件允许情况下，建议将布料器进水口的压力调定在0.6MPa以上（至少应高于顶压0.2MPa），利用高压水确保进水的稳定性。

3）水封出水管管路水平管道过长或斜度较小。当炉内压力波动时，水封内的水位随之产生波动，过长水平管道造成水流时断时续甚至断流。水封出水上升管应尽量靠近集水槽，且不得存在水平管道，应设置大于1：10的斜坡管道，且管道越长斜度应越大。

5 结论

分析了布料器开放式水冷系统特点及漏水原因；并从设计原理出发，于管道布置方面消除不良因素，提出增加局部管路内径，控制阀门开度等手段来减少水封击穿事故发生的几率；增加补水球阀实现不减风的情况下快速恢复水封的方案；增设自循环管路实现管路自循环和自清洗方案，在保障水冷系统的正常运行的同时给出现异常问题后的快速应对提供了基础条件。