煤气化装置吹扫转子流量计量程选择的探讨

　　在工业化迅速发展的大时代，缺少不了压力变送器、流量计、液位计、密度计、差压变送器等仪表把现场第一数据实时传输到工控系统上，为整个工业自动化系统充当控制、检测等一系列的眼睛，接下来华恒仪表为您解读工业现场最前沿的压力变送器使用情况。

　　总结了吹扫转子流量计在煤气化装置中的应用。通过理想气体状态方程和不可压缩流体的一般能量方程，深入分析了在气体和液体吹扫应用中确定吹扫转子流量计量程的关键步骤。以实际数据为基础，根据相关标准的条款，分别阐述了气体和液体吹扫应用中吹扫用转子流量计量程的选择过程。澄清了气体吹扫应用中选择吹扫转子流量计量程时容易犯的两个错误。同时，讨论了相关标准和规范在液体吹扫应用中的局限性。

　　煤气化装置中的煤粉输送管道中的介质是被载气流化的煤粉。如果以导压管的形式直接测量管道内的压力，煤粉很容易堵塞取压管道。或者急冷水不仅含有容易堵塞取压管道的固体颗粒，而且具有强腐蚀性。如果变送器的测量元件长时间与其直接接触，由于磨损和腐蚀的双重影响，使用寿命会大大缩短。因此，必须使用中间介质将变送器的取压通道与工艺管道隔离。在工业应用中，通常采用吹扫式转子流量计将中间介质引入取压管道，这不仅影响测量精度，还可以保护测量管道和变送器。

　　1.吹扫转子流量计的工作原理

　　吹扫转子流量计由恒流阀、针阀和转子流量计组成。内部结构如图1所示。当现场公用材料站有稳定的吹扫介质输出时，吹扫转子流量计的入口压力可以认为是恒定的。恒流阀中膜片的应力分析如下：

　　(1)横膈膜上的向下力为

　　F1=p2A+p3A1+F(1)

　　式中：f阀球下弹簧的弹力；隔膜截面积；A1阀球截面积；P2吹扫转子流量计恒流阀上壳室压力；P3吹扫转子流量计出口压力。

　　(2)横膈膜上的向上力为

　　F2=p1A+p2A1(2)

　　式中：P1吹扫转子流量计入口压力。3)当横膈膜的力上下平衡，即F1=F2: P2A  P3a1 F=P1A  P2a1 (3)时，公式(3)变形：P1-P2=F/A-A1(P2-P3)/A(4)A1(P2-P3)/A因为A1比A小很多转子流量计气体吹扫的应用分析

　　2.1应用概述

　　气体的压力测量通常采用导压管的形式，带吹扫转子流量计的压力变送器的导压管安装如图2所示。在图2中，吹扫转子流量计入口处的吹扫N2具有恒定压力，吹扫转子流量计的出口喷嘴和调节装置(恒流阀和针阀)构成负反馈闭环调节回路。当系统开始运行时，手动调节吹扫转子流量计上的针形阀，使吹扫N2以适当的流速通过测压口流入工艺管线或设备，以防止颗粒进入压力导管。吹扫N2可以向前流动，这意味着压力导管中吹扫N2的压力大于工艺介质的压力，即变送器测得的压力大于工艺介质的压力；只要吹扫N2与工艺介质之间的实际压力误差控制在工程可接受的范围内，测量精度还是可以保证的。当工艺管道中的介质压力因系统波动而升高时，吹扫N2的体积流量会瞬间降低，从而使导压管中的压力升高。反馈回路将压力变化反馈给调节装置，调节装置将增加转子流量计出口处吹扫N2的体积流量，直到吹扫N2的体积流量恢复正常。相反，当工艺管道中介质的压力由于系统的波动而降低时，吹扫N2的体积流量会瞬间增加，导压管中的压力会降低。当调节装置检测到这种变化时，转子流量计出口处的吹扫N2的体积流量将减少，直到吹扫N2的体积流量恢复正常。因此，无论工艺介质的压力如何变化，只要吹扫转子流量计出口N2的流量或体积流量保持不变，就可以认为吹扫N2的压力就是工艺介质的压力，这就是吹扫转子流量计的应用原理。

　　2.2理想和标准条件下气体流量的转换

　　气体流量通常用标准状态下的体积流量来衡量。由于工艺专业给出的吹扫气体数据通常是运行状态下的值，因此在计算过程中有必要使用公式(5)所示的理想气体状态方程进行转换：

　　pV=nR(273+t)(5)

　　式中：p理想气体的绝对压力，pa；v理想气体的体积，m3；n气体的物质的量，molr理想气体常数，r=8.314 PAM/(molk)；理想气体的试验温度，。方程(5)可以变形为对于定量气体，n为常数，r为常数，那么定量气体在工作状态和标准状态下的变换方程如下：p为工作状态下理想气体的绝对压力，pa；v工作理想气体工作状态下的体积，m3；t理想气体工作状态下的工作温度，；p标准温度和压力下理想气体标准状态下的绝对压力，Pa；v标准温度和压力下理想气体在标准状态下的体积，m3。方程(6)两边同时除以时间t，得到理想气体工作状态和标准状态下的体积流量方程：

　　式中：qv为理想气体工作状态下的体积流量，m3/h；理想气体标准状态下标准温度和压力的体积流量，m3/h等式(7)可用于推导工作状态和标准状态下理想气体体积流量的换算关系：

　　2.3应用案例

　　煤气化装置煤加压给料过程中吹扫N2的工艺参数见表1。吹扫转子流量计出口喷嘴的内径D1为6 mm，仪表专业需要根据这些工艺参数和相关管径选择合适量程的吹扫转子流量计。

　　注：1) 0.4 MPa为转子流量计入口处的低压吹扫N2压力；0.02mpa是工艺介质的正常工作压力；2) 5.6 MPa是吹扫转子流量计入口处的高压吹扫N2压力；4.9 ~ 5.1 MPa是工艺介质的正常工作压力。2 . 3 . 1 N2吹扫操作的正常流速首先，需要确定吹扫N2运行状态下的正常流量V操作。v操作决定了QV的操作，这是选择合适范围的转子流量计的先决条件。工序v、工序qv和D1具有以下关系：

　　运行qv=3600 (D21V运行/4) (9)不同的规范对这个流量值的描述不同。Hg/T  205152014 [0x9a8b]和API  RP  5511993《过程测量仪表》都规定吹扫气体的流量应在0.02 ~ 0.20 m/s范围内选取；Sh30212013 [0x9a8b]规定一般流量、液位、压力测量的吹扫速度为0.2 ~ 0.3m/s，为避免不同规范数据不同引起争议，选取几个规范中重叠数据的值作为N2吹扫运行状态下的正常流量较为合适，即V运行=0.2m/s2.3.2吹扫转子流量计的量程选择

　　1)对于低压吹扫N2，运行状态下的正常体积流量qv(L-运行)=0.0203m3/h可根据公式(9)计算，体积流量qv(L-运行)可通过公式(8)换算成标准体积流量qv(L-标准温度和压力):qv(L-标准温度和压力)0.02m3/h。

　　2)对于高压吹扫N2，仍选择V运行=0.2m/s，根据公式(9)计算qv  (H运行)=0.0203m3/h。将工艺介质的相关数据代入式(8)，计算出高压N2吹扫转子流量计的正常体积流量值qv(h-标准温度和压力)为0.74 ~ 0.77 m3/h，高压N2吹扫转子流量计的量程可选择为0.6 ~ 6.0 m3/h上面选择的吹扫转子流量计的量程下限非常接近正常流量值，因为理论计算已经做了理想化的近似，并且没有考虑所有外部影响和干扰。因此，在实际工程应用中，吹扫转子流量计的体积流量应有足够的上调空间，以应对复杂的实际工况。

　　2.4注意事项

　　2.4.1谨慎使用专利权人提供的数据。

　　专利商的工艺包中给出了低压和高压吹扫N2工况下的质量流量正常值，其中低压N2的QM  (L-operation)为1.7 kg/h，高压N2的QM  (H-operation)为5.9 kg/h，其中低压吹扫N2的L=5.36 kg/m3，高压吹扫N2的H=82.6 kg/m3，可通过公式(8)换算成标准状态下相应的体积流量但专利权人提供的数据是否合适，还需要进一步研究。如果盲目使用，计算结果可能会有偏差，从而导致吹扫转子流量计的错误选择。通过将低压和高压吹扫N2运行状态下的质量流量值转换为运行状态下的流量值，判断流量是否合理或符合相关标准和规范，可以验证专利商提供的数据是否合适。

　　1)对于低压吹扫N2，先计算qv(L-操作):qv(L-操作)=QM(L-操作)/L=0.317 (m3/h)体积流量除以吹扫转子流量计出口喷嘴的流通截面积S可计算出V(L-操作):V(L-操作)=qv  (L)从以上计算结果可以看出，N2在低压和高压吹扫操作下的流量均大于相关标准和规范中规定的气体吹扫介质流量范围，V  (L-operation)比相关标准和规范中的大一个数量级。如果根据以上计算的流量选择吹扫转子流量计，吹扫N2的压力与工艺介质的压力之差将远大于工程测量的允许范围，导致测量误差较大，可能导致控制系统频繁报警，影响回路调节质量，或导致装置跳闸，成为安全隐患。

　　液体吹扫在煤气化装置中的典型应用是用差压法测量气化炉激冷室的液位。由于气化炉激冷室中的急冷水是一种复杂的混合物，既含有固体颗粒，又含有腐蚀性成分，一般采用双法兰差压变送器进行测量。变送器负压侧的法兰膜片与急冷室内的气体接触，无需吹扫，而变送器正压侧的法兰膜片与急冷水接触，因此必须引入冲洗水，以防止测压口堵塞液位测量，并延长变送器的寿命。带吹扫转子流量计的双法兰差压变送器的安装如图3所示。

　　3.2分析方法

　　用于液体吹扫的吹扫转子流量计的分析方法与用于气体吹扫的分析方法有很大不同，因此有必要应用流体力学中不可压缩流体的相关理论。如图3所示，由于液态吹扫介质冲洗水的引入，变送器正压测量法兰膜片上测得的压力不是参考面上的压力，而是冲洗水的压力。根据差压法测量液位的原理，1点的冲洗水压力必须等于参考面的压力。以参考平面为基础，对于1点和2点之间的冲洗水的轨迹，列出了不可压缩流体的一般能量方程。

　　式中：水洗水的密度，kg/m3；重力加速度，米/S2；P1水和P2水分别是1点和2点的压力，Pa；V1和V2分别为1点和2点的冲洗水流速，m/s；HF的总水头损失，m；液位相对于z基准面的高度，m。由于激冷室液面上点2的速度近似为零，即V2=0，那么公式(10)可以简化为图3中冲洗水进入气化炉激冷室的方式是经典的流体运动方式淹没出流，所以有：

　　将等式(12)代入等式(11)并简化为：

　　P1=p2水水gz  (13)

　　而参考平面偏好平面的压力=P2水GZ水，所以P1水=偏好平面。因此，无论v1是什么，P1水=p参考平面。

　　3.4注意事项

　　图3所示的仪表根阀推荐使用全通径球阀，因为流道直通，流阻小；如果流道是弯曲的截止阀，冲洗水在曲线上会损失很多，会造成1点的压力与参考面的压力不同，造成测量误差。

　　Sh30212013《仪表隔离和吹洗设计规定》规定液体吹扫仅适用于有压力导管安装的仪表，推荐0.015m3/h和0.025m3/h两种吹扫流量值；Hg/T  205152014 [0x9a8b]和API  RP  5511993《过程测量仪表》都规定，当吹扫介质为液体时，吹扫流量范围为0.0014 ~ 0.0140 m3/h，虽然两个规范中没有规定适用于该吹扫流量范围的仪表安装形式，但该流量范围的值与Sh30212013 [0x9a8b]的推荐值处于同一数量级，所以应该只适用于有压力的仪表如果吹扫转子流量计的测量范围是根据图3中仪表安装形式的上述规范选择的，那么测量范围就会太小，不仅无法吹扫，而且可能导致急冷水回流到吹扫转子流量计中，造成仪表损坏或安全事故。

　　4结束语

　　吹扫转子流量计广泛应用于煤气化装置中。虽然规范或厂家提供了吹扫介质的相关数据，但没有追溯数据的来源，也没有明确这些数据的应用场合，容易给设计者错误的指导。本文从理论角度深入分析了吹扫的本质，提出了吹扫用转子流量计在气体和液体吹扫中应用的通用量程选择方法，具有一定的实用价值。

　　仪器仪表是工业化进程的基石，只有选用工业现场选用合适的仪表，才能够事半功倍，自动化流程才能够更加自动化。