摘要(yào):概述了吹掃轉(zhuǎn)子流量計
在煤(mei)氣化裝置中的(de)應用,通過理想(xiǎng)氣體狀态方程(chéng)和🔅不可壓☔縮流(liú)體的一般能量(liang)方程,深入剖析(xī)了吹掃轉子流(liu)🔴量計在氣體和(hé)液體吹掃應用(yòng)中量程确定的(de)關鍵步驟。以實(shí)際數據爲基礎(chu),依據相關标準(zhǔn)中的條款,分别(bie)闡述❗了吹掃轉(zhuan)子流量計在氣(qì)體和👨❤️👨液體吹掃(sao)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(chuī)掃轉子流量計(ji)在量程選擇時(shí)容易犯的兩個(ge)錯誤;同時探讨(tǎo)了相關标準規(guī)範在液體吹掃(sǎo)應用時的局限(xian)性。
煤氣化裝置(zhì)中煤粉輸送管(guǎn)線内介質爲被(bèi)載氣流化的煤(méi)🏃♀️粉,如果直接采(cǎi)用導壓管的形(xing)式測量管道内(nèi)的壓力🏃♀️,煤粉極(ji)易堵塞取壓管(guǎn)線;黑水或激冷(leng)水中不僅含有(yǒu)易堵塞取壓管(guan)線的固體💘顆粒(lì)物,而且⛹🏻♀️具有較(jiào)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(hui)因爲磨損和腐(fu)蝕的雙重影響(xiǎng)大🐕幅縮短壽命(ming)。因此,必須在變(bian)送器取壓通道(dao)和工藝管道之(zhi)間利用中間介(jie)質🔞進行隔離。工(gōng)業應用中通👣常(chang)采用吹掃轉子(zi)流量計将中間(jian)介質😍引❄️入取壓(ya)管線内,可達到(dao)既不影響測量(liang)精👈度,又可對測(ce)量管線和變送(song)器起到保護作(zuo)用的目的。
1、吹掃(sǎo)轉子流量計工(gong)作原理
吹掃轉(zhuan)子流量計由恒(héng)流閥、針型閥和(hé)轉子流量計三(san)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(chū)時,可以認爲吹(chui)掃轉子流量計(jì)🌍的入口🔴壓力是(shì)❤️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(xià)方彈簧的彈力(lì);A--隔膜截面積;A1--閥(fá)球截面積💚;p2----吹掃(sǎo)轉子流量計恒(héng)流閥上殼室壓(yā)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(shì)中:p1--吹掃轉子流(liú)量計入口壓力(li)。
3)當隔膜上下受(shou)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(zuo)原理。
2轉子(zi)流量計氣體吹(chuī)掃應用分析
2.1應(ying)用概述
氣體介(jiè)質的壓力測量(liàng)通常采用導壓(ya)管的形式,帶吹(chui)🈲掃轉🌈子流量計(jì)的
壓力變送器(qì)
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(diào)節裝置(恒流閥(fá)、針型閥)構成了(le)♉1個負反饋🌏閉環(huan)調節回路。在系(xi)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(liú)🐕速通過取壓口(kǒu)往工藝管道或(huo)設備内流動,以(yi)防止顆粒✊物進(jin)入導壓管。吹掃(sao)N2可以🧡正向流動(dòng),說🥵明導壓管内(nei)的吹掃N2壓力大(da)于工🚩藝介質的(de)壓力,即變送器(qì)測量的壓力值(zhi)要大于工藝介(jiè)✔️質的壓力;隻要(yao)把吹掃N2與工藝(yi)介質的實💋際壓(ya)力誤🈲差控制在(zài)工程可以接受(shòu)的範圍内,測量(liang)的精度仍❓然可(ke)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(liang)會瞬間減小,使(shi)得導壓管内壓(ya)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(zhi)就會增大吹掃(sao)轉子流量計出(chū)口處N2體積流🈚量(liang),直到吹掃N2體積(ji)流✌️量值回歸正(zheng)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(huì)瞬間❌增大,将導(dao)壓管内的壓力(li)拉低,調節裝置(zhì)檢測到該變化(hua),就會減🔆小吹掃(sǎo)轉子流量計出(chū)口處N2體積流量(liang),直到吹掃N2體積(ji)流量值回歸正(zhèng)常。
因此,不管工(gōng)藝介質的壓力(lì)如何變化,隻要(yào)保證吹掃轉子(zi)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(shang)述即吹掃轉子(zi)流量計的應用(yòng)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(cháng)采用标準狀态(tai)下的體積流量(liàng)來計量,由于工(gong)藝專業給出的(de)吹掃氣體數據(ju)一般是操作狀(zhuang)态下的值,因而(ér)在計算過程中(zhōng)需要使用式
(5)所(suǒ)示的理想氣體(ti)狀态方程進行(hang)換算:
pV=nR(273+t)(5)
式中:p---理想(xiǎng)氣體的絕壓,Pa;V---理(lǐ)想氣體的體積(jī),m3;n---氣體的物質💚的(de)量,mol;R---理想氣體常(cháng)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(liàng)的氣體,n是不變(bian)的,R爲常數,所以(yǐ)定量氣體在操(cāo)作狀📱态🐅下和标(biao)準狀态下變換(huan)等式爲
式中:p操(cao)作---理想氣體操(cao)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(li)想氣體操作狀(zhuàng)态💯下的🍓溫度❗,℃;p标(biao)況---理想氣體标(biāo)準狀态下絕壓(yā),Pa;V标況---理想氣體(tǐ)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(shì):
式中:qv操作---理想(xiang)氣體操作狀态(tài)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(shì)(7)可推導出操作(zuò)狀态下和标準(zhun)狀态下的理想(xiang)氣體體積流量(liàng)換算關系:
2.3應用(yong)案例
某煤氣化(hua)裝置的煤加壓(ya)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(xū)要根據這些工(gōng)藝參數和相關(guan)管徑選取量♉程(cheng)合适的吹掃轉(zhuan)子流🚶量計。
2.3.1吹掃(sǎo)N2操作狀态下的(de)正常流速
首先(xiān)必須确定吹掃(sao)N2操作狀态下的(de)正常流速ʋ操作(zuò),ʋ操作決定了qv操(cao)作,是選取轉子(zǐ)流量計合适量(liang)程的‼️前提條件(jian)。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(chuī)洗設♉計規定》與(yu)APIRP551-1993ProcessMeasurementInstrumentation均規定吹掃氣(qi)體的流速在0.02~0.20m/s内(nei)💰選取;而SH3021-2013《石油化(huà)工儀表及管道(dao)隔離和吹洗設(shè)計規範》中規定(ding),對于一般流量(liàng)、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(miǎn)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(zhòng)合部分🤩的值作(zuo)爲吹掃N2操作狀(zhuàng)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(zi)流量計量程選(xuan)擇
1)對于低壓吹(chuī)掃N2,根據式(9)可計(jì)算出低壓吹掃(sao)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(cheng)标準狀态下的(de)體積流量qv(L-标況(kuang)):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(ze)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(ya)N2吹掃轉子流量(liang)計的正常體積(jī)流量值qv(H-标況;≈0.74~0.77m³/h,則(zé)該高💜壓N2吹掃轉(zhuǎn)子流量計的量(liang)程可選擇爲0.6~6.0m³/h。
以(yi)上選擇的吹掃(sǎo)轉子流量計量(liàng)程的下限與正(zhèng)常流量值很接(jiē)近,緣于理論計(jì)算做了理想化(hua)的近似👉,且不考(kǎo)慮所有的外部(bù)影響和幹擾。因(yin)此在實際工🙇♀️程(cheng)應用中,吹掃轉(zhuǎn)子流量計的體(tǐ)積流⭕量應有足(zu)夠的上調空間(jian),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(li)商工藝包中給(gěi)出了低壓和高(gāo)壓吹掃Nz操作狀(zhuàng)态下的質量流(liú)量正常值,其中(zhong)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(gāo)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(ji)流量,并作爲吹(chuī)掃轉子流量計(jì)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(jìn)一步考證,若🙇♀️盲(máng)目使用可能使(shi)計算結果會有(yǒu)偏差,從而導緻(zhi)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(liu)速值,并且判斷(duàn)該流速是否合(he)理或者是否🌈符(fu)合相關标準規(guī)範,即可驗證專(zhuān)利商提供的數(shu)據是否合适。
1)對(dui)于低壓吹掃N2,首(shǒu)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(sao)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(zuò))=qv(L-操作)/S=11217.27(m/h)=3.12(m/s)
2)高壓吹掃(sao)N2流速計算方法(fa)與低壓吹掃N2一(yī)緻,得出Ʋ(H-操作)=0.7m/s.
由(yóu)上述計算結果(guǒ)可以看出,低壓(yā)和高壓吹掃N,操(cāo)作狀态🙇♀️下的💃🏻流(liu)速均大于相關(guan)标準規範中對(dui)氣體吹掃介質(zhi)流速的規定範(fàn)圍,且Ʋ(H-操作)比相(xiang)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(liú)速進行吹掃轉(zhuǎn)子流量計選型(xing),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(zao)成較大的測量(liàng)誤差,輕則導緻(zhi)控制系統頻繁(fan)報警,影響回路(lù)調節的品質,重(zhòng)則可能引起裝(zhuang)置跳車♍,成爲安(an)全隐患。
2.4.2吹掃介(jiè)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(biao)1中操作壓力有(yǒu)兩個值,弄👈清🌏楚(chu)兩個值的意義(yì),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(zhuǎn)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(leng)室液位。由于氣(qì)化爐激冷室内(nei)的激冷水⛹🏻♀️爲複(fú)雜混合物,既含(han)有易堵塞的固(gu)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(biàn)🌈送器進行測量(liang)。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(sao),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(xi)水以防止取壓(ya)口堵塞影響液(ye)位測量,并延長(zhang)變送器的壽命(mìng)。帶吹❄️掃轉子流(liu)量計的雙法蘭(lan)差壓變送器安(ān)裝如圖3所示。
3.2分(fèn)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(yǔ)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(ya)縮❄️流體的相❤️關(guan)理論。如圖3所示(shi),由于引入了液(yè)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(yā)力🌈不是參考面(miàn)上的壓🧡力,而是(shì)沖🧑🏾🤝🧑🏼洗水的壓力(lì)。根據差壓法💃測(cè)量液位的原理(li),必須使🔞點1處的(de)沖洗🌈水壓力等(děng)于參考🌈面處的(de)壓力。以參考面(miàn)爲基準,對1和2兩(liang)點間的沖洗水(shuǐ)運動軌迹列出(chu)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(dian)處的壓力,Pa;ʋl,ʋ2---分别(bie)爲1和2兩點處的(de)沖洗水流速,m/s;hf----總(zong)的壓頭損失,m;Z---相(xiàng)對參考面的液(ye)位高度,m。
由于點(diǎn)2在激冷室液面(miàn)處的速度近似(si)爲零,即
ʋ2=0,則式(10)可(kě)簡化爲
3.3應用案(àn)例
某煤氣化項(xiang)目中,氣化爐激(jī)冷室内的工藝(yi)數據包🎯括:激冷(leng)水溫度爲230℃;激冷(lěng)室内絕壓爲4.6MPa;激(ji)冷水密度爲895kg/m³。
3.3.1沖(chòng)洗水最大流速(su)的确定方法
測(ce)量該氣化爐激(jī)冷室液位的雙(shuang)法蘭差壓變送(sòng)器的安裝方式(shì)與圖3一緻。同樣(yàng),在選擇吹掃轉(zhuan)子流量計量程(cheng)之前,需确定ʋ1。3.2節(jiē)從💘理論上分析(xi)了ʋ1的大小不影(yǐng)響測✍️量的結果(guo),但在🐆實際應用(yong)中,ʋ1的🔅選取應該(gai)從兩個方面去(qu)考慮:
1)ʋ1值應在合(hé)理範圍内取小(xiao)。在固定尺寸的(de)流道内如果ʋ1值(zhí)越大♉,相應流量(liang)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(yīng)在合理範圍内(nèi)取小。在固定尺(chi)寸的流道内如(rú)‼️果ʋ1值🐕越大🆚,相應(ying)流量也越大,吹(chui)掃轉子流量計(jì)的口🙇♀️徑可能會(huì)随之增大,從而(ér)導緻單台流量(liàng)計的投資加大(da)。
2)沖洗水的流态(tài)。儀表測量追求(qiu)穩定、擾動小,這(zhe)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(tài)穩定;而當沖洗(xi)水爲🥵湍流時,流(liú)體微團的不規(guī)則運動将導緻(zhi)流體産生持續(xu)劇烈的擾動,給(gei)儀表測量帝來(lái)不利,應當盡量(liang)避免。
因此沖洗(xǐ)水處于層流态(tài)對測量較爲理(lǐ)想,而臨界雷諾(nuò)數Re臨界是液體(ti)層流态與湍流(liu)态的理論.分界(jiè)點,Re臨界=2300,根💃據Re臨(lín)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(wei)DN80,故D:=0.08m;ʋ1max--沖洗水最大(dà)流速🔱,m/s;u--沖洗水運(yun)動黏度,m2/s。
3.3.2吹掃轉(zhuan)子流量計量程(cheng)選擇
計算之前(qián)需要确定沖洗(xǐ)水的相關參數(shù)。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(xǐ)水進🔞入氣化爐(lú)瞬間,其物理性(xing)質即被氣化爐(lú)内激冷水同💞化(huà)。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(nián)度μ=125×10-6Pa·s,運動黏度ʋ=μ/ρ水(shui)=1.4×10-7(m2/s)。将D,和u值代入式(shi)(14)計算💞得:
ʋ1max=0.0048m/s
若取ʋ1=0.5ʋ1max=0.0024m/s,則(zé)沖洗水的體積(jī)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(zhōng)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(guo)換成流道是彎(wan)曲的截止閥,沖(chong)洗水在彎道處(chu)📧會産生不可忽(hu)略的損失,導緻(zhì)點1處的壓力與(yǔ)參🌍考面處的壓(ya)力不.等,從而産(chǎn)生測量誤👅差。
SH3021-2013《石(shí)油化工儀表及(jí)管道隔離和吹(chui)洗設計規範》規(gui)定液⛱️體🔆吹💯掃隻(zhi)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(xǐ)設計㊙️規定》與APIRP551- 1993ProcessMeasurementInstrumentation均(jun1)規定當吹掃介(jiè)質爲液體時,吹(chuī)掃流量範圍爲(wèi)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(suo)适用的儀表安(an)裝形式,但該流(liú)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(gāi)也隻适用于采(cǎi)用導壓💋配管安(an)裝形式的僅表(biao)。
如果按照上述(shu)規範對圖3中的(de)儀表安裝形式(shì)選擇吹掃轉📐子(zi)流量計的量程(chéng),一定會導緻量(liàng)程過小,不僅起(qi)不到🈲吹掃作用(yong),反而有可能使(shǐ)激冷水反竄至(zhì)吹掃轉子流量(liàng)計中,導緻儀表(biǎo)損壞或引發安(an)全事🐆故。
4結束語(yu)
吹掃轉子流量(liang)計在煤氣化裝(zhuang)置中應用廣泛(fàn),雖然規範🌈或者(zhě)工♋藝商提供了(le)吹掃介質的相(xiang)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(shu)據應用的場合(he),容易對設計者(zhe)産生錯誤的引(yǐn)導。本文從理論(lùn)角度深入剖析(xi)了吹掃的本質(zhi),并分别對吹掃(sǎo).轉子流量計在(zai)氣體⁉️和液體吹(chuī)掃👅應用中提出(chū)了通用性的量(liàng)程選擇方法,有(yǒu)一定的實用價(jia)🤟值。
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