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        熱氨融霜過程液擊測試系統(tǒng)研究

        2021-03-23 08:25:36劉婷玉余迅
        現(xiàn)代鹽化工 2021年6期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)研究

        劉婷玉 余迅

        關(guān)鍵詞:熱氨融霜;液擊機(jī)理;測控系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)研究

        氨憑借良好的熱力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)。迄今為止,其形成裝備尚未得到解釋,相關(guān)研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。郭吉林等[1]建立了描述熱氨融霜過程中回氣總管內(nèi)具有相變的多相分層流動液擊形成過程的理論模型,并通過數(shù)值模擬解釋水錘壓力和深度[2-3]。利用測控參數(shù)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對熱氨分解過程中的多相層流形成過程[4]進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證模擬結(jié)果與理論模型的可靠性。

        1 熱氨融霜過程液擊測試實(shí)驗(yàn)檢測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        熱氨流入速率和加速度[5]是影響充氣過程中回氣管內(nèi)液體錘擊壓力的關(guān)鍵變量,必須要準(zhǔn)確測量和控制熱氨流入速度[6],測控原理如圖1所示。旋渦流量計(jì)應(yīng)選用HW-LUX-50型智能循環(huán)儀,輸出4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號,插入AI808P A N14型XS LS XS XS智能控制器,控制熱氨吸入過程和進(jìn)水量的突然增加。控制器向相對電流控制閥發(fā)出4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號,通過調(diào)節(jié)閥的開啟高度控制熱氨進(jìn)口流量。相對電流控制閥型號為ZDLP-40P-DN50。熱氨進(jìn)口流速測控系統(tǒng)如圖1(b)所示。

        通過測量回氣總管液位,預(yù)測衰變氣頭中剩余的低溫液氨填料。船舶氣帽的液位用不銹鋼穿透涂層儲熱視鏡顯示和測量,輸入信號為20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。

        2 熱氨融霜過程液擊測試方法

        在液擊實(shí)驗(yàn)過程中,用智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的智能電路表測量熱氨流量4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號,并發(fā)送給智能控制器,智能控制器發(fā)送20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流控制電壓信號到電流控制開關(guān)。通過熱氨蒸汽流量速度斜線充量曲線,實(shí)現(xiàn)對熱氨蒸汽流量和加速度的控制和檢測。由于熱氨進(jìn)口流量突然增大,低溫液氨與熱氨蒸汽直接接觸,接觸面會發(fā)生較大的相變,不可避免地在液面形成液錘。

        3 熱氨融霜過程液擊測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及探討

        3.1 手動開啟熱氨進(jìn)口閥的熱氨沖霜液擊實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)

        低溫液氨殘留填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.0%,熱氨進(jìn)口流速突增,后部空氣壓力迅速增加到1.70 MPa。設(shè)置電動流量控制閥處于完全開啟狀態(tài),壓力迅速下降到0.60 MPa,與熱氨進(jìn)口工作壓力0.60 MPa達(dá)到平衡。

        3.2 智能流量分段控制電動流量控制閥開啟的熱氨沖霜液擊實(shí)驗(yàn)

        本實(shí)驗(yàn)低溫液氨殘留填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.0%,圖2為熱氨進(jìn)口流量的設(shè)定曲線。在恒定的加速度下,熱氨流入速度從0 m/s突然增大到最大流量24.5 m/s。

        當(dāng)電動控制閥開啟時(shí)間為6 s時(shí),封頭頂部液擊壓力出現(xiàn)兩次突然大幅波動,分別為0.80 MPa和0.90 MPa。由于熱氨進(jìn)口自動流量控制系統(tǒng)的過度調(diào)整和校正,電動流量控制閥的開度突然變化,也會造成液擊。

        3.3 增設(shè)緩沖罐對熱氨沖霜液擊影響的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程與之前基本相同,1、2閥關(guān)閉,設(shè)置動力閥。

        在實(shí)驗(yàn)過程中,手動快速打開沖霜閥,熱氨進(jìn)口流量突然從0 m/s增大到最大流量24.5 m/s,然后保持在24.5 m/s??梢?,在回氣總管末端增加一個(gè)緩沖罐,可以降低回氣總管沖霜產(chǎn)生的最大流體壓力。

        3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        經(jīng)回氣總管沖霜液擊實(shí)驗(yàn),控制模擬結(jié)果如圖3所示。但實(shí)驗(yàn)測得的錘中最大液擊壓力為1.90 MPa,仿真結(jié)果與實(shí)際工況相符。

        3.5 熱氨融霜過程液擊測試事故原因

        在熱氨融霜過程中,最重要的環(huán)節(jié)是蒸發(fā)器盤管的排液。如果蒸發(fā)器盤管內(nèi)的氨液沒有降到安全水平以下,熱氨閥打開過快,會造成熱氨沖擊。因此,事故原因一是液擊沖擊,二是低溫脆斷。

        3.6 熱氨融霜過程液擊測試液擊產(chǎn)生機(jī)理

        正常操作情況下,在熱氨融霜前,應(yīng)緩慢少量開啟熱氨沖霜閥,依靠緩慢注入的帶壓(約0.70 MPa)熱氨氣,將單凍機(jī)和凍結(jié)間排管中的液氨倒壓回排液桶或循環(huán)桶。

        3.7 熱氨融霜過程液擊測試低溫脆斷機(jī)理

        低碳鋼在常溫下具有較高的韌性和較強(qiáng)的抵抗斷裂能力,但在低溫時(shí)韌性極低,受沖擊極易產(chǎn)生脆性開裂。正常使用時(shí),單凍機(jī)蒸發(fā)器在一臺冷凍機(jī)內(nèi),氣液平行上升,壓力約為0.06 MPa,蒸發(fā)器溫度約為480 ℃,一臺冷凍機(jī)金屬壁背氣頭溫度約為450 ℃;冷凍中間管內(nèi)介質(zhì)呈氣態(tài),壓力約為0.01 MPa,管內(nèi)蒸發(fā)溫度約為﹣350 ℃,主氣頭金屬壁溫度約為﹣320 ℃。

        3.8 熱氨融霜過程液擊測試改進(jìn)建議

        凍氨事故的起因是生產(chǎn)工藝的發(fā)展對操作和材料選擇的變量要求提高,設(shè)計(jì)改進(jìn)和操作要求跟不上時(shí)代發(fā)展,下面提出兩點(diǎn)建議。

        3.8.1 材料選擇

        根據(jù)GB 50072—2010《冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范》,正常運(yùn)行時(shí),氨冷卻系統(tǒng)低溫側(cè)管基本處于低溫低負(fù)荷工況,但在熱耗盡氨工況下,管壁溫度約為﹣35 ℃,20#鋼的抗沖擊性能較差。因此,特別是對壁厚在5 mm以上的主氣頭的管道、焊接材料和閥門,應(yīng)該選擇低溫性能較好的材料,如奧氏體不銹鋼管(CoCrl8Ni9),如果仍然使用碳,普通鋼材料應(yīng)確保抗低溫脆性斷裂性能。

        3.8.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

        (1)流量限制。產(chǎn)生液擊的能量來自熱氨,不僅減緩了熱氨進(jìn)入頭部回到氣體中的速度以及熱氨和冷氨的混合速度,還減少甚至消除了局部真空成分,從而降低了氣體壓力。

        (2)裝設(shè)安全保護(hù)裝置。在頭部氣頭上放置壓力表,監(jiān)測熱氨充氣過程中的壓力;安裝溫度計(jì),監(jiān)測充氣過程中的管壁溫度。同時(shí),必須安裝能防止超壓和脫水的控制裝置。

        (3)操作要求。嘗試使用自然解凍或防水劑輔助。蒸發(fā)器中的液氨被吸入主氣管內(nèi)形成液柱,同時(shí)控制回路筒或泄油室的液位,避免壓縮機(jī)氣缸爆炸。

        4 結(jié)語

        通過設(shè)計(jì)熱氨融霜液擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對熱氨沖霜液擊的形成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到以下結(jié)果:(1)在熱氨進(jìn)口處,熱氨結(jié)霜處理壓力為0.60 MPa、冷卻系統(tǒng)溫度為﹣24 ℃、熱氨進(jìn)口溫度為30 ℃時(shí),分離器形成明顯的熱氨沖霜液擊現(xiàn)象。(2)調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于熱氨流量自動操作系統(tǒng)的過度調(diào)整和校正,電動流量控制閥的開度突然變化,也可能導(dǎo)致明顯的液壓錘,氨氣進(jìn)氣流量的自動控制很難消除后部空氣中的液錘現(xiàn)象。(3)在回油管末端加裝緩沖器,可使回油管結(jié)霜產(chǎn)生的最大液壓沖擊壓力由1.80 MPa降到1.30 MPa,降低了27.8%。熱氨霜漂浮沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)作者建立的硬件模型和數(shù)值模擬方法公平可靠。

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