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        焦?fàn)t煤氣流量測量儀表的比較與分析

        2021-12-29 12:12:38
        化工設(shè)計(jì) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:焦?fàn)t煤氣差壓孔板

        劉 欣

        東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

        中國是世界焦炭產(chǎn)量最大的國家。 2019年中國焦炭產(chǎn)量達(dá)4.7億噸,占世界焦炭總產(chǎn)量的60%以上。煉焦用煤生產(chǎn)焦炭的同時(shí)會大量產(chǎn)出一種中熱值的可燃性氣體,這種煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品叫做焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣富含氫氣與甲烷,經(jīng)過凈化分離后可作為多種有機(jī)合成物的原料[1],因此焦?fàn)t煤氣流量的準(zhǔn)確測量也是焦?fàn)t煤氣綜合利用中的重要部分。

        1 焦?fàn)t煤氣常用流量測量儀表簡介

        焦?fàn)t煤氣流量測量可以利用各種類型的流量計(jì),其中包括超聲波流量計(jì)、節(jié)流裝置、平衡流量計(jì)等。這些測量方法有著各自的優(yōu)缺點(diǎn),適用于不同的工況要求。

        1.1 超聲波流量計(jì)

        超聲波流量計(jì)是基于超聲波在流動介質(zhì)中傳播速度等于被測介質(zhì)的平均流速與聲波在靜止介質(zhì)中速度的矢量和的原理而開發(fā)的流量計(jì)。超聲波流量計(jì)的信號檢測原理可分為傳播速度差法、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。當(dāng)前常用的超聲波流量計(jì)采用傳播速度差法,即安裝在管道中的全金屬超聲波換能器向流體上游和下游發(fā)送聲音脈沖(見圖1)。根據(jù)傳感器在順流和逆流時(shí)的傳輸時(shí)間差異來計(jì)算流體的速度、體積和質(zhì)量流量。

        超聲波流量計(jì)流量計(jì)算公式如下[3]:

        (1)

        (2)

        式中,qv為工況下的體積流量,m3/s;V為流速,m/s; P為超聲波通道長度,m;L為管徑,m;tup為逆流時(shí)的傳輸時(shí)間,s;tdn為順流時(shí)的傳輸時(shí)間,s;D為上游管道內(nèi)徑,m。

        圖1 超聲波流量計(jì)原理圖

        1.2 節(jié)流裝置

        節(jié)流裝置是一種歷史悠久、用量最大的流量計(jì)。節(jié)流裝置依據(jù)流體流過節(jié)流裝置,使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽墚a(chǎn)生差壓的原理來工作[4]。標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流元件按照GB/T 2624來設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用,無需實(shí)流校準(zhǔn)。節(jié)流式差壓流量計(jì)可測量所有單向流,包括液、氣、蒸汽等。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置全世界通用,并得到國際計(jì)量組織的認(rèn)可。

        標(biāo)準(zhǔn)孔板是測量流量的差壓發(fā)生裝置,配合各種差壓計(jì)或差壓變送器可測量管道中各種流體的流量。當(dāng)滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí),流束將在節(jié)流件處形成局部收縮,從而使流速增加,靜壓力低,于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓力降,即壓差,介質(zhì)流動的流量越大,在節(jié)流件前后產(chǎn)生的壓差就越大,通過測量壓差可以來衡量流體流量的大小。這種測量方法是以能量守衡定律和流動連續(xù)性定律為基準(zhǔn)的。

        節(jié)流裝置流量計(jì)算公式如下[5]:

        (3)

        式中,qv為工況下的體積流量,m3/s;c為流出系數(shù),無量綱;β=d/D,無量綱;d為工況下的孔板內(nèi)徑,mm;D為工況下的上游管道內(nèi)徑,mm;ε為可膨脹系數(shù),無量綱;Δp為孔板前后差壓值,Pa;ρ1為工況下流體的密度,kg/m3。

        1.3 平衡流量計(jì)

        平衡流量計(jì)是基于國標(biāo)GB2624在標(biāo)準(zhǔn)孔板和流動調(diào)整器基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型的節(jié)流元件,平衡流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流元件對比見圖2。

        它的工作原理與差壓式流量計(jì)一樣,即:在理想流體的情況下管道中的流量與差壓的平方根成正比;根據(jù)伯努利方程用測出的差壓值計(jì)算出管道中的流量。平衡流量計(jì)的節(jié)流元件是一個(gè)安裝在管道截面上的多孔圓盤節(jié)流整流器。當(dāng)流體穿過圓盤整流孔時(shí),流體將被節(jié)流元件整流,渦流被最小化,形成近似理想流體,通過取壓裝置,可獲得穩(wěn)定的差壓信號[6]。相比節(jié)流裝置,平衡流量計(jì)具有自整流效果,其直管段要求低。平衡流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)孔板直管段對比見圖3。

        平衡流量計(jì)流量計(jì)算公式如下[7]:

        (4)

        式中,Q為工況下的體積流量,m3/s; K為流量系數(shù),無量綱;Y為壓縮系數(shù),無量綱;Δp為孔板前后差壓值,Pa;ρ為工況下流體的密度,kg/m3。

        2 三種流量計(jì)比較

        超聲波流量計(jì)、節(jié)流裝置、平衡流量計(jì)在測量原理、適用范圍、安裝方式等方面各不相同。

        2.1 超聲波流量計(jì)

        超聲波流量計(jì)無可動部件,適應(yīng)含雜質(zhì)與潮濕氣體的環(huán)境,無需日常維護(hù),量程比高,無壓損,安裝方便,適用于任何口徑的流量測量。超聲波流量計(jì)不依賴于氣體特征,不對流體流動產(chǎn)生任何干擾。在基本負(fù)荷運(yùn)行的條件下,體積流量范圍通常在0.03m/s到85m/s之間。流量計(jì)包含一對或兩對傳感器、前置放大器和一臺電子儀表,可以通過熱鉆孔或者冷鉆孔的方式直接安裝在管線上,安裝方便。超聲波流量計(jì)沒有可動部件,不會造成測量元件堵塞與磨損,可以承受焦?fàn)t煤氣常見的腐蝕環(huán)境,無需日常維護(hù)。超聲波流量計(jì)現(xiàn)場安裝圖見圖4。

        圖4 超聲波流量計(jì)現(xiàn)場安裝圖

        2.2 節(jié)流裝置

        節(jié)流裝置只有在如下參考工作條件下,流量系數(shù)才與國標(biāo)GB2624中提供的數(shù)據(jù)相符:

        (1)流體充滿全部管道截面連續(xù)地流動。

        (2)道內(nèi)流體流速(流動狀態(tài))穩(wěn)定。

        (3)體通過節(jié)流裝置時(shí)不發(fā)生相變。

        (4)節(jié)流裝置前后有足夠長度的直管段。

        (5)通常節(jié)流裝置量程比在3∶1[8]。

        節(jié)流裝置需要與差壓顯示儀表連接,節(jié)流裝置安裝示意圖見圖5。

        圖5 節(jié)流裝置安裝示意圖

        標(biāo)準(zhǔn)孔板的現(xiàn)場安裝條件要求較高,一般需較長的直管段,至少應(yīng)為前20D后15D。節(jié)流裝置與差壓顯示儀表之間引壓管線亦為薄弱環(huán)節(jié),易產(chǎn)生泄露、堵塞及凍結(jié)等故障。

        2.3 平衡流量計(jì)

        平衡流量計(jì)測量精度高,量程比一般為10∶1,量程較寬;直管段要求短,前5D后3D即可滿足測量精度的要求。其永久壓損比節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)孔板低,在相同工況下,比傳統(tǒng)的節(jié)流裝置永久壓損小70%,節(jié)省了正常生產(chǎn)的運(yùn)營成本。同時(shí),平衡流量計(jì)耐臟污不宜堵,可以用于測量大口徑、低流速、臟污、腐蝕性的介質(zhì)。當(dāng)介質(zhì)為臟污或腐蝕性介質(zhì)時(shí),平衡流量計(jì)需要采用隔膜式的取壓法蘭。帶隔膜式取壓法蘭的平衡流量計(jì)安裝示意圖見圖6。

        圖6 帶隔膜式取壓法蘭的平衡流量計(jì)安裝示意圖

        綜上所述,三種流量計(jì)的對比總結(jié)見表1。

        表1 流量計(jì)對比表

        3 焦?fàn)t煤氣凈化工藝中的流量計(jì)選型

        3.1 焦?fàn)t煤氣凈化工藝流程

        焦?fàn)t煤氣凈化的工藝流程為:來自界外的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入電捕焦工段后經(jīng)螺桿壓縮機(jī)壓縮,后送入粗脫硫工段。焦?fàn)t煤氣經(jīng)粗脫硫塔初步凈化后送入TSA變溫吸附塔。來自TSA變溫吸附塔的焦?fàn)t煤氣經(jīng)離心壓縮機(jī)增壓,后送至焦?fàn)t煤氣精脫硫工段脫除有機(jī)硫。精脫硫后的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入濕法脫碳塔脫除二氧化碳,從而達(dá)到凈化煤氣成分和產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

        3.2 不同工況下焦?fàn)t煤氣流量計(jì)選型

        根據(jù)工藝流程,焦?fàn)t煤氣凈化工藝中如下三種工況需要測量焦?fàn)t煤氣流量(對比表見表2)。

        3.2.1 工況一:來自界區(qū)外焦?fàn)t煤氣

        針對工況一,該點(diǎn)氣體焦油含量高,當(dāng)嘗試選用差壓原理的流量計(jì)時(shí),為了防止測量管線被焦油堵塞,測量元件需要配套采用隔膜式取壓根部閥,因此無法選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。同時(shí)該點(diǎn)測量精度要求為1%,焦?fàn)t煤氣壓力為0.005MPa(G),管道直徑為DN2000,當(dāng)嘗試選用差壓原理的平衡流量計(jì)時(shí),需配合使用微小量程的隔膜式根部閥及差壓變送器,經(jīng)流量計(jì)廠家核算整個(gè)測量系統(tǒng)的精度至少為2.6%,無法滿足≤1%要求,且系統(tǒng)壓損為0.0012MPa(G),焦?fàn)t煤氣管線的壓降過大。經(jīng)與業(yè)主溝通,在業(yè)主可承受范圍內(nèi),該工況選用插入式超聲波流量計(jì)。根據(jù)計(jì)算,采用對角45°波形路徑的超聲波氣體流量計(jì),其測量精度可達(dá)0.9%,壓損在0.5kPa以下,滿足要求,采購安裝費(fèi)用在45萬元左右。

        表2 焦?fàn)t煤氣流量測量工況對比表

        3.2.2 工況二:粗脫硫反應(yīng)器進(jìn)口焦?fàn)t煤氣

        針對工況二,該點(diǎn)氣體壓力為0.48MPa(G),且該點(diǎn)測量精度要求為過程級,因此以上三種流量計(jì)都可以在此處選用。首先從經(jīng)濟(jì)方面考慮,超聲波流量計(jì)價(jià)格較為昂貴,因此此處考慮選用差壓式測量原理的流量計(jì)。同時(shí),該點(diǎn)位置的焦?fàn)t煤氣含焦油量為5mg/Nm3,為了防止測量管線被微小焦油堵塞,此處選用隔膜式根部閥及差壓變送器,因此該工況無法選用節(jié)流裝置,而選用帶隔膜式取壓法蘭的平衡流量計(jì)。根據(jù)計(jì)算,其滿刻度差壓為4.2kPa,最大壓損為1.3kPa,β比為0.6,采購安裝費(fèi)用大致在10萬元左右。

        3.2.3 工況三:脫碳塔出口焦?fàn)t煤氣凈化氣

        針對工況三,脫碳塔出口焦?fàn)t煤氣已不含雜質(zhì),操作壓力較高,以上三種測量儀表均可選用,對比表見表3。根據(jù)比較,在三種流量計(jì)均滿足測量要求的情況下,選用更為經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置方案。

        表3 三種流量計(jì)測量參數(shù)對比表

        3.3 三種工況的流量計(jì)對比結(jié)論

        通過上述分析對比,可以得到以下結(jié)論:

        (1)節(jié)流裝置需要使用在焦?fàn)t煤氣較為干凈的工況下;超聲波流量計(jì)及平衡流量計(jì)配合隔膜式差壓變送器可以測量臟污焦?fàn)t煤氣的流量。

        (2)節(jié)流裝置壓損最大,超聲波流量計(jì)壓損最小??紤]長期運(yùn)行能耗,超聲波流量計(jì)經(jīng)濟(jì)性最好,平衡流量計(jì)次之,節(jié)流裝置最差。

        (3)節(jié)流裝置采購成本最低,平衡流量計(jì)次之,超聲波流量計(jì)采購成本最高。

        4 結(jié)語

        焦?fàn)t煤氣流量儀表的選型非常重要,如何準(zhǔn)確測量也是焦?fàn)t煤氣綜合利用時(shí)生產(chǎn)部門普遍關(guān)注的問題。在實(shí)際的選用中,設(shè)計(jì)人員需根據(jù)不同工況下焦?fàn)t煤氣的溫壓、流量、管徑、組分及精度要求來合理選擇適合的流量儀表。同時(shí),設(shè)計(jì)人員也要跟業(yè)主進(jìn)行充分溝通,充分考慮費(fèi)用、使用經(jīng)驗(yàn)等各方面要求,合理選型,以保證焦?fàn)t煤氣流量測量的準(zhǔn)確。

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