付榮申

（中國五環(huán)工程有限公司，武漢430223）

Shell煤氣化作為一種潔凈、高效的煤氣化技術(shù)被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備——汽包（V－1304）分為大室和小室，兩室之間上部隔斷，下部連通，如圖1所示。兩室頂端連通并需設(shè)置一臺流量計(jì)，該流量計(jì)即起到平衡閥的作用，又可以準(zhǔn)確地測量兩室之間蒸汽的體積流量，該流量是控制汽化爐內(nèi)溫度的重要參數(shù)。因此，選擇一款恰當(dāng)?shù)牧髁坑?jì)，對于整個(gè)煤氣化過程至關(guān)重要。

圖1 汽包大小室結(jié)構(gòu)示意

此處工藝介質(zhì)為高溫、高壓飽和蒸汽，工藝參數(shù)：操作溫度272.2℃，操作表壓為5.6MPa，最大流量10.3t／h，正常流量3.6t／h，最小流量720kg／h，密度29.1kg／m3，管徑DN100mm。工藝過程決定了所選用的流量計(jì)應(yīng)具有雙向流量測量功能，變送器要有三輸出功能。由于該流量計(jì)的安裝高度較高，也應(yīng)考慮其維護(hù)的方便性。

綜上所述，選擇一種低維護(hù)、壓損低、精度高、范圍度寬、雙向流量測量的蒸汽流量計(jì)成為關(guān)鍵，因而選擇三聲道蒸汽質(zhì)量超聲波流量計(jì)作為此處的測量儀表［1－3］。

1 測量原理

GE的GS868蒸汽質(zhì)量超聲波流量計(jì)采用BWT（The Bundle Waveguide Technology）技術(shù)的探頭，并使用受專利保護(hù)的互相關(guān)時(shí)差技術(shù)（Correlation Transit－Time TM），可提供精確、無漂移的超聲流量測量，對蒸汽流動(dòng)無阻礙。

互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理［4－8］如圖2所示。2臺小型傳感器被安裝于管線或管道上，一臺位于另一臺的上游，傳感器發(fā)射和接收穿過蒸汽的超聲信號。流量計(jì)測量順流和逆流的超聲波傳播時(shí)間差，并做數(shù)字信號處理和互相關(guān)測定，計(jì)算流體的流速和體積流量，還可以利用輸入的溫度和壓力值，以及內(nèi)置的蒸汽對照表，計(jì)算蒸汽質(zhì)量流量。

圖2 互相關(guān)時(shí)差法測量技術(shù)

圖2中，順流換能器和逆流換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)徑為D，超聲波傳播的路徑長度為L，超聲波順流傳播距離L的時(shí)間為Td，逆流傳播距離L的時(shí)間為Tu，超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向夾角為?。Td和Tu可用式（1）表示：

式中：c——超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速；v——流體介質(zhì)的流動(dòng)速度。

Tu和Td之間的差如式（2）所示：

式中：X——兩個(gè)換能器在管線方向上的距離，X＝Lcos?。

為了簡化計(jì)算，假設(shè)v遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于c，即：

因此，式（2）可簡化為：

同時(shí)可以推導(dǎo)出：

由此可見，當(dāng)c和X為固定的常數(shù)時(shí)，v與ΔT成正比。qV就可以用式（3）表示：

以上測得的是體積流量，在引入流體的溫度、壓力、相對分子質(zhì)量等測量值進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算后就可以得到精度比較高的質(zhì)量流量。

2 性能特點(diǎn)

2.1 無壓力降與低維護(hù)

蒸汽體積流量測量通常都產(chǎn)生永久性的壓力降，并且測量范圍有限。GS868蒸汽質(zhì)量超聲波流量計(jì)不和流體接觸，不會引起任何壓力降，它和孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的永久壓損的對比見表1所列。該流量計(jì)沒有會造成積聚和污染的部件，也無被磨損的可動(dòng)部件，因而無需潤滑，也無需或極少需要維護(hù)［9］。

根據(jù)旅游統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，2013-2016年中國國內(nèi)旅游人次和國內(nèi)居民出境人次均保持增長，其中中國國內(nèi)旅游人次增長率穩(wěn)定在10%以上，并有持續(xù)增長趨勢。2016年中國國內(nèi)旅游人次和國內(nèi)居民出境人次分別達(dá)到44.4億人次和1.2億人次，隨著用戶旅游經(jīng)驗(yàn)的積累，對于個(gè)性化和深度旅游需求不斷增加，為在線自助游奠定發(fā)展基礎(chǔ)。

表1 不同流量計(jì)的永久壓損

2.2 范圍度寬

該流量計(jì)范圍度非常寬，可以達(dá)到150∶1，與其他流量計(jì)的比較見表2所列。其精度一般為讀數(shù)的±（1～2）%，但取決于管道尺寸、單聲道、兩聲道或三聲道測量，在一定條件下精度可達(dá)到±0.5%。

表2 不同流量計(jì)的范圍度

2.3 適用的管徑和流速范圍寬

該流量計(jì)具有較寬的管徑和流速范圍，其適用于管徑為50～1 200mm，流速為0.03～46m／s的飽和蒸汽或過熱蒸汽測量。

2.4 雙向流量測量

雙向流量測量是該流量計(jì)的另一個(gè)特點(diǎn)。由于該流量計(jì)運(yùn)用互相關(guān)時(shí)差法進(jìn)行流量測量，其測量原理決定了管道中無論是正向流或逆向流，根據(jù)互相關(guān)時(shí)差算法都能測量其流量。

2.5 其他性能優(yōu)勢

該流量計(jì)系統(tǒng)本身還可以給出聲波的傳遞時(shí)間和聲速，可對流速、體積和質(zhì)量流量等參數(shù)進(jìn)行自診斷［10］，從而有助于排除故障。而且這些參數(shù)可以方便地打印、儲存，也可以以模擬量或數(shù)字量的形式發(fā)送到顯示器進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。

3 安裝設(shè)計(jì)

該流量測量系統(tǒng)包括傳感器（每個(gè)聲道1對）、現(xiàn)場變送器和信號電纜。傳感器可以安裝在預(yù)先加工好的帶機(jī)械插拔裝置接口的測量管上，也可以通過熱鉆孔或冷鉆孔的方式直接在線將機(jī)械插拔裝置安裝在工藝管道上，采用法蘭與工藝管道連接。前者相對費(fèi)用高，但安裝精度好，一般用于小口徑管道的應(yīng)用。安裝于管線上的超聲波傳感器向氣體順流和逆流方向發(fā)射超聲波信號。

該流量計(jì)傳感器可水平安裝，也可垂直安裝，但介質(zhì)中有固體顆粒時(shí)一般應(yīng)水平安裝。傳感器不應(yīng)安裝于流體自上而下的垂直管道上，因?yàn)榇祟惞艿烙捎诹黧w重力會產(chǎn)生一定加速度，也有可能造成流體不滿管。傳感器安裝時(shí)還應(yīng)遠(yuǎn)離彎頭、異徑接頭、閥門、節(jié)流裝置，安裝點(diǎn)直管段應(yīng)滿足前20D后10D（D為管道直徑）的要求，如有彎頭、異徑接頭、閥門、節(jié)流裝置，直管段應(yīng)適當(dāng)加長。

現(xiàn)場變送器一般就地放置于傳感器附近，以達(dá)到良好的信號傳遞作用。傳感器電纜最長可達(dá)150m。

4 結(jié)束語

蒸汽質(zhì)量超聲波流量計(jì)的應(yīng)用很好地解決了Shell煤氣化汽包大小室之間蒸汽介質(zhì)的雙向流量測量問題，且已經(jīng)在鶴壁600kt／a甲醇和同煤600kt／a甲醇等項(xiàng)目中得到應(yīng)用。由于該流量計(jì)自身的特點(diǎn)，使其適用于蒸汽介質(zhì)精確測量工況。當(dāng)對控制系統(tǒng)安全性要求較高時(shí)，蒸汽質(zhì)量超聲波流量計(jì)可采用兩聲道或三聲道形式測量。

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