基于TRIZ理论的煤气冷凝水排水器的改进设计

基于TRIZ理论的煤气冷凝水排水器的改进设计

江茂强

（中冶南方工程技术有限公司能源环保分公司湖北武汉430223）

摘要：应用TRIZ理论，通过发现问题、分析问题、解决问题的创新流程，对煤气冷凝水排水器的结构设计进行了研究。

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关键词 ：TRIZ；煤气冷凝水排水器；系统分析；矛盾矩阵；物—场模型

中图分类号：TH122文献标识码：Adoi：10.3969／j.issn.1665－2272.2015.16.050

在冶金企业中，各种煤气作为炼铁、炼钢、炼焦的副产物，被大量的回收使用。煤气中含有一定量的机械水，由于煤气温度和压力的变化，部分水分从煤气中冷凝出来，成为液态水，存积在管道中。这些冷凝水将给管道带来了不利的影响，为了及时排出煤气管道内的冷凝水，工程中都设计有冷凝水排水器。由于传统水封式排水器存在抗冲击能力较弱、煤气泄漏危险性大的缺点。因此，改进传统排水器，成为攻关的课题。

根据相关规定，煤气管道排水器应具有以下的功能：及时、顺畅地排水；能有效防止煤气泄漏带来的危害；具有良好的耐击穿性能；具有一定的保安释压能力；便于清理进入排水器的灰渣、油泥；操作简便，维护工作量小；结构简单，抗污染力强；制造、运行和维护成本低；便于收集、处理污水和污泥，环保节能性能好。

本文应用先进有效的创新设计方法学——TRIZ理论，对煤气冷凝水排水的设计进行了改进。

1TRIZ理论

TRIZ的中文含义为“发明问题解决理论”，由创始人阿奇舒勒在通过对200万份专利的研究中整理得出。TRIZ理论打破了创新的神秘感，指出创新不是随机的灵光一现，不是靠顿悟，而是有章可循的；它是一种解决发明问题的普适方法，具有通用性和一般性，是一种在全世界都在普及应用的一种高效的创新方法。TRIZ理论对创新问题的解决流程是：首先分析问题，其次针对问题模型利用中间工具找到解决方案模型，再把解决方案模型转化为本领域问题解，最终提出方案解。本文主要基于以下三种创新方法的解题过程：基于系统分析得到裁剪方案；基于“物－场”分析和标准解法；基于矛盾分析、利用创新原理得到解决方案。

2煤气排水器项目描述

2.1项目一般性描述

煤气排水器工作原理如下：煤气排水器通过入口管收集煤气管道内的冷凝水，然后通过排水管排出；煤气有毒，通过排水器内的水压密封煤气；隔板将筒体分为两室，排水器水封高度为H1＋H2，满足H1＋H2＞P（煤气压力），即可密封住煤气；若因天气炎热或冷凝水量较少，排水器内液位下降

不能满足水封高度时，通过两种方式补水，一是外部接给水管连续给水，二是通过补水漏斗人工定时补水；在北方冬天天气寒冷地区，通过蒸汽管18向排水器内通入蒸汽防止排水器内结冰。

2.1现存问题

包括：排水器水封高度在正常情况下，此时若煤气压力突然增大，会造成煤气击穿水封，而低压室补水口和排水口均为敞口，则煤气直接泄漏；煤气压力在正常情况下，排水器在北方寒冷地区运行，采用蒸汽伴热或电伴热保温，因蒸汽伴热或电伴热温度较高，排水器长期运行后，排水器内部冷凝水蒸发，会使排水器内水封高度降低，此时若补水不及时，煤气极易击穿水封造成煤气泄漏事故；排水器内隔板或内水封管腐蚀造成水封降低，致使煤气击穿水封泄漏煤气。

3基于TRIZ的改进设计

3.1基于系统分析的方法

系统分析采用价值工程的方法，以阿奇舒勒定义的理想度为衡量标准，通过评估有用作用、有害作用及成本，来确定组件的理想度。然后找出系统中价值低的组件，实施裁剪，继而优化系统功能，减少实现功能的消耗，使系统以很小的代价获得更大的价值，从而提高系统的理想度。

图1为系统组件模型图，揭示了系统中各组件功能及相互关系。

通过价值分析和理想度计算，为了简化和理想化系统，建议按照以下顺序删除／改善系统组件：系统组件补水口、系统组件水封、系统组件补充水、系统组件排水器出口、系统组件水封管、系统组件隔板、系统组件排水器入口。其中理想度计算公式如下：

裁剪方案：裁减掉水封，即与水封相关的补充水和补水口、隔板、连通管等物理实体被裁减掉，采用其他密封方式来实现密封煤气的功能：在排水器出口安装一个阀门，与筒体液位连锁，待筒体液位高于一定液位时排水口阀门自动打开排水，低于该液位时，阀门则关闭。

3.2 基于“物—场”分析和76个标准解法

“物—场”模型：是指用物质和场的形式来表示技术系统中任意系统的模型，它是TRIZ中解决问题的高级工具。在“物质—场”模型的定义中，物质是指某种物质或过程，可以是整个系统，也可以是系统内的子系统或单个物体，甚至可以是环境，取决于实际情况。而场是指完成某种功能所需的手段，通常是一些能量形式，如：磁场、重力场、机械场、声场、电场、热场、化学场等等。

“物—场”分析揭示了技术系统的功能机制，描述技术系统中不同元素之间发生的不足的、有害的、过度的和不需要的相互作用。针对这些问题，阿奇舒勒在TRIZ研究的后期发现、总结了76个标准解法，按照所解决问题的分类分为5大级，18个子级，建立起标准解法系统。

应用“物—场”分析的步骤为：明确问题发生的部位；建立问题的物场模型；应用相应的标准解法，从76个标准解中选择一个最恰当的解；得到解决方案的物场模型，充分利用挖掘其他知识工具实现问题转换，解决问题。

针对转化问题“如何改善隔板底部腐蚀问题”，明确问题部位：隔板分割高压室和低压室，煤气冷凝水中的腐蚀性物质沉积在高压室底部，低压室底部基本无沉积物，造成在隔板的底部两侧形成电位差，形成电化学腐蚀。因此问题部位是隔板的底部。

建立物场模型，分析标准解，采用物场模型的构建与破坏解法，得到下面的技术方案。

方案：通过引入S1或S2的变形来消除有害作用。

方案描述：在隔板底部设置倒V形隔板，利用空气将隔板两侧的高低电位势分割开，消除隔板底部的电化学腐蚀。

3.3运用矛盾分析法和创新原理得到解决方案

（1）针对转化问题“排水器筒体的腐蚀有害作用”为入手点解决问题，初步构思：增加排水器筒体厚度，增强排水器筒体的抗腐蚀性。此方案改善了“强度”，但同时恶化了“静止物体的重量”，即产生了技术矛盾。利用矛盾矩阵查找创新原理，得到以下方案。

方案：利用复合材料原理

方案描述：用玻璃钢材料代替传统的钢铁材质的排水器材质。玻璃钢材质采用的是优质树脂作为制作原料。强度高，耐腐蚀，使用寿命长。

（2）针对转化问题“增加排水器的水封压力”为入手点解决问题，我们初步构思：增加隔板，增加了水封高度，即提高了排水器的水封压力。此方案改善了“压强”，但同时恶化了“系统可靠性”，即产生了技术矛盾。利用矛盾矩阵查找创新原理，得到以下方案。

方案：利用预先作用原理

方案描述：在排水器筒体底部增加一个储污室，将入水管口插入底部储污室，预先将具有腐蚀性的杂物沉淀在污物室，腐蚀性的杂质与隔板完全隔离开，并且可以定期将杂质完全从下部清理干净，该方案可有效减轻对隔板的腐蚀。另外，本方案设置支腿支撑的方式，将排水器筒体底部架空，也可有效减轻了排水器筒体底部的腐蚀。

4结语

本文采用发明问题解决理论（TRIZ理论）对煤气冷凝水排水器的结构存在的问题进行了探索研究，运用系统分析方法、矛盾矩阵法、物－场模型等分析方法，得到了几种切实可行的解决方案。TRIZ理论可以有目标的解决在科技创新中无法解决的问题，与漫无边际的试错法相比，TRIZ工具的使用，使创新有迹可循，以系统内资源的充分利用，减少了资源的浪费，节省了宝贵的时间，为科技研发创新创造了新的途径。

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参考文献

1程前进，宋吉国.煤气排水器危险因数分析及对策［J］.煤气与热力，2012（6）

2刘训涛，曹贺，陈国晶.TRIZ理论及应用［M］.北京：北京大学出版社，2011

（责任编辑亢婷婷）