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          煤气化装置中吹扫转子流量计量程选取探讨

          来源: 作者: 发布日期:2020-05-21

           摘要:概述了吹扫转子流量计在煤气化装置中的应用,通过理想气体状态方程和不可压缩流体的一般能量方程,深入剖析了吹扫转子流量计在气体和液体吹扫应用中量程确定的关键步骤。以实际数据为基础,依据相关标准中的条款,分别阐述了吹扫转子流量计在气体和液体吹扫应用中量程的选择过程;并且澄清了在气体吹扫应用中,吹扫转子流量计在量程选择时容易犯的两个错误;同时探讨了相关标准规范在液体吹扫应用时的局限性。

           
                   煤气化装置中煤粉输送管线内介质为被载气流化的煤粉,如果直接采用导压管的形式测量管道内的压力,煤粉极易堵塞取压管线;黑水或激冷水中不仅含有易堵塞取压管线的固体颗粒物,而且具有较强的腐蚀性,如果变送器测量元件与之
          长时间直接接触,会因为磨损和腐蚀的双重影响大幅缩短寿命。因此,必须在变送器取压通道和工艺管道之间利用中间介质进行隔离。工业应用中通常采用吹扫转子流量计将中间介质引入取压管线内,可达到既不影响测量精度,又可对测量管线和变送器起到保护作用的目的。
           
          1、吹扫转子流量计工作原理
          吹扫转子流量计内部结构示意
          吹扫转子流量计由恒流阀、针型阀和转子流量计三部分组成,内部结构如图1所示。当现场公用物料站有稳定的吹扫介质输出时,可以认为吹扫转子流量计的入口压力是恒定的。对恒流阀中的隔膜进行受力分析如下:
          (1)隔膜受到的向下作用力为
                   F1=p2A+p3A1+F(1)
                   式中:F———阀球下方弹簧的弹力;A———隔膜截面积;A1———阀球截面积;p2———吹扫转子流量计恒流阀上壳室压力;p3———吹扫转子流量计出口压力。
           
          (2)隔膜受到向上的作用力为
                   F2=p1A+p2A1(2)
                   式中:p1———吹扫转子流量计入口压力。3)当隔膜上下受力平衡时,即F1=F2:p2A+p3A1+F=p1A+p2A1(3)式(3)变形得:p1-p2=F/A-A1(p2-p3)/A(4)
           
                   由于A1远小于A,因而A1(p2-p3)/A可以忽略不计,同时F和A都是恒定值,故p1-p2也为恒定值,即流量不会因为出口压力的变化而变化,上述即吹扫转子流量计的工作原理。
           
          2转子流量计气体吹扫应用分析
          2.1应用概述
                 气体介质的压力测量通常采用导压管的形式,带吹扫转子流量计的压力变送器导压配管安装如图2所示。图2中吹扫转子流量计入口的吹扫N2具有恒定压力,吹扫转子流量计的出口接管和调节装置(恒流阀、针型阀)构成了1个负反馈闭环调节回路。在系统开始运行时,人工调节吹扫转子流量计上的针型阀,使吹扫N2以合适的流速通过取压口往工艺管道或设备内流动,以防止颗粒物进入导压管。吹扫N2可以正向流动,说明导压管内的吹扫N2压力大于工艺介质的压力,即变送器测量的压力值要大于工艺介质的压力;只要把吹扫N2与工艺介质的实际压力误差控制在工程可以接受的范围内,测量的精度仍然可以保证。
          带吹扫转子流量计的压力变送器导压配管安装示意
                   当系统波动导致工艺管线中介质的压力增大时,吹扫N2的体积流量会瞬间减小,使得导压管内压力增大,反馈回路将该压力变化反馈给调节装置,调节装置就会增大吹扫转子流量计出口处N2体积流量,直到吹扫N2体积流量值回归正常;反之,系统波动导致工艺管线中介质的压力减小时,吹扫N2的体积流量会瞬间增大,将导压管内的压力拉低,调节装置检测到该变化,就会减小吹扫转子流量计出口处N2体积流量,直到吹扫N2体积流量值回归正常。因此,不管工艺介质的压力如何变化,只要保证吹扫转子流量计出口N2的流速或者体积流量不变,就可以认为吹扫N2的压力即为工艺介质的压力,上述即吹扫转子流量计的应用原理。
           
          2.2理想和标准状态下气体流量换算
                   气体介质流量通常采用标准状态下的体积流量来计量,由于工艺专业给出的吹扫气体数据一般是操作状态下的值,因而在计算过程中需要使用式(5)所示的理想气体状态方程进行换算:
                   pV=nR(273+t)(5)
                   式中:p———理想气体的绝压,Pa;V———理想气体的体积,m3;n———气体的物质的量,mol;R———理想气体常数,R=8.314Pa·m/(mol·K);t———理想气体的温度,℃。式(5)可以变形为
          温度关系
                   对于定量的气体,n是不变的,R为常数,所以定量气体在操作状态下和标准状态下变换等式为
          操作状态下和标准状态下变换等式
                   式中:p操作———理想气体操作状态下的绝压,Pa;V操作———理想气体操作状态下的体积,m3;t操作———
          理想气体操作状态下的温度,℃;p标况———理想气体标准状态下绝压,Pa;V标况———理想气体标准状态下的体积,m3。式(6)两边同时除以时间t,得到关于理想气体操作状态和标准状态下体积流量的等式:
          理想气体 操作状态和标准状态下体积流量的等式
                   式中:qV操作———理想气体操作状态下的体积流量,m3/h;qV标况———理想气体标准状态下的体积流量,m3/h。
           
                   由式(7)可推导出操作状态下和标准状态下的理想气体体积流量换算关系:
          公式8:操作状态下和标准状态下的 理想气体体积流量换算关系
          2.3应用案例
                   某煤气化装置的煤加压及进料工序中的吹扫N2工艺参数见表1所列。吹扫转子流量计的出口接管内径D1=6mm,仪表专业需要根据这些工艺参数和相关管径选取量程合适的吹扫转子流量计。
          某煤气化装置吹扫 N2工艺数据
                   注:1)0.4MPa是吹扫转子流量计入口的低压吹扫N2压力;0.02MPa是工艺介质的正常操作压力;2)5.6MPa是吹扫转子流量计入口的高压吹扫N2压力;4.9~5.1MPa是工艺介质的正常操作压力。
           
          2.3.1吹扫N2操作状态下的正常流速
                   首先必须确定吹扫N2操作状态下的正常流速v操作,v操作决定了qV操作,是选取转子流量计合适量程的前提条件。v操作,qV操作,D1存在如下关系:
          qV操作=3600(πD21v操作/4)(9)
          公式9
                   不同规范对该流量值的描述有所区别。HG/T20515—2014《仪表隔离和吹洗设计规定》与APIRP551—1993ProcessMeasurementInstrumentation均规定吹扫气体的流速在0.02~0.20m/s内选取;而SH3021—2013《石油化工仪表及管道隔离和吹洗设计规范》中规定,对于一般流量、液位和压力测量的吹气速度宜为0.2~0.3m/s。为了避免各规范中数据不同而产生的争议,选择几个规范中数据重合部分的值作为吹扫N2操作状态下的正常流速较为合适,即v操作=0.2m/s。
           
          2.3.2吹扫转子流量计量程选择
                   1)对于低压吹扫N2,根据式(9)可计算出低压吹扫N2在操作状态下的正常体积流量qV(L-操作)=0.0203m3/h,利用式(8)将qV(L-操作)换算成标准状态下的体积流量qV(L-标况):qV(L-标况)≈0.02m3/h,则该低压N2吹扫转子流量计的量程可选择为0.01~0.10m3/h。
           
                   2)对于高压吹扫N2,仍然选择v操作=0.2m/s,根据式(9)计算得qV(H-操作)=0.0203m3/h。将工艺介质的相关数据代入式(8)中,计算出该高压N2吹扫转子流量计的正常体积流量值qV(H-标况)≈0.74~0.77m3/h,则该高压N2吹扫转子流量计的量程可选择为0.6~6.0m3/h。
           
                   以上选择的吹扫转子流量计量程的下限与正常流量值很接近,缘于理论计算做了理想化的近似,且不考虑所有的外部影响和干扰。因此在实际工程应用中,吹扫转子流量计的体积流量应有足够的上调空间,以应对复杂的实际工况。
           
          2.4注意事项
          2.4.1谨慎使用专利商提供的数据
                   由于专利商工艺包中给出了低压和高压吹扫N2操作状态下的质量流量正常值,其中低压N2的qm(L-操作)=1.7kg/h,高压N2的qm(H-操作)=5.9kg/h。其中低压吹扫N2的ρL=5.36kg/m3,高压吹扫N2的ρH=82.6kg/m3,进而利用式(8)可换算成相应的标准状态下的体积流量,并作为吹扫转子流量计量程的选择依据。
           
                   但是,专利商提供的数据是否合适有待进一步考证,若盲目使用可能使计算结果会有偏差,从而导致吹扫转子流量计选型错误。通过将低压和高压吹扫N2操作状态下的质量流量值换算成操作状态下的流速值,并且判断该流速是否合理或者是否符合相关标准规范,即可验证专利商提供的数据是否合适。
           
                   1)对于低压吹扫N2,首先计算qV(L-操作):qV(L-操作)=qm(L-操作)/ρL=0.317(m3/h)
          该体积流量除以吹扫转子流量计出口接管的流通截面积S即可计算出v(L-操作):v(L-操作)=qV(L-操作)/S=1121727.(m/h)=312.(m/s)
           
                   2)高压吹扫N2流速计算方法与低压吹扫N2一致,得出v(H-操作)=0.7m/s。
           
                   由上述计算结果可以看出,低压和高压吹扫N2操作状态下的流速均大于相关标准规范中对气体吹扫介质流速的规定范围,且v(L-操作)比相关标准规范中数值大了一个数量级。如果按上述计算的流速进行吹扫转子流量计选型,会使吹扫N2的压力与工艺介质的压力之差远大于工程测量的允许范围,造成较大的测量误差,轻则导致控制系统频繁报警,影响回路调节的品质,重则可能引起装置跳车,成为安全隐患。
           
          2.4.2吹扫介质操作压力值选择错误
                   文中以低压吹扫N2为例进行说明。表1中操作压力有两个值,弄清楚两个值的意义,才不至于计算错误。计算时应采用工艺介质正常操作压力,否则将造成量程选择错误。3转子流量计液体吹扫应用分析
           
          3.1应用概述
                   煤气化装置中液体吹扫的典型应用是差压法测量气化炉激冷室液位。由于气化炉激冷室内的激冷水为复杂混合物,既含有易堵塞的固体颗粒物,也含有腐蚀性成分,因此一般采用双法兰差压变送器进行测量。变送器负压侧法兰隔膜与激冷室内的气相接触,无需吹扫,而变送器正压侧法兰隔膜则与激冷水接触,必须引入冲洗水以防止取压口堵塞影响液位测量,并延长变送器的寿命。带吹扫转子流量计的双法兰差压变送器安装如图3所示。
          液位测量中带吹扫转子流量计的双法兰差压变送器安装示意
          3.2分析方法
                   吹扫转子流量计应用于液体吹扫时的分析手段与应用于气体吹扫有很大不同,需要运用流体力学中不可压缩流体的相关理论。如图3所示,由于引入了液体吹扫介质冲洗水,变送器的正压测法兰隔膜上测得的压力不是参考面上的压力,而是冲洗水的压力。根据差压法测量液位的原理,必须使点1处的冲洗水压力等于参考面处的压力。以参考面为基准,对1和2两点间的冲洗水运动轨迹列出不可压缩流体的一般能量方程得:
          公式10
                   式中:ρ水———冲洗水的密度,kg/m3;g———重力加速度,m/s2;p1水,p2水———分别为1和2两点处的压力,Pa;v1,v2———分别为1和2两点处的冲洗水流速,m/s;hf———总的压头损失,m;Z———相
          对参考面的液位高度,m。
           
                   由于点2在激冷室液面处的速度近似为零,即v2=0,则式(10)可简化为
          公式11
                   图3中冲洗水进入气化炉激冷室的方式是经典流体运动模式“淹没出流”,因此有:
          公式12
                   将式(12)代入式(11)中并简化得到:
                   p1水=p2水+ρ水gZ(13)
                   而参考面处的压力p参考面=p2水+ρ水gZ,因而p1水=p参考面。因此不管v1为何值,p1水=p参考面。
           
          3.3应用案例
                   某煤气化项目中,气化炉激冷室内的工艺数据包括:激冷水温度为230℃;激冷室内绝压为4.6MPa;激冷水密度为895kg/m3。
           
          3.3.1冲洗水非常大流速的确定方法
                   测量该气化炉激冷室液位的双法兰差压变送器的安装方式与图3一致。同样,在选择吹扫转子流量计量程之前,需确定v1。3.2节从理论上分析了v1的大小不影响测量的结果,但在实际应用中,v1的选取应该从两个方面去考虑:
           
                   1)v1值应在合理范围内取小。在固定尺寸的流道内如果v1值越大,相应流量也越大,吹扫转子流量计的口径可能会随之增大,从而导致单台流量计的投资加大。
           
                   2)冲洗水的流态。仪表测量追求稳定、扰动小,这与冲洗水的流态关系密切,若冲洗水为层流时,其流体形态稳定;而当冲洗水为湍流时,流体微团的不规则运动将导致流体产生持续剧烈的扰动,给仪表测量带来不利,应当尽量避免。
           
                   因此冲洗水处于层流态对测量较为理想,而临界雷诺数Re临界是液体层流态与湍流态的理论分界点,Re临界=2300,根据Re临界可以计算出v1max,计算公式如下:
                   v1max=Re临界υ/D2(14)公式14
                   式中:D2———冲洗水流道内径,法兰接口尺寸为DN80,故D2=0.08m;v1max———冲洗水非常大流速,m/s;υ———冲洗水运动黏度,m2/s。
           
          3.3.2吹扫转子流量计量程选择
                   计算之前需要确定冲洗水的相关参数。由于冲洗水的量远小于气化炉内激冷水的量,因而当冲洗水进入气化炉瞬间,其物理性质即被气化炉内激冷水同化。取冲洗水的温度t水=230℃,冲洗水的压力p水=4.6MPa,冲洗水的密度ρ水=895kg/m3。
           
                   经查询《化工物性数据表》知,在温度为230℃,压力为4.6MPa条件下,水的动力黏度μ=125×10-6Pa·s,运动黏度υ=μ/ρ水=1.4×10-7(m2/s)。将D2和υ值代入式(14)计算得:v1max=0.0048m/s若取v1=0.5v1max=0.0024m/s,则冲洗水的体积流量qV水为
          冲洗水的体积 流量qV水 为
                   故吹扫转子流量计的量程可选为0.2~2.0m3/h。
           
          3.4注意事项
                   图3中所示的仪表根部阀建议采用全通径球阀,因为流道是直通的,流阻小;如果换成流道是弯曲的截止阀,冲洗水在弯道处会产生不可忽略的损失,导致点1处的压力与参考面处的压力不等,从而产生测量误差。
           
                   SH3021—2013《石油化工仪表及管道隔离和吹洗设计规范》规定液体吹扫只适用于采用导压配管安装方式的仪表,并推荐了0.015m3/h和0.025m3/h这2个吹扫流量值;而HG/T20515—2014《仪表隔离和吹洗设计规定》与APIRP551—1993ProcessMeasurementInstrumentation均规
          定当吹扫介质为液体时,吹扫流量范围为0.0014~0.0140m3/h。虽然2项规范中没有说明该吹扫流量范围所适用的仪表安装形式,但该流量范围值与SH3021—2013《石油化工仪表及管道隔离和吹洗设计规范》的推荐值数量级一致,因此应该也只适用于采用导压配管安装形式的仪表。
           
                   如果按照上述规范对图3中的仪表安装形式选择吹扫转子流量计的量程,一定会导致量程过小,不仅起不到吹扫作用,反而有可能使激冷水反窜至吹扫转子流量计中,导致仪表损坏或引发安全事故。
           
          4结束语
                   吹扫转子流量计在煤气化装置中应用广泛,虽然规范或者工艺商提供了吹扫介质的相关数据,但却未对数据的获得追本溯源,也没有阐明这些数据应用的场合,容易对设计者产生错误的引导。本文从理论角度深入剖析了吹扫的本质,并分别对吹扫转子流量计在气体和液体吹扫应用中提出了通用性的量程选择方法,有一定的实用价值。

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