煤氣化裝置吹掃轉子流量計量程選擇的探討

　　在工業化迅速發展的大時代，缺少不了壓力變送器、流量計、液位計、密度計、差壓變送器等儀表把現場第一數據實時傳輸到工控系統上，為整個工業自動化系統充當控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業現場最前沿的壓力變送器使用情況。

　　總結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，深入分析了在氣體和液體吹掃應用中確定吹掃轉子流量計量程的關鍵步驟。以實際數據為基礎，根據相關標準的條款，分別闡述了氣體和液體吹掃應用中吹掃用轉子流量計量程的選擇過程。澄清了氣體吹掃應用中選擇吹掃轉子流量計量程時容易犯的兩個錯誤。同時，討論了相關標準和規范在液體吹掃應用中的局限性。

　　煤氣化裝置中的煤粉輸送管道中的介質是被載氣流化的煤粉。如果以導壓管的形式直接測量管道內的壓力，煤粉很容易堵塞取壓管道?；蛘呒崩渌粌H含有容易堵塞取壓管道的固體顆粒，而且具有強腐蝕性。如果變送器的測量元件長時間與其直接接觸，由于磨損和腐蝕的雙重影響，使用壽命會大大縮短。因此，必須使用中間介質將變送器的取壓通道與工藝管道隔離。在工業應用中，通常采用吹掃式轉子流量計將中間介質引入取壓管道，這不僅影響測量精度，還可以保護測量管道和變送器。

　　1.吹掃轉子流量計的工作原理

　　吹掃轉子流量計由恒流閥、針閥和轉子流量計組成。內部結構如圖1所示。當現場公用材料站有穩定的吹掃介質輸出時，吹掃轉子流量計的入口壓力可以認為是恒定的。恒流閥中膜片的應力分析如下：

　　(1)橫膈膜上的向下力為

　　F1=p2A+p3A1+F(1)

　　式中：f閥球下彈簧的彈力；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)橫膈膜上的向上力為

　　F2=p1A+p2A1(2)

　　式中：P1吹掃轉子流量計入口壓力。3)當橫膈膜的力上下平衡，即F1=F2: P2A  P3a1 F=P1A  P2a1 (3)時，公式(3)變形：P1-P2=F/A-A1(P2-P3)/A(4)A1(P2-P3)/A因為A1比A小很多轉子流量計氣體吹掃的應用分析

　　2.1應用概述

　　氣體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的導壓管安裝如圖2所示。在圖2中，吹掃轉子流量計入口處的吹掃N2具有恒定壓力，吹掃轉子流量計的出口噴嘴和調節裝置(恒流閥和針閥)構成負反饋閉環調節回路。當系統開始運行時，手動調節吹掃轉子流量計上的針形閥，使吹掃N2以適當的流速通過測壓口流入工藝管線或設備，以防止顆粒進入壓力導管。吹掃N2可以向前流動，這意味著壓力導管中吹掃N2的壓力大于工藝介質的壓力，即變送器測得的壓力大于工藝介質的壓力；只要吹掃N2與工藝介質之間的實際壓力誤差控制在工程可接受的范圍內，測量精度還是可以保證的。當工藝管道中的介質壓力因系統波動而升高時，吹掃N2的體積流量會瞬間降低，從而使導壓管中的壓力升高。反饋回路將壓力變化反饋給調節裝置，調節裝置將增加轉子流量計出口處吹掃N2的體積流量，直到吹掃N2的體積流量恢復正常。相反，當工藝管道中介質的壓力由于系統的波動而降低時，吹掃N2的體積流量會瞬間增加，導壓管中的壓力會降低。當調節裝置檢測到這種變化時，轉子流量計出口處的吹掃N2的體積流量將減少，直到吹掃N2的體積流量恢復正常。因此，無論工藝介質的壓力如何變化，只要吹掃轉子流量計出口N2的流量或體積流量保持不變，就可以認為吹掃N2的壓力就是工藝介質的壓力，這就是吹掃轉子流量計的應用原理。

　　2.2理想和標準條件下氣體流量的轉換

　　氣體流量通常用標準狀態下的體積流量來衡量。由于工藝專業給出的吹掃氣體數據通常是運行狀態下的值，因此在計算過程中有必要使用公式(5)所示的理想氣體狀態方程進行轉換：

　　pV=nR(273+t)(5)

　　式中：p理想氣體的絕對壓力，pa；v理想氣體的體積，m3；n氣體的物質的量，molr理想氣體常數，r=8.314 PAM/(molk)；理想氣體的試驗溫度，。方程(5)可以變形為對于定量氣體，n為常數，r為常數，那么定量氣體在工作狀態和標準狀態下的變換方程如下：p為工作狀態下理想氣體的絕對壓力，pa；v工作理想氣體工作狀態下的體積，m3；t理想氣體工作狀態下的工作溫度，；p標準溫度和壓力下理想氣體標準狀態下的絕對壓力，Pa；v標準溫度和壓力下理想氣體在標準狀態下的體積，m3。方程(6)兩邊同時除以時間t，得到理想氣體工作狀態和標準狀態下的體積流量方程：

　　式中：qv為理想氣體工作狀態下的體積流量，m3/h；理想氣體標準狀態下標準溫度和壓力的體積流量，m3/h等式(7)可用于推導工作狀態和標準狀態下理想氣體體積流量的換算關系：

　　2.3應用案例

　　煤氣化裝置煤加壓給料過程中吹掃N2的工藝參數見表1。吹掃轉子流量計出口噴嘴的內徑D1為6 mm，儀表專業需要根據這些工藝參數和相關管徑選擇合適量程的吹掃轉子流量計。

　　注：1) 0.4 MPa為轉子流量計入口處的低壓吹掃N2壓力；0.02mpa是工藝介質的正常工作壓力；2) 5.6 MPa是吹掃轉子流量計入口處的高壓吹掃N2壓力；4.9 ~ 5.1 MPa是工藝介質的正常工作壓力。2 . 3 . 1 N2吹掃操作的正常流速首先，需要確定吹掃N2運行狀態下的正常流量V操作。v操作決定了QV的操作，這是選擇合適范圍的轉子流量計的先決條件。工序v、工序qv和D1具有以下關系：

　　運行qv=3600 (D21V運行/4) (9)不同的規范對這個流量值的描述不同。Hg/T  205152014 [0x9a8b]和API  RP  5511993《過程測量儀表》都規定吹掃氣體的流量應在0.02 ~ 0.20 m/s范圍內選??；Sh30212013 [0x9a8b]規定一般流量、液位、壓力測量的吹掃速度為0.2 ~ 0.3m/s，為避免不同規范數據不同引起爭議，選取幾個規范中重疊數據的值作為N2吹掃運行狀態下的正常流量較為合適，即V運行=0.2m/s2.3.2吹掃轉子流量計的量程選擇

　　1)對于低壓吹掃N2，運行狀態下的正常體積流量qv(L-運行)=0.0203m3/h可根據公式(9)計算，體積流量qv(L-運行)可通過公式(8)換算成標準體積流量qv(L-標準溫度和壓力):qv(L-標準溫度和壓力)0.02m3/h。

　　2)對于高壓吹掃N2，仍選擇V運行=0.2m/s，根據公式(9)計算qv  (H運行)=0.0203m3/h。將工藝介質的相關數據代入式(8)，計算出高壓N2吹掃轉子流量計的正常體積流量值qv(h-標準溫度和壓力)為0.74 ~ 0.77 m3/h，高壓N2吹掃轉子流量計的量程可選擇為0.6 ~ 6.0 m3/h上面選擇的吹掃轉子流量計的量程下限非常接近正常流量值，因為理論計算已經做了理想化的近似，并且沒有考慮所有外部影響和干擾。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謹慎使用專利權人提供的數據。

　　專利商的工藝包中給出了低壓和高壓吹掃N2工況下的質量流量正常值，其中低壓N2的QM  (L-operation)為1.7 kg/h，高壓N2的QM  (H-operation)為5.9 kg/h，其中低壓吹掃N2的L=5.36 kg/m3，高壓吹掃N2的H=82.6 kg/m3，可通過公式(8)換算成標準狀態下相應的體積流量但專利權人提供的數據是否合適，還需要進一步研究。如果盲目使用，計算結果可能會有偏差，從而導致吹掃轉子流量計的錯誤選擇。通過將低壓和高壓吹掃N2運行狀態下的質量流量值轉換為運行狀態下的流量值，判斷流量是否合理或符合相關標準和規范，可以驗證專利商提供的數據是否合適。

　　1)對于低壓吹掃N2，先計算qv(L-操作):qv(L-操作)=QM(L-操作)/L=0.317 (m3/h)體積流量除以吹掃轉子流量計出口噴嘴的流通截面積S可計算出V(L-操作):V(L-操作)=qv  (L)從以上計算結果可以看出，N2在低壓和高壓吹掃操作下的流量均大于相關標準和規范中規定的氣體吹掃介質流量范圍，V  (L-operation)比相關標準和規范中的大一個數量級。如果根據以上計算的流量選擇吹掃轉子流量計，吹掃N2的壓力與工藝介質的壓力之差將遠大于工程測量的允許范圍，導致測量誤差較大，可能導致控制系統頻繁報警，影響回路調節質量，或導致裝置跳閘，成為安全隱患。

　　液體吹掃在煤氣化裝置中的典型應用是用差壓法測量氣化爐激冷室的液位。由于氣化爐激冷室中的急冷水是一種復雜的混合物，既含有固體顆粒，又含有腐蝕性成分，一般采用雙法蘭差壓變送器進行測量。變送器負壓側的法蘭膜片與急冷室內的氣體接觸，無需吹掃，而變送器正壓側的法蘭膜片與急冷水接觸，因此必須引入沖洗水，以防止測壓口堵塞液位測量，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的安裝如圖3所示。

　　3.2分析方法

　　用于液體吹掃的吹掃轉子流量計的分析方法與用于氣體吹掃的分析方法有很大不同，因此有必要應用流體力學中不可壓縮流體的相關理論。如圖3所示，由于液態吹掃介質沖洗水的引入，變送器正壓測量法蘭膜片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，1點的沖洗水壓力必須等于參考面的壓力。以參考平面為基礎，對于1點和2點之間的沖洗水的軌跡，列出了不可壓縮流體的一般能量方程。

　　式中：水洗水的密度，kg/m3；重力加速度，米/S2；P1水和P2水分別是1點和2點的壓力，Pa；V1和V2分別為1點和2點的沖洗水流速，m/s；HF的總水頭損失，m；液位相對于z基準面的高度，m。由于激冷室液面上點2的速度近似為零，即V2=0，那么公式(10)可以簡化為圖3中沖洗水進入氣化爐激冷室的方式是經典的流體運動方式淹沒出流，所以有：

　　將等式(12)代入等式(11)并簡化為：

　　P1=p2水水gz  (13)

　　而參考平面偏好平面的壓力=P2水GZ水，所以P1水=偏好平面。因此，無論v1是什么，P1水=p參考平面。

　　3.4注意事項

　　圖3所示的儀表根閥推薦使用全通徑球閥，因為流道直通，流阻??；如果流道是彎曲的截止閥，沖洗水在曲線上會損失很多，會造成1點的壓力與參考面的壓力不同，造成測量誤差。

　　Sh30212013《儀表隔離和吹洗設計規定》規定液體吹掃僅適用于有壓力導管安裝的儀表，推薦0.015m3/h和0.025m3/h兩種吹掃流量值；Hg/T  205152014 [0x9a8b]和API  RP  5511993《過程測量儀表》都規定，當吹掃介質為液體時，吹掃流量范圍為0.0014 ~ 0.0140 m3/h，雖然兩個規范中沒有規定適用于該吹掃流量范圍的儀表安裝形式，但該流量范圍的值與Sh30212013 [0x9a8b]的推薦值處于同一數量級，所以應該只適用于有壓力的儀表如果吹掃轉子流量計的測量范圍是根據圖3中儀表安裝形式的上述規范選擇的，那么測量范圍就會太小，不僅無法吹掃，而且可能導致急冷水回流到吹掃轉子流量計中，造成儀表損壞或安全事故。

　　4結束語

　　吹掃轉子流量計廣泛應用于煤氣化裝置中。雖然規范或廠家提供了吹掃介質的相關數據，但沒有追溯數據的來源，也沒有明確這些數據的應用場合，容易給設計者錯誤的指導。本文從理論角度深入分析了吹掃的本質，提出了吹掃用轉子流量計在氣體和液體吹掃中應用的通用量程選擇方法，具有一定的實用價值。

　　儀器儀表是工業化進程的基石，只有選用工業現場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動化流程才能夠更加自動化。