引言

在化纖、紡織項(xiàng)目中通常使用小型鏈條爐為熱媒加熱，但隨著現(xiàn)有裝置的鏈條爐使用時(shí)間增長(zhǎng)，設(shè)備老化、故障率高、運(yùn)行和維護(hù)成本不斷上升的問(wèn)題開始顯現(xiàn)；同時(shí)各地環(huán)保部門對(duì)企業(yè)煙氣污染物排放的監(jiān)管更加嚴(yán)格，原來(lái)的爐型熱效率低，煤耗高，煙氣處理設(shè)備簡(jiǎn)單，排放指標(biāo)不達(dá)標(biāo)等弊端越來(lái)越凸顯。 許多工廠因而拆除了原廠區(qū)的小型供熱爐，改用集中供熱鍋爐（雙介質(zhì)流化床鍋爐）代替。 將熱源以蒸汽形式送往各廠區(qū)的新建換熱站，用蒸汽加熱熱媒。 換熱站裝置屬于高溫、高壓工況，對(duì)儀表選型要求較高，該文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹溫度、流量、液位以及閥門等儀表的選型方法和選型原則。 圖 １ 所示為換熱站氣相熱媒流程示意圖；圖 ２所示為換熱站液相熱媒流程示意圖。

１　溫度計(jì)選型

在溫度測(cè)量中，應(yīng)重點(diǎn)注意蒸汽和凝液管道的溫度計(jì)選型。 管道內(nèi)的介質(zhì)壓力高，溫度為 ３５０ ～６００ ℃，工藝設(shè)置遠(yuǎn)傳溫度儀表僅用于集中指示，不參與 ＰＩＤ 控制，所以對(duì)溫度的測(cè)量精度要求并不高。另外在化纖、紡織主裝置中并沒(méi)有使用熱電偶，相應(yīng)的控制系統(tǒng)中沒(méi)有設(shè)置熱電偶（ＴＣ）卡件。 結(jié)合以上 ２ 點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)參考標(biāo)準(zhǔn) ＩＥＣ ６０７５１—２００８《工業(yè)鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)》，優(yōu)先選擇鉑熱電阻。

 

依照標(biāo)準(zhǔn) ＨＧ／ Ｔ ２１５８１—２０１２《自控安裝圖冊(cè)》中 ＨＫ０１ －４２ 帶高壓套管的溫度計(jì)在管道上安裝的設(shè)計(jì)圖，選用焊接式高壓溫度計(jì)套管，裝配安裝鎧裝鉑熱電阻，套管一般使用 １２ＣｒＭｏｖ 材料制作，以保障熱電阻的使用壽命。 溫度計(jì)套管的長(zhǎng)度需要根據(jù)管道大小確定。 因?yàn)楣艿纼?nèi)介質(zhì)流速較快，套管的插入深度需要經(jīng)過(guò)套管振動(dòng)計(jì)算后確定。 套管的插入的深度，會(huì)影響測(cè)量的精確度和使用壽命。 根據(jù)ＡＳＭＥ 規(guī)范，當(dāng)尾流振動(dòng)頻率（ｆ ｗ ）接近溫度計(jì)套管本身的固有頻率（ｆ ｎ ）時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，從而增加套管斷裂風(fēng)險(xiǎn)。 當(dāng)（ｆ ｗ ／ ｆ ｎ ）≤０． ８ 時(shí)可避免共振發(fā)生。 根據(jù) ＡＳＭＥ ＴＣ１９． ３ 的要求，即：

 

式中：ｒ 為比率；ｖ 為介質(zhì)流速，ｍ／ ｓ；Ｂ 為溫度計(jì)套管插入管道內(nèi)的端部直徑，ｍ；Ｎ ｓ 為斯德努哈爾數(shù)，簡(jiǎn)單計(jì)算可取 ０． ２２；Ｋ ｆ 為常數(shù)；Ｕ 為溫度計(jì)套管插入深度，ｍ；Ｅ 為溫度計(jì)套管材料在使用溫度下的彈性模量，ｋＰａ；ρ 為溫度計(jì)套管材料的密度，ｋｇ／ ｍ ３ 。根據(jù)共振機(jī)理公式，要想滿足 ｒ≤０． ８，就要盡量減小 ｆ ｗ ，增大 ｆ ｎ 。 ｆ ｗ 計(jì)算公式中，ｖ 和 Ｎ ｓ 可視為常數(shù)，ｆ ｗ 與 Ｂ 成反比。 而影響 ｆ ｎ 的因素有套管材質(zhì)和套管插入管道深度。 所以為避免共振的發(fā)生可以采取以下措施：縮短溫度計(jì)套管插入管道的長(zhǎng)度，插入深度宜位于管道直徑的 １／３ 處，并且應(yīng)至少插入管道內(nèi) ５０ ｍｍ；加粗溫度計(jì)套管插入管道內(nèi)的端部直徑；更換套管材質(zhì)。

 

２　流量計(jì)選型

在換熱站工藝流程中，需要計(jì)量總管蒸汽與每臺(tái)換熱器入口的熱媒流量。 當(dāng)前普遍的測(cè)量蒸汽和熱媒流量的方式包括渦街流量計(jì)和差壓式流量計(jì)。渦街流量計(jì)應(yīng)用流體振蕩原理來(lái)測(cè)量流量，特點(diǎn)是測(cè)量精度高、量程比寬、壓損低、安裝方便以及投產(chǎn)后維護(hù)量��；測(cè)量口徑通常在 ＤＮ３００ 內(nèi)，直管段要求較高，使用時(shí)應(yīng)避免機(jī)械振動(dòng)。 差壓流量計(jì)是充滿管道的流體經(jīng)管道內(nèi)節(jié)流元件時(shí)，在節(jié)流元件附近造成局部收縮，在其上、下游兩側(cè)產(chǎn)生靜壓力差，通過(guò)測(cè)量壓力差來(lái)計(jì)算流體流量；特點(diǎn)是應(yīng)用歷史悠久，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，價(jià)格低廉，應(yīng)用范圍廣泛，可以根據(jù)不同工況選擇不同類型的節(jié)流元件以滿足測(cè)量要求；不足之處是壓損大，安裝要求較高，維護(hù)量大，測(cè)量范圍窄。

 

標(biāo)準(zhǔn)渦街流量計(jì)工作溫度為 － ２９ ～ ＋ ２６０ ℃，其不能滿足換熱站的要求；差壓式流量計(jì)更加適用于換熱站的流量測(cè)量。 對(duì)于換熱站中蒸汽的測(cè)量，優(yōu)先選擇差壓式流量計(jì)中的噴嘴流量計(jì)。 一般節(jié)流元件若長(zhǎng)期處于高溫、高壓和高流速的流體沖擊，節(jié)流元件會(huì)發(fā)生變形，開孔比會(huì)發(fā)生變化，隨之精度發(fā)生變化。 而噴嘴流量計(jì)的節(jié)流件本身無(wú)銳角，是一個(gè)喇叭口的結(jié)構(gòu)形式，有自導(dǎo)流的作用，壓損相對(duì)較小，節(jié)流件不易發(fā)生變形，可保持長(zhǎng)時(shí)間高精度。 為保證噴嘴流量計(jì)的測(cè)量精度，防止差壓節(jié)流元件與差壓變送器之間引壓管線產(chǎn)生泄漏、堵塞及凍結(jié)等故障，引壓管應(yīng)采取保溫伴熱措施。 同時(shí)，為防止生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽溫度和壓力波動(dòng)較大，偏離流量設(shè)計(jì)值，應(yīng)充分考慮溫度、壓力補(bǔ)償。

 

對(duì)于熱媒的測(cè)量因管道口徑較大且空間有限，則優(yōu)先選擇多孔平衡流量計(jì)。 平衡流量計(jì)具有對(duì)稱多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，多孔分散受力，流體形態(tài)好，平衡了測(cè)量流場(chǎng)，降低了渦流、振動(dòng)和信號(hào)噪聲，大幅提高流場(chǎng)穩(wěn)定性。 因流場(chǎng)平衡，調(diào)整穩(wěn)定，也大大縮短了對(duì)直管段的要求。

 

３、液位計(jì)選型

在早期凝液液位測(cè)量中單室平衡容器液位計(jì)得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)測(cè)量設(shè)備正負(fù)壓側(cè)的壓差來(lái)計(jì)算液位。 但由于設(shè)備內(nèi)的蒸汽凝液和平衡容器內(nèi)的冷凝水溫度不同（即密度不同），正負(fù)壓側(cè)引壓管內(nèi)的介質(zhì)度不同，從而引起計(jì)算誤差。 經(jīng)過(guò)改良后出現(xiàn)了雙室平衡容器液位計(jì)，如圖 ３ 所示。

負(fù)壓側(cè)的引壓管置于平衡容器內(nèi)，下部與設(shè)備內(nèi)的凝液相連通。 正負(fù)壓測(cè)的引壓管內(nèi)凝液溫度比較接近，從而減少了單室平衡容器液位計(jì)因正負(fù)壓引壓管內(nèi)凝液密度不同而引起的測(cè)量誤差。 但在應(yīng)用上仍然存在以下不足：無(wú)法全工況工作，因工況發(fā)生變化導(dǎo)致凝液溫度和壓力變化（即密度變化）的情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)校正；由于平衡容器的向外散熱，容器內(nèi)凝水溫度由上至下逐步降低，且溫度分布不易確定，因此密度很難確定；引壓管線需要考慮保溫伴熱。

 

智能電容液位計(jì)近年來(lái)在蒸汽凝液的液位測(cè)量中應(yīng)用越來(lái)越多。 如圖 ４ 所示，智能電容液位計(jì)是由測(cè)量探極與測(cè)量筒構(gòu)成電容器，利用液位變化與測(cè)量探極產(chǎn)生的電容值變化之間關(guān)系，通過(guò)軟件將檢測(cè)的電容值變化經(jīng)過(guò)補(bǔ)償計(jì)算后，輸出與物位變化成正比的兩線制 ４ ～２０ ｍＡ 信號(hào)。 根據(jù)全空間感應(yīng)式 Ｃ ＝ ｋＳ（Ｈ） ／ ｄ 得到：修正測(cè)量區(qū)的空值：

 

由式（１） ～ 式（３）可以看到，電容值 Ｃ 只與介電常數(shù) ｋ、探極正對(duì)面積 Ｓ（Ｈ） 和極間距 ｄ 相關(guān)。正對(duì)面 積 Ｓ 和 標(biāo) 高 Ｈ 成 正 比。 其 中 Ｈ 汽 ， Ｈ 水 ，Ｈ 測(cè)量標(biāo)高 ，ｄ 汽 ，ｄ 水 和 ｄ 測(cè) 均為物理制作的定值，變量ｋ 測(cè) 可以根據(jù)式（１）、式（２）中計(jì)算得出的 ｋ 汽 和 ｋ 水進(jìn)行線性關(guān)系計(jì)算后得出。 因此，設(shè)備的液位測(cè)量值 ｈ 測(cè) 僅和介電常數(shù)有關(guān)，不受介質(zhì)溫度和壓力影響。 設(shè)計(jì)中可以結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，參考表 ２來(lái)進(jìn)行液位計(jì)選型。

４　閥門選型

換熱站熱媒側(cè)的閥門可以選擇常規(guī)波紋管柱塞閥。 蒸汽側(cè)由于高溫、高壓，因而對(duì)金屬材質(zhì)及閥門形式的選擇都有嚴(yán)格要求。

４． １　高溫高壓閥門材質(zhì)

在換熱站只有一級(jí)換熱的情況下，蒸汽溫度不會(huì)高于 ４２７ ℃，工藝管道材質(zhì)通常選用 ２０Ｇ，閥門的閥體材質(zhì)非常低檔可以選擇 ＷＣＢ。 在有二級(jí)及以上換熱的情況下，蒸汽溫度會(huì)高于４２７ ℃，工藝管道材質(zhì)通常選用合金鋼１５Ｃｒ１Ｍｏ 和１２Ｃｒ１ＭｏＶＧ 等，閥門的閥體材質(zhì)可以結(jié)合閥門的生產(chǎn)周期及費(fèi)用，根據(jù)閥體材質(zhì)的使用溫度和壓力范圍選擇 ＷＣ６，ＷＣ９ 合金鋼或 ＣＦ８，ＣＦ８Ｍ 不銹鋼（見(jiàn)表 ３）。

４． ２　高溫高壓閥門選型

換熱站高溫高壓的開關(guān)閥主要用于換熱器蒸汽管道的入口及出口，平時(shí)處于全開狀態(tài)，而一旦出現(xiàn)異常需緊急關(guān)斷開關(guān)閥，以保障人身安全和高壓設(shè)備安全。 閥芯組件平行雙閘板閥由楔形塊、左右漲塊和左右密封盤等構(gòu)成，如圖 ５ 所示。

楔形塊、左右漲塊和左右密封盤等機(jī)件之間采用大間隙活動(dòng)連接結(jié)構(gòu)，能自行定位、自行脫開及自行調(diào)整，不會(huì)因溫度變化而影響閥門的密封和動(dòng)作。 而且平行滑動(dòng)結(jié)構(gòu)利用流體壓差自密封，介質(zhì)壓力越大密封越好。 因克服了外加機(jī)械密封時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，所以要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力較小，閥門可以更快速地完成開關(guān)，避免了常規(guī)閘閥易出現(xiàn)的卡阻的現(xiàn)象。 選用平行雙閘閥很好地滿足了換熱站的工況要求，做到閥門關(guān)斷時(shí)間短，防泄漏等級(jí)高，可靠性高。

５　結(jié)語(yǔ)

越來(lái)越多的企業(yè)選擇采用集中供熱方式，不僅有利于煙氣污染物排放的處理，也為日后實(shí)施二氧化碳的捕集做好鋪墊。 面對(duì)龐大的換熱站建設(shè)需

求，只有深入了解換熱站工藝技術(shù)特點(diǎn)，才能保證儀表選型的合理，從而提高設(shè)備壽命，保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行，為國(guó)家 ２０３０ 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、２０６０ 年前實(shí)現(xiàn)碳中和做出貢獻(xiàn)。