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(zhì)進(jìn)行隔離。工業(yè)應(yīng)用中通常采用吹掃轉(zhuǎn)子流量計將中間介質(zhì)引入取壓管線內(nèi)，可達(dá)到既不影響測量精度，又可對測量管線和變送器起到保護(hù)作用的目的。

 

１、吹掃轉(zhuǎn)子流量計工作原理

吹掃轉(zhuǎn)子流量計由恒流閥、針型閥和轉(zhuǎn)子流量計三部分組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示。當(dāng)現(xiàn)場公用物料站有穩(wěn)定的吹掃介質(zhì)輸出時，可以認(rèn)為吹掃轉(zhuǎn)子流量計的入口壓力是恒定的。對恒流閥中的隔膜進(jìn)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(zhuǎn)子流量計恒流閥上殼室壓力；ｐ３———吹掃轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子流量計入口壓力。３）當(dāng)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(yuǎn)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(zhuǎn)子流量計的工作原理。

 

         當(dāng)系統(tǒng)波動導(dǎo)致工藝管線中介質(zhì)的壓力增大時，吹掃Ｎ２的體積流量會瞬間減小，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)裝置就會增大吹掃轉(zhuǎn)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(tǒng)波動導(dǎo)致工藝管線中介質(zhì)的壓力減小時，吹掃Ｎ２的體積流量會瞬間增大，將導(dǎo)壓管內(nèi)的壓力拉低，調(diào)節(jié)裝置檢測到該變化，就會減小吹掃轉(zhuǎn)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(zhì)的壓力如何變化，只要保證吹掃轉(zhuǎn)子流量計出口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)下的體積流量來計量，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，因而在計算過程中需要使用式（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）兩邊同時除以時間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Ｎ２工藝參數(shù)見表１所列。吹掃轉(zhuǎn)子流量計的出口接管內(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。

         注：１）０．４ＭＰａ是吹掃轉(zhuǎn)子流量計入口的低壓吹掃Ｎ２壓力；０．０２ＭＰａ是工藝介質(zhì)的正常操作壓力；２）５．６ＭＰａ是吹掃轉(zhuǎn)子流量計入口的高壓吹掃Ｎ２壓力；４．９～５．１ＭＰａ是工藝介質(zhì)的正常操作壓力。

 

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ｖ操作，ｖ操作決定了ｑＶ操作，是選取轉(zhuǎn)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(guān)系：

ｑＶ操作＝３６００（πＤ２１ｖ操作／４）（９）

         不同規(guī)范對該流量值的描述有所區(qū)別。ＨＧ／Ｔ２０５１５—２０１４《儀表隔離和吹洗設(shè)計規(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��；而ＳＨ３０２１—２０１３《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設(shè)計規(guī)范》中規(guī)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(guī)范中數(shù)據(jù)不同而產(chǎn)生的爭議，選擇幾個規(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ｖ操作＝０．２ｍ／ｓ。

 

２．３．２吹掃轉(zhuǎn)子流量計量程選擇

         １）對于低壓吹掃Ｎ２，根據(jù)式（９）可計算出低壓吹掃Ｎ２在操作狀態(tài)下的正常體積流量ｑＶ（Ｌ－操作）＝０．０２０３ｍ３／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(jù)式（９）計算得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，計算出該高壓Ｎ２吹掃轉(zhuǎn)子流量計的正常體積流量值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(yīng)用中，吹掃轉(zhuǎn)子流量計的體積流量應(yīng)有足夠的上調(diào)空間，以應(yīng)對復(fù)雜的實際工況。

 

２．４注意事項

２．４．１謹(jǐn)慎使用商提供的數(shù)據(jù)

         由于商工藝包中給出了低壓和高壓吹掃Ｎ２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（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(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)子流量計量程的選擇依據(jù)。

 

         但是，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算結(jié)果會有偏差，從而導(dǎo)致吹掃轉(zhuǎn)子流量計選型錯誤。通過將低壓和高壓吹掃Ｎ２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，即可驗證商提供的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(jié)果可以看出，低壓和高壓吹掃Ｎ２操作狀態(tài)下的流速均大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對氣體吹掃介質(zhì)流速的規(guī)定范圍，且ｖ（Ｌ－操作）比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中數(shù)值大了一個數(shù)量級。如果按上述計算的流速進(jìn)行吹掃轉(zhuǎn)子流量計選型，會使吹掃Ｎ２的壓力與工藝介質(zhì)的壓力之差遠(yuǎn)大于工程測量的允許范圍，造成較大的測量誤差，輕則導(dǎo)致控制系統(tǒng)頻繁報警，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)操作壓力值選擇錯誤

         文中以低壓吹掃Ｎ２為例進(jìn)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(yīng)采用工藝介質(zhì)正常操作壓力，否則將造成量程選擇錯誤。３轉(zhuǎn)子流量計液體吹掃應(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量，并延長變送器的壽命。帶吹掃轉(zhuǎn)子流量計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)子流量計應(yīng)用于液體吹掃時的分析手段與應(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(jù)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(zhǔn)，對１和２兩點間的沖洗水運(yùn)動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；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

         圖３中沖洗水進(jìn)入氣化爐激冷室的方式是經(jīng)典流體運(yùn)動模式“淹沒出流”，因此有：

         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(yīng)用案例

         某煤氣化項目中，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(zhuǎn)子流量計量程之前，需確定ｖ１。３．２節(jié)從理論上分析了ｖ１的大小不影響測量的結(jié)果，但在實際應(yīng)用中，ｖ１的選取應(yīng)該從兩個方面去考慮：

 

         １）ｖ１值應(yīng)在合理范圍內(nèi)取小。在固定尺寸的流道內(nèi)如果ｖ１值越大，相應(yīng)流量也越大，吹掃轉(zhuǎn)子流量計的口徑可能會隨之增大，從而導(dǎo)致單臺流量計的投資加大。

 

         ２）沖洗水的流態(tài)。儀表測量追求穩(wěn)定、擾動小，這與沖洗水的流態(tài)關(guān)系密切，若沖洗水為層流時，其流體形態(tài)穩(wěn)定；而當(dāng)沖洗水為湍流時，流體微團(tuán)的不規(guī)則運(yùn)動將導(dǎo)致流體產(chǎn)生持續(xù)劇烈的擾動，給儀表測量帶來不利，應(yīng)當(dāng)盡量避免。

 

         因此沖洗水處于層流態(tài)對測量較為理想，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，Ｒｅ臨界＝２３００，根據(jù)Ｒｅ臨界可以計算出ｖ１ｍａｘ，計算公式如下：

         ｖ１ｍａｘ＝Ｒｅ臨界υ／Ｄ２（１４）

         式中：Ｄ２———沖洗水流道內(nèi)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(yùn)動黏度，ｍ２／ｓ。

 

３．３．２吹掃轉(zhuǎn)子流量計量程選擇

         計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，水的動力黏度μ＝１２５×１０－６Ｐａ·ｓ，運(yùn)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�。觯保剑埃�５ｖ１ｍａｘ＝０．００２４ｍ／ｓ，則沖洗水的體積流量ｑＶ水為

         故吹掃轉(zhuǎn)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��；如果換成流道是彎曲的截止閥，沖洗水在彎道處會產(chǎn)生不可忽略的損失，導(dǎo)致點１處的壓力與參考面處的壓力不等，從而產(chǎn)生測量誤差。

 

         ＳＨ３０２１—２０１３《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設(shè)計規(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０．０１５ｍ３／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(shè)計規(guī)定》與ＡＰＩＲＰ５５１—１９９３ＰｒｏｃｅｓｓＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ均規(guī)

定當(dāng)吹掃介質(zhì)為液體時，吹掃流量范圍為０．００１４～０．０１４０ｍ３／ｈ。雖然２項規(guī)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(shè)計規(guī)范》的推薦值數(shù)量級一致，因此應(yīng)該也只適用于采用導(dǎo)壓配管安裝形式的儀表。

 

         如果按照上述規(guī)范對圖３中的儀表安裝形式選擇吹掃轉(zhuǎn)子流量計的量程，一定會導(dǎo)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(zhuǎn)子流量計中，導(dǎo)致儀表損壞或引發(fā)安全事故。

 

４結(jié)束語

         吹掃轉(zhuǎn)子流量計在煤氣化裝置中應(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)，但卻未對數(shù)據(jù)的獲得追本溯源，也沒有闡明這些數(shù)據(jù)應(yīng)用的場合，容易對設(shè)計者產(chǎn)生錯誤的引導(dǎo)。本文從理論角度深入剖析了吹掃的本質(zhì)，并分別對吹掃轉(zhuǎn)子流量計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，有一定的實用價值。