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煤氣化裝置中吹掃轉子流量計量程選取探討

來源: 作者: 發布日期:2020-05-21

 摘要:概述了吹掃轉子流量計在煤氣化裝置中的應用,通過理想氣體狀態方程和不可壓縮流體的一般能量方程,深入剖析了吹掃轉子流量計在氣體和液體吹掃應用中量程確定的關鍵步驟。以實際數據為基礎,依據相關標準中的條款,分別闡述了吹掃轉子流量計在氣體和液體吹掃應用中量程的選擇過程;并且澄清了在氣體吹掃應用中,吹掃轉子流量計在量程選擇時容易犯的兩個錯誤;同時探討了相關標準規范在液體吹掃應用時的局限性。

 
         煤氣化裝置中煤粉輸送管線內介質為被載氣流化的煤粉,如果直接采用導壓管的形式測量管道內的壓力,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,而且具有較強的腐蝕性,如果變送器測量元件與之
長時間直接接觸,會因為磨損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進行隔離。工業應用中通常采用吹掃轉子流量計將中間介質引入取壓管線內,可達到既不影響測量精度,又可對測量管線和變送器起到保護作用的目的。
 
1、吹掃轉子流量計工作原理
吹掃轉子流量計內部結構示意
吹掃轉子流量計由恒流閥、針型閥和轉子流量計三部分組成,內部結構如圖1所示。當現場公用物料站有穩定的吹掃介質輸出時,可以認為吹掃轉子流量計的入口壓力是恒定的。對恒流閥中的隔膜進行受力分析如下:
(1)隔膜受到的向下作用力為
         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———吹掃轉子流量計恒流閥上殼室壓力;p3———吹掃轉子流量計出口壓力。
 
(2)隔膜受到向上的作用力為
         F2=p1A+p2A1(2)
         式中:p1———吹掃轉子流量計入口壓力。3)當隔膜上下受力平衡時,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遠小于A,因而A1(p2-p3)/A可以忽略不計,同時F和A都是恒定值,故p1-p2也為恒定值,即流量不會因為出口壓力的變化而變化,上述即吹掃轉子流量計的工作原理。
 
2轉子流量計氣體吹掃應用分析
2.1應用概述
       氣體介質的壓力測量通常采用導壓管的形式,帶吹掃轉子流量計的壓力變送器導壓配管安裝如圖2所示。圖2中吹掃轉子流量計入口的吹掃N2具有恒定壓力,吹掃轉子流量計的出口接管和調節裝置(恒流閥、針型閥)構成了1個負反饋閉環調節回路。在系統開始運行時,人工調節吹掃轉子流量計上的針型閥,使吹掃N2以合適的流速通過取壓口往工藝管道或設備內流動,以防止顆粒物進入導壓管。吹掃N2可以正向流動,說明導壓管內的吹掃N2壓力大于工藝介質的壓力,即變送器測量的壓力值要大于工藝介質的壓力;只要把吹掃N2與工藝介質的實際壓力誤差控制在工程可以接受的范圍內,測量的精度仍然可以保證。
帶吹掃轉子流量計的壓力變送器導壓配管安裝示意
         當系統波動導致工藝管線中介質的壓力增大時,吹掃N2的體積流量會瞬間減小,使得導壓管內壓力增大,反饋回路將該壓力變化反饋給調節裝置,調節裝置就會增大吹掃轉子流量計出口處N2體積流量,直到吹掃N2體積流量值回歸正常;反之,系統波動導致工藝管線中介質的壓力減小時,吹掃N2的體積流量會瞬間增大,將導壓管內的壓力拉低,調節裝置檢測到該變化,就會減小吹掃轉子流量計出口處N2體積流量,直到吹掃N2體積流量值回歸正常。因此,不管工藝介質的壓力如何變化,只要保證吹掃轉子流量計出口N2的流速或者體積流量不變,就可以認為吹掃N2的壓力即為工藝介質的壓力,上述即吹掃轉子流量計的應用原理。
 
2.2理想和標準狀態下氣體流量換算
         氣體介質流量通常采用標準狀態下的體積流量來計量,由于工藝專業給出的吹掃氣體數據一般是操作狀態下的值,因而在計算過程中需要使用式(5)所示的理想氣體狀態方程進行換算:
         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———氣體的物質的量,mol;R———理想氣體常數,R=8.314Pa·m/(mol·K);t———理想氣體的溫度,℃。式(5)可以變形為
溫度關系
         對于定量的氣體,n是不變的,R為常數,所以定量氣體在操作狀態下和標準狀態下變換等式為
操作狀態下和標準狀態下變換等式
         式中:p操作———理想氣體操作狀態下的絕壓,Pa;V操作———理想氣體操作狀態下的體積,m3;t操作———
理想氣體操作狀態下的溫度,℃;p標況———理想氣體標準狀態下絕壓,Pa;V標況———理想氣體標準狀態下的體積,m3。式(6)兩邊同時除以時間t,得到關于理想氣體操作狀態和標準狀態下體積流量的等式:
理想氣體 操作狀態和標準狀態下體積流量的等式
         式中:qV操作———理想氣體操作狀態下的體積流量,m3/h;qV標況———理想氣體標準狀態下的體積流量,m3/h。
 
         由式(7)可推導出操作狀態下和標準狀態下的理想氣體體積流量換算關系:
公式8:操作狀態下和標準狀態下的 理想氣體體積流量換算關系
2.3應用案例
         某煤氣化裝置的煤加壓及進料工序中的吹掃N2工藝參數見表1所列。吹掃轉子流量計的出口接管內徑D1=6mm,儀表專業需要根據這些工藝參數和相關管徑選取量程合適的吹掃轉子流量計。
某煤氣化裝置吹掃 N2工藝數據
         注:1)0.4MPa是吹掃轉子流量計入口的低壓吹掃N2壓力;0.02MPa是工藝介質的正常操作壓力;2)5.6MPa是吹掃轉子流量計入口的高壓吹掃N2壓力;4.9~5.1MPa是工藝介質的正常操作壓力。
 
2.3.1吹掃N2操作狀態下的正常流速
         首先必須確定吹掃N2操作狀態下的正常流速v操作,v操作決定了qV操作,是選取轉子流量計合適量程的前提條件。v操作,qV操作,D1存在如下關系:
qV操作=3600(πD21v操作/4)(9)
公式9
         不同規范對該流量值的描述有所區別。HG/T20515—2014《儀表隔離和吹洗設計規定》與APIRP551—1993ProcessMeasurementInstrumentation均規定吹掃氣體的流速在0.02~0.20m/s內選取;而SH3021—2013《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設計規范》中規定,對于一般流量、液位和壓力測量的吹氣速度宜為0.2~0.3m/s。為了避免各規范中數據不同而產生的爭議,選擇幾個規范中數據重合部分的值作為吹掃N2操作狀態下的正常流速較為合適,即v操作=0.2m/s。
 
2.3.2吹掃轉子流量計量程選擇
         1)對于低壓吹掃N2,根據式(9)可計算出低壓吹掃N2在操作狀態下的正常體積流量qV(L-操作)=0.0203m3/h,利用式(8)將qV(L-操作)換算成標準狀態下的體積流量qV(L-標況):qV(L-標況)≈0.02m3/h,則該低壓N2吹掃轉子流量計的量程可選擇為0.01~0.10m3/h。
 
         2)對于高壓吹掃N2,仍然選擇v操作=0.2m/s,根據式(9)計算得qV(H-操作)=0.0203m3/h。將工藝介質的相關數據代入式(8)中,計算出該高壓N2吹掃轉子流量計的正常體積流量值qV(H-標況)≈0.74~0.77m3/h,則該高壓N2吹掃轉子流量計的量程可選擇為0.6~6.0m3/h。
 
         以上選擇的吹掃轉子流量計量程的下限與正常流量值很接近,緣于理論計算做了理想化的近似,且不考慮所有的外部影響和干擾。因此在實際工程應用中,吹掃轉子流量計的體積流量應有足夠的上調空間,以應對復雜的實際工況。
 
2.4注意事項
2.4.1謹慎使用專利商提供的數據
         由于專利商工藝包中給出了低壓和高壓吹掃N2操作狀態下的質量流量正常值,其中低壓N2的qm(L-操作)=1.7kg/h,高壓N2的qm(H-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,進而利用式(8)可換算成相應的標準狀態下的體積流量,并作為吹掃轉子流量計量程的選擇依據。
 
         但是,專利商提供的數據是否合適有待進一步考證,若盲目使用可能使計算結果會有偏差,從而導致吹掃轉子流量計選型錯誤。通過將低壓和高壓吹掃N2操作狀態下的質量流量值換算成操作狀態下的流速值,并且判斷該流速是否合理或者是否符合相關標準規范,即可驗證專利商提供的數據是否合適。
 
         1)對于低壓吹掃N2,首先計算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子流量計出口接管的流通截面積S即可計算出v(L-操作):v(L-操作)=qV(L-操作)/S=1121727.(m/h)=312.(m/s)
 
         2)高壓吹掃N2流速計算方法與低壓吹掃N2一致,得出v(H-操作)=0.7m/s。
 
         由上述計算結果可以看出,低壓和高壓吹掃N2操作狀態下的流速均大于相關標準規范中對氣體吹掃介質流速的規定范圍,且v(L-操作)比相關標準規范中數值大了一個數量級。如果按上述計算的流速進行吹掃轉子流量計選型,會使吹掃N2的壓力與工藝介質的壓力之差遠大于工程測量的允許范圍,造成較大的測量誤差,輕則導致控制系統頻繁報警,影響回路調節的品質,重則可能引起裝置跳車,成為安全隱患。
 
2.4.2吹掃介質操作壓力值選擇錯誤
         文中以低壓吹掃N2為例進行說明。表1中操作壓力有兩個值,弄清楚兩個值的意義,才不至于計算錯誤。計算時應采用工藝介質正常操作壓力,否則將造成量程選擇錯誤。3轉子流量計液體吹掃應用分析
 
3.1應用概述
         煤氣化裝置中液體吹掃的典型應用是差壓法測量氣化爐激冷室液位。由于氣化爐激冷室內的激冷水為復雜混合物,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行測量。變送器負壓側法蘭隔膜與激冷室內的氣相接觸,無需吹掃,而變送器正壓側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量,并延長變送器的壽命。帶吹掃轉子流量計的雙法蘭差壓變送器安裝如圖3所示。
液位測量中帶吹掃轉子流量計的雙法蘭差壓變送器安裝示意
3.2分析方法
         吹掃轉子流量計應用于液體吹掃時的分析手段與應用于氣體吹掃有很大不同,需要運用流體力學中不可壓縮流體的相關理論。如圖3所示,由于引入了液體吹掃介質沖洗水,變送器的正壓測法蘭隔膜上測得的壓力不是參考面上的壓力,而是沖洗水的壓力。根據差壓法測量液位的原理,必須使點1處的沖洗水壓力等于參考面處的壓力。以參考面為基準,對1和2兩點間的沖洗水運動軌跡列出不可壓縮流體的一般能量方程得:
公式10
         式中:ρ水———沖洗水的密度,kg/m3;g———重力加速度,m/s2;p1水,p2水———分別為1和2兩點處的壓力,Pa;v1,v2———分別為1和2兩點處的沖洗水流速,m/s;hf———總的壓頭損失,m;Z———相
對參考面的液位高度,m。
 
         由于點2在激冷室液面處的速度近似為零,即v2=0,則式(10)可簡化為
公式11
         圖3中沖洗水進入氣化爐激冷室的方式是經典流體運動模式“淹沒出流”,因此有:
公式12
         將式(12)代入式(11)中并簡化得到:
         p1水=p2水+ρ水gZ(13)
         而參考面處的壓力p參考面=p2水+ρ水gZ,因而p1水=p參考面。因此不管v1為何值,p1水=p參考面。
 
3.3應用案例
         某煤氣化項目中,氣化爐激冷室內的工藝數據包括:激冷水溫度為230℃;激冷室內絕壓為4.6MPa;激冷水密度為895kg/m3。
 
3.3.1沖洗水非常大流速的確定方法
         測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,在選擇吹掃轉子流量計量程之前,需確定v1。3.2節從理論上分析了v1的大小不影響測量的結果,但在實際應用中,v1的選取應該從兩個方面去考慮:
 
         1)v1值應在合理范圍內取小。在固定尺寸的流道內如果v1值越大,相應流量也越大,吹掃轉子流量計的口徑可能會隨之增大,從而導致單臺流量計的投資加大。
 
         2)沖洗水的流態。儀表測量追求穩定、擾動小,這與沖洗水的流態關系密切,若沖洗水為層流時,其流體形態穩定;而當沖洗水為湍流時,流體微團的不規則運動將導致流體產生持續劇烈的擾動,給儀表測量帶來不利,應當盡量避免。
 
         因此沖洗水處于層流態對測量較為理想,而臨界雷諾數Re臨界是液體層流態與湍流態的理論分界點,Re臨界=2300,根據Re臨界可以計算出v1max,計算公式如下:
         v1max=Re臨界υ/D2(14)公式14
         式中:D2———沖洗水流道內徑,法蘭接口尺寸為DN80,故D2=0.08m;v1max———沖洗水非常大流速,m/s;υ———沖洗水運動黏度,m2/s。
 
3.3.2吹掃轉子流量計量程選擇
         計算之前需要確定沖洗水的相關參數。由于沖洗水的量遠小于氣化爐內激冷水的量,因而當沖洗水進入氣化爐瞬間,其物理性質即被氣化爐內激冷水同化。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。
 
         經查詢《化工物性數據表》知,在溫度為230℃,壓力為4.6MPa條件下,水的動力黏度μ=125×10-6Pa·s,運動黏度υ=μ/ρ水=1.4×10-7(m2/s)。將D2和υ值代入式(14)計算得:v1max=0.0048m/s若取v1=0.5v1max=0.0024m/s,則沖洗水的體積流量qV水為
沖洗水的體積 流量qV水 為
         故吹掃轉子流量計的量程可選為0.2~2.0m3/h。
 
3.4注意事項
         圖3中所示的儀表根部閥建議采用全通徑球閥,因為流道是直通的,流阻小;如果換成流道是彎曲的截止閥,沖洗水在彎道處會產生不可忽略的損失,導致點1處的壓力與參考面處的壓力不等,從而產生測量誤差。
 
         SH3021—2013《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設計規范》規定液體吹掃只適用于采用導壓配管安裝方式的儀表,并推薦了0.015m3/h和0.025m3/h這2個吹掃流量值;而HG/T20515—2014《儀表隔離和吹洗設計規定》與APIRP551—1993ProcessMeasurementInstrumentation均規
定當吹掃介質為液體時,吹掃流量范圍為0.0014~0.0140m3/h。雖然2項規范中沒有說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《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設計規范》的推薦值數量級一致,因此應該也只適用于采用導壓配管安裝形式的儀表。
 
         如果按照上述規范對圖3中的儀表安裝形式選擇吹掃轉子流量計的量程,一定會導致量程過小,不僅起不到吹掃作用,反而有可能使激冷水反竄至吹掃轉子流量計中,導致儀表損壞或引發安全事故。
 
4結束語
         吹掃轉子流量計在煤氣化裝置中應用廣泛,雖然規范或者工藝商提供了吹掃介質的相關數據,但卻未對數據的獲得追本溯源,也沒有闡明這些數據應用的場合,容易對設計者產生錯誤的引導。本文從理論角度深入剖析了吹掃的本質,并分別對吹掃轉子流量計在氣體和液體吹掃應用中提出了通用性的量程選擇方法,有一定的實用價值。

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