摘要：概述了吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)在煤氣化裝置中的應(yīng)用，通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程和不可壓縮流體的一般能量方程，深入剖析了吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)在氣體和液體吹掃應(yīng)用中量程確定的關(guān)鍵步驟。以實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的條款，分別闡述了吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)在氣體和液體吹掃應(yīng)用中量程的選擇過(guò)程；并且澄清了在氣體吹掃應(yīng)用中，吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)在量程選擇時(shí)容易犯的兩個(gè)錯(cuò)誤；同時(shí)探討了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在液體吹掃應(yīng)用時(shí)的局限性。
煤氣化裝置中煤粉輸送管線內(nèi)介質(zhì)為被載氣流化的煤粉，如果直接采用導(dǎo)壓管的形式測(cè)量管道內(nèi)的壓力，煤粉極易堵塞取壓管線；黑水或激冷水中不僅含有易堵塞取壓管線的固體顆粒物，而且具有較強(qiáng)的腐蝕性，如果變送器測(cè)量元件與之長(zhǎng)時(shí)間直接接觸，會(huì)因?yàn)槟p和腐蝕的雙重影響大幅縮短壽命。因此，必須在變送器取壓通道和工藝管道之間利用中間介質(zhì)進(jìn)行隔離。工業(yè)應(yīng)用中通常采用吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)將中間介質(zhì)引入取壓管線內(nèi)，可達(dá)到既不影響測(cè)量精度，又可對(duì)測(cè)量管線和變送器起到保護(hù)作用的目的。
１、吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作原理
吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)由恒流閥、針型閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)三部分組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)公用物料站有穩(wěn)定的吹掃介質(zhì)輸出時(shí)，可以認(rèn)為吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的入口壓力是恒定的。對(duì)恒流閥中的隔膜進(jìn)行受力分析如下：
F1=p2A+p3A1+F(1)
式中:F---閥球下方彈簧的彈力;A--隔膜截面積;A1--閥球截面積;p2----吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)恒流閥上殼室壓力;p3---吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)出口壓力。
2)隔膜受到向上的作用力為
F2=p1A+p2A1(2)
式中:p1--吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)入口壓力。
3)當(dāng)隔膜上下受力平衡時(shí),即F1=F2:
p2A+p3A1+F=p1A+P2A1(3)
式(3)變形得:
P1-p2=F/A-A1(p2-p3)/A(4)
由于A1遠(yuǎn)小于A,因而A1(p2-p3)/A可以忽略不計(jì)，同時(shí)F和A都是恒定值,故p1-p2也為恒定值,即流量不會(huì)因?yàn)槌隹趬毫Φ淖兓兓?上述即吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理。
2轉(zhuǎn)子流量計(jì)氣體吹掃應(yīng)用分析
2.1應(yīng)用概述
氣體介質(zhì)的壓力測(cè)量通常采用導(dǎo)壓管的形式,帶吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的壓力變送器導(dǎo)壓配管安裝如圖2所示。
圖2中吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)入口的吹掃N2具有恒定壓力，吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的出口接管和調(diào)節(jié)裝置(恒流閥、針型閥)構(gòu)成了1個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)回路。在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，人工調(diào)節(jié)吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)上的針型閥,使吹掃N2以合適的流速通過(guò)取壓口往工藝管道或設(shè)備內(nèi)流動(dòng)，以防止顆粒物進(jìn)入導(dǎo)壓管。吹掃N2可以正向流動(dòng)，說(shuō)明導(dǎo)壓管內(nèi)的吹掃N2壓力大于工藝介質(zhì)的壓力，即變送器測(cè)量的壓力值要大于工藝介質(zhì)的壓力;只要把吹掃N2與工藝介質(zhì)的實(shí)際壓力誤差控制在工程可以接受的范圍內(nèi)，測(cè)量的精度仍然可以保證。
當(dāng)系統(tǒng)波動(dòng)導(dǎo)致工藝管線中介質(zhì)的壓力增大時(shí)，吹掃N2的體積流量會(huì)瞬間減小,使得導(dǎo)壓管內(nèi)壓力增大,反饋回路將該壓力變化反饋給調(diào)節(jié)裝置,調(diào)節(jié)裝置就會(huì)增大吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)出口處N2體積流量,直到吹掃N2體積流量值回歸正常;反之,系統(tǒng)波動(dòng)導(dǎo)致工藝管線中介質(zhì)的壓力減小時(shí),吹掃N2的體積流量會(huì)瞬間增大,將導(dǎo)壓管內(nèi)的壓力拉低,調(diào)節(jié)裝置檢測(cè)到該變化,就會(huì)減小吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)出口處N2體積流量,直到吹掃N2體積流量值回歸正常。
因此,不管工藝介質(zhì)的壓力如何變化，只要保證吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)出口N2的流速或者體積流量不變,就可以認(rèn)為吹掃N2的壓力即為工藝介質(zhì)的壓力,上述即吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的應(yīng)用原理。
2.2理想和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體流量換算
氣體介質(zhì)流量通常采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量來(lái)計(jì)量,由于工藝專業(yè)給出的吹掃氣體數(shù)據(jù)一般是操作狀態(tài)下的值,因而在計(jì)算過(guò)程中需要使用式
(5)所示的理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行換算:
pV=nR(273+t)(5)
式中:p---理想氣體的絕壓,Pa;V---理想氣體的體積，m3;n---氣體的物質(zhì)的量,mol;R---理想氣體常數(shù),R=8.314Pa·m/(mol·K);t---理想氣體的溫度,℃
式(5)可以變形為
對(duì)于定量的氣體,n是不變的,R為常數(shù),所以定量氣體在操作狀態(tài)下和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下變換等式為
式中:p操作---理想氣體操作狀態(tài)下的絕壓，Pa;V操作,-理想氣體操作狀態(tài)下的體積,m³;t操作理想氣體操作狀態(tài)下的溫度,℃;p標(biāo)況---理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕壓,Pa;V標(biāo)況---理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積,m³。
式(6)兩邊同時(shí)除以時(shí)間t,得到關(guān)于理想氣體操作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量的等式:
式中:qv操作---理想氣體操作狀態(tài)下的體積流量，m³/h;qv標(biāo)況---理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m³/h。
由式(7)可推導(dǎo)出操作狀態(tài)下和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理想氣體體積流量換算關(guān)系:
2.3應(yīng)用案例
某煤氣化裝置的煤加壓及進(jìn)料工序中的吹掃N,工藝參數(shù)見(jiàn)表1所列。吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的出口接管內(nèi)徑D1=6mm,儀表專業(yè)需要根據(jù)這些工藝參數(shù)和相關(guān)管徑選取量程合適的吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。
2.3.1吹掃N2操作狀態(tài)下的正常流速
首先必須確定吹掃N2操作狀態(tài)下的正常流速ʋ操作，ʋ操作決定了qv操作，是選取轉(zhuǎn)子流量計(jì)合適量程的前提條件。ʋ操作,qv操作,D1存在如下關(guān)系:
qv操作=3600(πD21ʋ操作/4)(9)
不同規(guī)范對(duì)該流量值的描述有所區(qū)別。HG/T20515--2014《僅表隔離和吹洗設(shè)計(jì)規(guī)定》與APIRP551-1993ProcessMeasurementInstrumentation均規(guī)定吹掃氣體的流速在0.02~0.20m/s內(nèi)選取;而SH3021-2013《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定,對(duì)于一般流量、液位和壓力測(cè)量的吹氣速度宜為0.2~0.3m/s。為了避免各規(guī)范中數(shù)據(jù)不同而產(chǎn)生的爭(zhēng)議，選擇幾個(gè)規(guī)范中數(shù)據(jù)重合部分的值作為吹掃N2操作狀態(tài)下的正常流速較為合適，即ʋ操作=0.2m/s。
2.3.2吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程選擇
1)對(duì)于低壓吹掃N2,根據(jù)式(9)可計(jì)算出低壓吹掃N2在操作狀態(tài)下的正常體積流量qv(L-操作)=0.020m³/h,利用式(8)將qv(L-操作)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量qv(L-標(biāo)況):qv(L-標(biāo)況)≈0.02m³/h,則該低壓N2吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的量程可選擇為0.01~0.10m³/h。
2)對(duì)于高壓吹掃N2,仍然選擇ʋ操作=0.2m/s,根據(jù)式(9)計(jì)算得qv(H-操作)=0.0203m³/h。將工藝介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(8)中,計(jì)算出該高壓N2吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的正常體積流量值qv(H-標(biāo)況;≈0.74~0.77m³/h,則該高壓N2吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的量程可選擇為0.6~6.0m³/h。
以上選擇的吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程的下限與正常流量值很接近,緣于理論計(jì)算做了理想化的近似,且不考慮所有的外部影響和干擾。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中,吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的體積流量應(yīng)有足夠的上調(diào)空間，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)際工況。
2.4注意事項(xiàng)
2.4.1謹(jǐn)慎使用專利商提供的數(shù)據(jù)
由于專利商工藝包中給出了低壓和高壓吹掃Nz操作狀態(tài)下的質(zhì)量流量正常值,其中低壓N2的qm(L-操作)=1.7kg/h，高壓N2的qm(L-操作)=5.9kg/h。其中低壓吹掃N2的ρL=5.36kg/m³,高壓吹掃N2的ρH=82.6kg/m³,進(jìn)而利用式(8)可換算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，并作為吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程的選擇依據(jù)。
但是,專利商提供的數(shù)據(jù)是否合適有待進(jìn)一步考證，若盲目使用可能使計(jì)算結(jié)果會(huì)有偏差，從而導(dǎo)致吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)選型錯(cuò)誤。通過(guò)將低壓和高壓吹掃N,操作狀態(tài)下的質(zhì)量流量值換算成操作狀態(tài)下的流速值，并且判斷該流速是否合理或者是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即可驗(yàn)證專利商提供的數(shù)據(jù)是否合適。
1)對(duì)于低壓吹掃N2,首先計(jì)算qv(L-操作):
qv(L-操作)=qm(L-操作)/ρL=0.317(m³/h)
該體積流量除以吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)出口接管的流通截面積S即可計(jì)算出Ʋ(L-操作):
Ʋ(L-操作)=qv(L-操作)/S=11217.27(m/h)=3.12(m/s)
2)高壓吹掃N2流速計(jì)算方法與低壓吹掃N2一致,得出Ʋ(H-操作)=0.7m/s.
由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，低壓和高壓吹掃N,操作狀態(tài)下的流速均大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)氣體吹掃介質(zhì)流速的規(guī)定范圍,且Ʋ(H-操作)比相關(guān)標(biāo).準(zhǔn)規(guī)范中數(shù)值大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果按上述計(jì)算的流速進(jìn)行吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)選型，會(huì)使吹掃N2的壓.力與工藝介質(zhì)的壓力之差遠(yuǎn)大于工程測(cè)量的允許范圍,造成較大的測(cè)量誤差，輕則導(dǎo)致控制系統(tǒng)頻繁報(bào)警,影響回路調(diào)節(jié)的品質(zhì)，重則可能引起裝置跳車,成為安全隱患。
2.4.2吹掃介質(zhì)操作壓力值選擇錯(cuò)誤
文中以低壓吹掃N2為例進(jìn)行說(shuō)明。表1中操作壓力有兩個(gè)值,弄清楚兩個(gè)值的意義,才不至于計(jì)算錯(cuò)誤。計(jì)算時(shí)應(yīng)采用工藝介質(zhì)正常操作壓力，否則將造成量程選擇錯(cuò)誤。
3轉(zhuǎn)子流量計(jì)液體吹掃應(yīng)用分析
3.1應(yīng)用概述
煤氣化裝置中液體吹掃的典型應(yīng)用是差壓法測(cè)量氣化爐激冷室液位。由于氣化爐激冷室內(nèi)的激冷水為復(fù)雜混合物，既含有易堵塞的固體顆粒.物，也含有腐蝕性成分,因此一般采用雙法蘭差壓變送器進(jìn)行測(cè)量。變送器負(fù)壓側(cè)法蘭隔膜與激冷室內(nèi)的氣相接觸,無(wú)需吹掃,而變送器正壓側(cè)法蘭隔膜則與激冷水接觸,必須引入沖洗水以防止取壓口堵塞影響液位測(cè)量，并延長(zhǎng)變送器的壽命。帶吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的雙法蘭差壓變送器安裝如圖3所示。
3.2分析方法
吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)用于液體吹掃時(shí)的分析手段與應(yīng)用于氣體吹掃有很大不同,需要運(yùn)用流體力學(xué)中不可壓縮流體的相關(guān)理論。如圖3所示,由于引入了液體吹掃介質(zhì)沖洗水，變送器的正壓測(cè)法蘭隔膜上測(cè)得的壓力不是參考面上的壓力,而是沖洗水的壓力。根據(jù)差壓法測(cè)量液位的原理，必須使點(diǎn)1處的沖洗水壓力等于參考面處的壓力。以參考面為基準(zhǔn),對(duì)1和2兩點(diǎn)間的沖洗水運(yùn)動(dòng)軌跡列出不可壓縮流體的一般能量方程得:
式中：ρ水---沖洗水的密度,kg/m³;g---重力加速度,m/s²;Pl水，P2水---分別為1和2兩點(diǎn)處的壓力,Pa;ʋl,ʋ2---分別為1和2兩點(diǎn)處的沖洗水流速,m/s;hf----總的壓頭損失,m;Z---相對(duì)參考面的液位高度,m。
由于點(diǎn)2在激冷室液面處的速度近似為零,即
ʋ2=0，則式(10)可簡(jiǎn)化為
3.3應(yīng)用案例
某煤氣化項(xiàng)目中,氣化爐激冷室內(nèi)的工藝數(shù)據(jù)包括:激冷水溫度為230℃;激冷室內(nèi)絕壓為4.6MPa;激冷水密度為895kg/m³。
3.3.1沖洗水最大流速的確定方法
測(cè)量該氣化爐激冷室液位的雙法蘭差壓變送器的安裝方式與圖3一致。同樣,在選擇吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程之前,需確定ʋ1。3.2節(jié)從理論上分析了ʋ1的大小不影響測(cè)量的結(jié)果,但在實(shí)際應(yīng)用中，ʋ1的選取應(yīng)該從兩個(gè)方面去考慮:
1)ʋ1值應(yīng)在合理范圍內(nèi)取小。在固定尺寸的流道內(nèi)如果ʋ1值越大,相應(yīng)流量也越大,吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的口徑可能會(huì)隨之增大,從而導(dǎo)致單臺(tái)流量計(jì)的投資加大。
1)ʋ1值應(yīng)在合理范圍內(nèi)取小。在固定尺寸的流道內(nèi)如果ʋ1值越大,相應(yīng)流量也越大,吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的口徑可能會(huì)隨之增大,從而導(dǎo)致單臺(tái)流量計(jì)的投資加大。
2)沖洗水的流態(tài)。儀表測(cè)量追求穩(wěn)定、擾動(dòng)小,這與沖洗水的流態(tài)關(guān)系密切,若沖洗水為層流時(shí),其流體形態(tài)穩(wěn)定;而當(dāng)沖洗水為湍流時(shí),流體微團(tuán)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致流體產(chǎn)生持續(xù)劇烈的擾動(dòng),給儀表測(cè)量帝來(lái)不利,應(yīng)當(dāng)盡量避免。
因此沖洗水處于層流態(tài)對(duì)測(cè)量較為理想，而臨界雷諾數(shù)Re臨界是液體層流態(tài)與湍流態(tài)的理論.分界點(diǎn),Re臨界=2300，根據(jù)Re臨界可以計(jì)算出ʋ1max計(jì)算公式如下:
ʋ1max=Re臨界V/D2(14)
式中:D2-沖洗水流道內(nèi)徑，法蘭接口尺寸為DN80,故D:=0.08m;ʋ1max--沖洗水最大流速,m/s;u--沖洗水運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s。
3.3.2吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程選擇
計(jì)算之前需要確定沖洗水的相關(guān)參數(shù)。由于沖洗水的量遠(yuǎn)小于氣化爐內(nèi)激冷水的量，因而當(dāng)沖洗水進(jìn)入氣化爐瞬間，其物理性質(zhì)即被氣化爐內(nèi)激冷水同化。取沖洗水的溫度t水=230℃,沖洗水的壓力p水=4.6MPa,沖洗水的密度ρ水=895kg/m³。
經(jīng)查詢《化工物性數(shù)據(jù)表》知，在溫度為230℃,壓力為4.6MPa條件下,水的動(dòng)力黏度μ=125×10-6Pa·s,運(yùn)動(dòng)黏度ʋ=μ/ρ水=1.4×10-7(m2/s)。將D,和u值代入式(14)計(jì)算得:
ʋ1max=0.0048m/s
若取ʋ1=0.5ʋ1max=0.0024m/s,則沖洗水的體積流量qv水為
故吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的量程可選為0.2~2.0m³/h。
3.4注意事項(xiàng)
圖3中所示的僅表根部閥建議采用全通徑球閥,因?yàn)榱鞯朗侵蓖ǖ?流阻小;如果換成流道是彎曲的截止閥,沖洗水在彎道處會(huì)產(chǎn)生不可忽略的損失,導(dǎo)致點(diǎn)1處的壓力與參考面處的壓力不.等,從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。
SH3021-2013《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定液體吹掃只適用于采用導(dǎo)壓配管安裝方式的儀表，并推薦了0.015m'/h和0.025m2/h這2個(gè)吹掃流量值;而HG/T20515-2014《僅表隔離和吹洗設(shè)計(jì)規(guī)定》與APIRP551- 1993ProcessMeasurementInstrumentation均規(guī)定當(dāng)吹掃介質(zhì)為液體時(shí)，吹掃流量范圍為0.0014~0.0140m2/h。雖然2項(xiàng)規(guī)范中沒(méi)有說(shuō)明該吹掃流量范圍所適用的儀表安裝形式,但該流量范圍值與SH3021-2013《石油化工僅表及管.道隔離和吹洗設(shè)計(jì)規(guī)范》的推薦值數(shù)量級(jí)一致,因此應(yīng)該也只適用于采用導(dǎo)壓配管安裝形式的僅表。
如果按照上述規(guī)范對(duì)圖3中的儀表安裝形式選擇吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的量程,一定會(huì)導(dǎo)致量程過(guò)小,不僅起不到吹掃作用,反而有可能使激冷水反竄至吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)中,導(dǎo)致儀表?yè)p壞或引發(fā)安全事故。
4結(jié)束語(yǔ)
吹掃轉(zhuǎn)子流量計(jì)在煤氣化裝置中應(yīng)用廣泛,雖然規(guī)范或者工藝商提供了吹掃介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù),但卻未對(duì)數(shù)據(jù)的獲得追本溯源,也沒(méi)有闡明這些數(shù)據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合,容易對(duì)設(shè)計(jì)者產(chǎn)生錯(cuò)誤的引導(dǎo)。本文從理論角度深入剖析了吹掃的本質(zhì)，并分別對(duì)吹掃.轉(zhuǎn)子流量計(jì)在氣體和液體吹掃應(yīng)用中提出了通用性的量程選擇方法,有一定的實(shí)用價(jià)值。
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