摘要(yào):概述了吹掃轉(zhuan)子流量計
在煤(méi)氣化裝置中的(de)應用,通過理想(xiang)氣體狀态方程(chéng)和不可壓縮流(liu)體的一般能量(liang)方程,深入剖析(xi)了吹掃轉子流(liu)量計📧在氣體和(hé)液體吹掃應用(yong)中量程确定的(de)關鍵步驟🐆。以實(shi)際數據爲基礎(chǔ),依據相關标準(zhun)中的條款,分别(bié)闡述了吹掃轉(zhuǎn)子流量計在氣(qì)體和⚽液體吹掃(sǎo)應用中量程的(de)🙇♀️選擇過程;并且(qiě)澄清了在氣體(ti)吹掃應用中,吹(chui)掃轉子流量計(ji)在量程選擇時(shi)容易犯的兩個(gè)錯誤;同時探讨(tao)了相關标準規(guī)範在液體吹掃(sao)應用時的👅局限(xiàn)性。
煤氣化裝置(zhi)中煤粉輸送管(guan)線内介質爲被(bei)載氣流化的煤(méi)🛀粉,如果直接采(cǎi)用導壓管的形(xíng)式測量管道内(nei)的壓力,煤粉極(jí)易堵塞取壓管(guan)線;黑水或激冷(leng)水中不僅含有(yǒu)易🏃🏻♂️堵塞取壓管(guǎn)線的固體顆粒(lì)物,而且具有較(jiao)強的腐蝕性,如(ru)果變送器測量(liang)元件與之長時(shi)間直接接觸,會(huì)因爲磨損和腐(fu)蝕的雙重影響(xiang)大😘幅縮短壽命(mìng)。因💃此,必須在變(biàn)送器取壓通道(dao)和工藝管道之(zhī)間利用中間介(jiè)質進行隔離。工(gong)業應用中通🚩常(cháng)采用吹掃轉子(zi)流🍉量計将中間(jiān)介質引🚩入取壓(yā)管線内,可達♊到(dào)既不影響測量(liàng)精⚽度,又可對測(cè)量管線和變送(sòng)器起到保護作(zuo)用的目的。
1、吹掃(sǎo)轉子流量計工(gōng)作原理
吹掃轉(zhuan)子流量計由恒(heng)流閥、針型閥和(he)轉子流量計三(sān)部分組成👣,内部(bu)結構如圖1所示(shì)。當現場公用物(wu)料站有穩定的(de)吹掃介質輸出(chu)時,可以認爲吹(chuī)掃轉子流量計(jì)的入口壓力是(shi)恒定的👉。對恒流(liú)閥中的隔膜進(jin)行受力分析如(rú)下:
F1=p2A+p3A1+F(1)
式中:F---閥球下(xia)方彈簧的彈力(li);A--隔膜截面積;A1--閥(fa)球截面🤟積✂️;p2----吹掃(sǎo)轉❗子流量計恒(heng)流閥上殼室壓(ya)力;p3---吹掃轉子🛀🏻流(liu)量計出口壓力(lì)。
2)隔膜受到向上(shàng)的作用力爲
F2=p1A+p2A1(2)
式(shi)中:p1--吹掃轉子流(liú)量計入口壓力(li)。
3)當隔膜上下受(shòu)力平衡時,即F1=F2:
p2A+p3A1+F=p1A+P2A1(3)
式(shì)(3)變形得:
P1-p2=F/A-A1(p2-p3)/A(4)
由于A1遠(yuan)小于A,因而A1(p2-p3)/A可以(yǐ)忽略不計,同時(shí)F和A都是恒定值(zhi),故p1-p2也爲恒🆚定值(zhi),即流量不會因(yin)爲出口壓力的(de)變化而變化,上(shang)述即吹掃轉⭐子(zi)流量計的工作(zuò)原理。
2轉子(zi)流量計氣體吹(chuī)掃應用分析
2.1應(yīng)用概述
氣體介(jiè)質的壓力測量(liàng)通常采用導壓(yā)管的形式,帶吹(chui)掃轉子流量計(ji)的
壓力變送器(qi)
導壓配管安裝(zhuāng)如圖2所示。
圖2中吹掃(sao)轉子流量計入(ru)口的吹掃N2具有(you)恒定壓力💋,吹掃(sao)🌈轉子流量計的(de)出口接管和調(diao)節裝置(恒流閥(fá)、針型閥)構♉成了(le)㊙️1個負反饋閉環(huán)調節回路。在系(xì)統開始運行時(shi),人工🍓調節吹掃(sao)轉子流量計上(shang)的針型閥✉️,使吹(chui)掃N2以合适的流(liu)速通過取壓口(kou)往工💋藝管道或(huo)設備内流動,以(yi)防止顆粒物進(jìn)入導壓管。吹掃(sǎo)N2可以👌正向流動(dòng),說明導壓管内(nèi)的吹掃N2壓力大(dà)于工藝介🐪質的(de)壓力,即變送器(qi)測量的壓力值(zhi)要大于工藝介(jie)質的壓力;隻要(yào)把吹掃N2與工藝(yi)介質的實際壓(yā)力誤差控制在(zai)工程可以接受(shou)的範圍内,測量(liàng)的精🈲度仍🚶然可(kě)以保證。
當系統(tong)波動導緻工藝(yì)管線中介質的(de)壓力增大時,吹(chuī)‼️掃N2的體積❗流量(liàng)會瞬間減小,使(shi)得導壓管内壓(yā)力增大,反饋回(hui)路将該壓力變(bian)化反饋給調節(jiē)裝置,調⚽節裝置(zhì)就會增‼️大吹掃(sao)轉子流量計出(chu)口處N2體積流量(liàng),直到吹掃N2體積(ji)流量值回歸正(zhèng)常;反之,系統波(bo)動導緻工藝管(guan)線中介質的壓(ya)力減小時🆚,吹掃(sǎo)N2的體積💃流量會(hui)瞬間增大,将導(dao)壓管内的壓力(li)拉低,調節裝置(zhi)檢測到該變化(hua),就會減小吹掃(sao)轉子流量計出(chu)口處N2體積流量(liàng),直到吹👉掃N2體積(jī)流量值回歸正(zheng)常。
因此,不管工(gōng)藝介質的壓力(lì)如何變化,隻要(yao)保證吹掃轉子(zǐ)流量計出口N2的(de)流速或者體積(jī)流量不變,就可(ke)以認爲吹掃N2的(de)壓力即爲工藝(yi)介質的壓力,上(shàng)述🌈即吹掃轉子(zi)流量計的應用(yong)原理。
2.2理想和标(biao)準狀态下氣體(ti)流量換算
氣體(ti)介質流量通常(chang)采用标準狀态(tai)下的體積流量(liang)來🔞計量,由于工(gōng)藝專業給出的(de)吹掃氣體數據(jù)一般是操作狀(zhuang)态下的值,因而(er)在計算過程中(zhōng)需要使用式
(5)所(suo)示的理想氣體(ti)狀态方程進行(háng)換算:
pV=nR(273+t)(5)
式中:p---理想(xiang)氣體的絕壓,Pa;V---理(li)想氣體的體積(ji),m3;n---氣體的物質的(de)量🌈,mol;R---理想氣體常(chang)數,R=8.314Pa·m/(mol·K);t---理想氣體的(de)溫度,℃
式(5)可以變(biàn)形爲
對于定量(liang)的氣體,n是不變(bian)的,R爲常數,所以(yǐ)定量氣體👅在操(cao)🐪作❄️狀态🌍下和标(biāo)準狀态下變換(huan)等式爲
式中:p操(cāo)作---理想氣體操(cāo)作狀态下的絕(jué)壓,Pa;V操作,-理想⛷️氣(qi)體操作狀态下(xia)的體積,m³;t操作理(lǐ)想氣體操作狀(zhuàng)态下的溫度,℃;p标(biāo)況---理想㊙️氣體标(biao)準狀态下絕壓(ya),Pa;V标況---理想氣體(ti)👌标準狀态下的(de)體積,m³。
式(6)兩邊同(tóng)時除以時間t,得(dé)到關于理想氣(qi)體操作狀态和(he)标準狀态下體(ti)積流量的等式(shi):
式中:qv操作---理想(xiǎng)氣體操作狀态(tai)下的體積流量(liàng),m³/h;qv标況---理想氣體(tǐ)☁️标準狀态下的(de)體積流量,m³/h。
由式(shi)(7)可推導出操作(zuo)狀态下和标準(zhun)狀态下的理想(xiang)氣體🌈體積✍️流量(liang)換算關系:
2.3應用(yong)案例
某煤氣化(huà)裝置的煤加壓(yā)及進料工序中(zhong)的吹掃N,工藝🤟參(can)數見表🔆1所列。吹(chui)掃轉子流量計(jì)的出口接管内(nèi)徑D1=6mm,儀表專業需(xu)📱要根據這些工(gong)藝參數和相關(guān)管徑選取量程(chéng)合适的吹掃轉(zhuǎn)子流量計。
2.3.1吹掃(sao)N2操作狀态下的(de)正常流速
首先(xian)必須确定吹掃(sao)N2操作狀态下的(de)正常流速ʋ操作(zuo),ʋ操作決定了qv操(cao)作,是選取轉子(zi)流量計合适量(liang)程的⛹🏻♀️前提條件(jiàn)。ʋ操作,qv操作,D1存在(zai)♉如下關系:
qv操作(zuò)=3600(πD21ʋ操作/4)(9)
不同規範(fàn)對該流量值的(de)描述有所區别(bié)。HG/T20515--2014《僅表隔離和吹(chui)💃洗✊設計規定》與(yǔ)APIRP551-1993ProcessMeasurementInstrumentation均規定吹掃氣(qì)體的流速在0.02~0.20m/s内(nei)🌏選取;而SH3021-2013《石油化(hua)工儀表及管道(dào)隔離和吹洗設(shè)計規範》中規定(dìng),對于一般流量(liang)、液位和壓力測(cè)量的吹氣⛷️速度(du)宜爲🤩0.2~0.3m/s。爲了避免(mian)各規範中🍓數據(jù)不同🤩而産生的(de)争議,選擇幾個(gè)規範中數據重(zhong)合部分的值作(zuo)爲吹掃N2操作狀(zhuang)态下的正常流(liu)速較爲合适,即(ji)ʋ操作🛀🏻=0.2m/s。
2.3.2吹掃轉子(zǐ)流量計量程選(xuan)擇
1)對于低壓吹(chui)掃N2,根據式(9)可計(jì)算出低壓吹掃(sǎo)N2在操作狀👅态下(xià)的正常體積流(liú)量qv(L-操作)=0.020m³/h,利用式(shi)(8)将qv(L-操作)換算成(chéng)标準狀态下的(de)體積流量qv(L-标況(kuàng)):qv(L-标況)≈0.02m³/h,則該低壓(yā)N2吹🍉掃轉子流量(liàng)計的量程可選(xuan)擇爲0.01~0.10m³/h。
2)對于高壓(ya)吹掃N2,仍然選擇(zé)ʋ操作=0.2m/s,根據式(9)計(ji)算得qv(H-操作)=0.0203m³/h。将工(gōng)藝介質的相關(guan)數據代入式(8)中(zhōng),計算出該高壓(yā)N2吹掃🐇轉子☎️流量(liang)計的正常體積(ji)流量值qv(H-标況;≈0.74~0.77m³/h,則(zé)該高壓N2吹掃轉(zhuan)子流量計的量(liang)程可選擇爲0.6~6.0m³/h。
以(yǐ)上選擇的吹掃(sǎo)轉子流量計量(liàng)程的下限與正(zheng)常流👄量值很接(jiē)🏃🏻♂️近,緣于理論計(jì)算做了理想化(huà)的近似🈲,且不🧑🏽🤝🧑🏻考(kao)慮所有🈲的外部(bu)影響和幹擾。因(yin)此在實際工程(chéng)應用中,吹掃轉(zhuǎn)子流量計的體(tǐ)積流量應有足(zú)夠的上調空間(jiān),以應對複雜的(de)實際工況。
2.4注意(yi)事項
2.4.1謹慎使用(yòng)專利商提供的(de)數據
由于專利(lì)商工藝包中給(gěi)出了低壓和高(gao)壓吹掃Nz操🐕作狀(zhuang)态下的質量流(liú)量正常值,其中(zhōng)低壓N2的qm(L-操作)=1.7kg/h,高(gao)壓N2的qm(L-操作)=5.9kg/h。其中(zhōng)低壓吹掃N2的ρL=5.36kg/m³,高(gao)壓吹掃N2的ρH=82.6kg/m³,進而(ér)利用式(8)可換算(suan)成相應的标準(zhun)狀态下的體💯積(jī)流量,并作爲吹(chui)掃轉🐇子流量計(ji)量程的選擇依(yī)據。
但是,專利商(shāng)提供的數據是(shi)否合适有待進(jin)一步考證,若盲(mang)目使用可能使(shǐ)計算結果會有(yǒu)偏差,從而導緻(zhì)吹掃轉子流量(liang)計選型錯誤。通(tong)過将低壓和高(gāo)壓吹掃N,操作狀(zhuàng)态🌐下的質☔量流(liu)量值換算成操(cao)作狀态下的流(liú)速值,并且判斷(duàn)該流速是否合(he)理或者是否符(fú)合相關标準規(guī)範,即可驗證專(zhuan)利商🎯提供的數(shù)據是否合适。
1)對(duì)于低壓吹掃N2,首(shou)先計算qv(L-操作):
qv(L-操(cao)作)=qm(L-操作)/ρL=0.317(m³/h)
該體積(ji)流量除以吹掃(sǎo)轉子流量計出(chu)口接管的流⭕通(tong)✏️截面積S即👉可計(ji)算出Ʋ(L-操作):
Ʋ(L-操作(zuo))=qv(L-操作)/S=11217.27(m/h)=3.12(m/s)
2)高壓吹掃(sǎo)N2流速計算方法(fǎ)與低壓吹掃N2一(yi)緻,得出Ʋ(H-操作)=0.7m/s.
由(yóu)上述計算結果(guo)可以看出,低壓(yā)和高壓吹掃N,操(cāo)作狀态下🚶♀️的流(liú)速均大于相關(guan)标準規範中對(duì)氣體吹掃介👄質(zhì)流速的規定範(fan)圍,且Ʋ(H-操作)比相(xiàng)關标.準規範中(zhong)數值大了一個(gè)數量✍️級。如果按(an)上述計算的流(liu)速♻️進行吹掃轉(zhuǎn)子流量🌐計選型(xíng),會使吹掃N2的壓(ya).力與工藝介質(zhi)的壓力之差遠(yuan)大于工程測量(liàng)的允許範圍,造(zào)成較大的測量(liàng)誤差,輕則導🌈緻(zhi)控制系統頻繁(fán)報警,影響回路(lu)調節🔞的品質,重(zhong)則可能㊙️引起裝(zhuāng)置跳車,成爲安(ān)全隐患。
2.4.2吹掃介(jie)質操作壓力值(zhi)選擇錯誤
文中(zhong)以低壓吹掃N2爲(wèi)例進行說明。表(biǎo)1中操作壓力有(yǒu)兩💃🏻個值,弄清楚(chǔ)兩個值的意義(yi),才不至于計算(suàn)錯誤。計算時應(yīng)采用工藝介質(zhì)正常操作壓力(lì),否則将造成量(liang)程選擇錯誤。
3轉(zhuan)子流量計液體(ti)吹掃應用分析(xī)
3.1應用概述
煤氣(qi)化裝置中液體(ti)吹掃的典型應(ying)用是差壓法測(ce)量氣👨❤️👨化爐🆚激🚶冷(lěng)室液位。由于氣(qi)化爐激冷室内(nei)的激冷水爲複(fú)雜混合物,既含(hán)有易堵塞的固(gù)體顆粒.物,也含(han)有腐蝕性成分(fen),因此一般📞采用(yong)雙法蘭差壓變(bian)送器進行測量(liàng)。變送器負壓側(ce)法蘭隔膜與激(jī)冷室内的氣相(xiang)接觸,無需吹掃(sǎo),而變送器正壓(yā)側法蘭隔📧膜則(ze)與激冷水接觸(chu),必須引入沖洗(xǐ)水以防止取壓(ya)口堵塞影響液(yè)位測量,并延長(zhang)變送器的壽命(mìng)。帶吹掃轉子流(liú)量計的雙法蘭(lán)差壓變送器安(an)裝如圖3所🈲示。
3.2分(fen)析方法
吹掃轉(zhuan)子流量計應用(yòng)于液體吹掃時(shí)的分析手段與(yu)♈應用于氣體吹(chuī)掃有很大不同(tóng),需要運用流體(ti)力學中✍️不可壓(yā)縮流體的相關(guān)理論。如圖3所示(shi),由于引入了液(ye)體吹掃介質沖(chong)洗水,變送器的(de)💰正壓測法蘭隔(ge)膜上測✔️得的壓(ya)力不是參考面(mian)上的壓力,而是(shi)沖㊙️洗水的壓力(li)。根據差壓法👨❤️👨測(ce)量液位的原理(li),必須使點1處的(de)沖洗水壓力等(deng)于參考♍面處的(de)壓力。以參考面(mian)爲基準,對1和2兩(liǎng)點間的🤟沖洗水(shuǐ)運動軌迹列出(chū)不可📱壓縮流體(ti)的一般能量方(fāng)程得:
式中:ρ水---沖(chòng)洗水的密度,kg/m³;g---重(zhong)力加速度,m/s²;Pl水,P2水(shuǐ)---分别爲1和2兩點(diǎn)處的壓力,Pa;ʋl,ʋ2---分别(bié)爲1和2兩點處的(de)沖洗水流速,m/s;hf----總(zǒng)的壓頭損💚失,m;Z---相(xiàng)對參考面的液(yè)位高度,m。
由于點(dian)2在激冷室液面(miàn)處的速度近似(sì)爲零,即
ʋ2=0,則式(10)可(kě)簡化爲
3.3應用案(an)例
某煤氣化項(xiàng)目中,氣化爐激(jī)冷室内的工藝(yi)數據包括:激📱冷(lěng)水溫度爲230℃;激冷(lěng)室内絕壓爲4.6MPa;激(jī)冷水密度爲895kg/m³。
3.3.1沖(chong)洗水最大流速(su)的确定方法
測(ce)量該氣化爐激(ji)冷室液位的雙(shuāng)法蘭差壓變送(song)器的安裝📐方式(shi)🛀🏻與圖3一緻。同樣(yang),在選擇吹掃轉(zhuǎn)子流量計量程(chéng)之前,需确定ʋ1。3.2節(jie)從理論上分析(xi)了ʋ1的大小不影(yǐng)響測量的結果(guǒ),但在實際應用(yòng)中,ʋ1的選取應該(gai)從兩個方面去(qu)考慮:
1)ʋ1值應在合(he)理範圍内取小(xiǎo)。在固定尺寸的(de)流道内如果ʋ1值(zhi)越🐕大,相應流量(liàng)也越大,吹掃轉(zhuan)子流量計的口(kou)⛷️徑可能會随之(zhī)增大,從而🧑🏽🤝🧑🏻導緻(zhì)單台流量計的(de)投資✉️加大。
1)ʋ1值應(ying)在合理範圍内(nei)取小。在固定尺(chǐ)寸的流道内如(ru)果🔞ʋ1值❄️越大,相應(yīng)流量也越大,吹(chui)掃轉子流量計(ji)的口徑可能會(huì)随之增大,從而(er)導緻單台流量(liang)計的投資加大(da)。
2)沖洗水的流态(tài)。儀表測量追求(qiú)穩定、擾動小,這(zhè)與沖洗水的流(liú)🐆态關系密切,若(ruò)沖洗水爲層流(liu)時,其流體形态(tai)穩定;而當沖洗(xi)✍️水爲🔴湍流時,流(liú)體微團的不規(gui)則運動🚶♀️将導緻(zhì)流體産生持續(xù)劇烈的擾動,給(gěi)儀表測量帝來(lái)💚不利,應當盡量(liàng)避免。
因此沖洗(xǐ)水處于層流态(tai)對測量較爲理(lǐ)想,而臨界雷諾(nuo)數Re臨界是液體(tǐ)層流态與湍流(liu)态的理論.分界(jie)點,Re臨界=2300,根據Re臨(lin)界可以計算出(chu)ʋ1max計算公式如下(xia):
ʋ1max=Re臨界V/D2(14)
式中:D2-沖洗(xi)水流道内徑,法(fǎ)蘭接口尺寸爲(wèi)DN80,故D:=0.08m;ʋ1max--沖洗水最☁️大(dà)流📱速,m/s;u--沖洗水運(yùn)動黏度,m2/s。
3.3.2吹掃轉(zhuan)子流量計量程(chéng)選擇
計算之前(qian)需要确定沖洗(xi)水的相關參數(shu)。由于沖洗水的(de)量遠小于氣化(huà)爐内激冷水的(de)量,因而當沖洗(xi)水進入氣化爐(lu)瞬間,其物❌理性(xìng)質即被氣化爐(lu)内激冷水同化(hua)。取沖洗水的溫(wēn)度t水=230℃,沖洗水⁉️的(de)壓力p水=4.6MPa,沖洗水(shui)的密🧡度ρ水=895kg/m³。
經查(chá)詢《化工物性數(shu)據表》知,在溫度(du)爲230℃,壓力爲4.6MPa條件(jian)下,水⚽的動力黏(nian)度μ=125×10-6Pa·s,運動黏度ʋ=μ/ρ水(shuǐ)=1.4×10-7(m2/s)。将D,和u值代入式(shì)(14)計算🥵得:
ʋ1max=0.0048m/s
若取ʋ1=0.5ʋ1max=0.0024m/s,則(ze)沖洗水的體積(ji)流量qv水爲
故吹(chuī)掃轉子流量計(jì)的量程可選爲(wèi)0.2~2.0m³/h。
3.4注意事項
圖3中(zhong)所示的僅表根(gēn)部閥建議采用(yòng)全通徑球閥,因(yin)♉爲流道是直☁️通(tong)的,流阻小;如果(guǒ)換成流道是彎(wān)曲的截止閥,沖(chòng)洗水在彎道處(chù)會産生不可忽(hu)略的損失,導緻(zhi)點🆚1處的壓力與(yu)參考面處的壓(ya)力不.等,從而産(chan)生測量誤🧑🏽🤝🧑🏻差。
SH3021-2013《石(shi)油化工儀表及(ji)管道隔離和吹(chui)洗設計規範》規(gui)定液體吹掃隻(zhī)适用于采用導(dǎo)壓配管安裝方(fāng)式的儀💯表,并推(tuī)薦🔱了0.015m'/h和0.025m2/h這2個吹(chui)掃流量值;而HG/T20515-2014《僅(jin)表隔離和吹洗(xi)設計規定》與💜APIRP551- 1993ProcessMeasurementInstrumentation均(jun)規定當吹掃介(jie)質爲液體時,吹(chuī)掃流量範圍爲(wei)0.0014~0.0140m2/h。雖然2項規範中(zhong)沒有說明該吹(chuī)掃流量範圍所(suǒ)适用的儀表安(an)裝形式,但該流(liu)⭐量範圍值與🐪SH3021-2013《石(shí)油化工僅表及(jí)管.道隔離和吹(chuī)洗設計規範》的(de)推薦值數量級(ji)一緻,因此應該(gai)也隻适用于采(cai)用導壓配管安(an)裝形式的僅💔表(biao)。
如果按照上述(shù)規範對圖3中的(de)儀表安裝形式(shi)選擇💁吹掃轉👌子(zi)流量計的量程(chéng),一定會導緻量(liang)程過小,不僅起(qǐ)不到吹掃作用(yong),反而🚩有可能使(shi)激冷水反竄至(zhi)吹掃轉子流量(liàng)計中,導緻儀表(biao)損壞或引發安(ān)全事故。
4結束語(yǔ)
吹掃轉子流量(liàng)計在煤氣化裝(zhuāng)置中應用廣泛(fan),雖然規範😄或者(zhě)🍉工藝商提供了(le)吹掃介質的相(xiàng)關數據,但卻未(wei)對數☎️據的獲得(de)追本溯源,也沒(mei)有闡明這些數(shù)據應用😍的場合(he),容易對設計者(zhě)産生錯誤的引(yin)導。本文從理論(lun)角度深入剖析(xī)了吹掃的本質(zhì),并分别對吹掃(sǎo).轉子流量計在(zài)氣體和液體吹(chui)掃應用中提出(chū)了通用性的🏃🏻♂️量(liang)程選擇方法,有(you)一定的實用價(jia)💃值。
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