焦?fàn)t煤氣流量測量儀表的比較與分析

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，其中包括超聲波流量計、節(jié)流裝置、平衡流量計等。這些測量方法有著各自的優(yōu)缺點，適用于不同的工況要求。

1.1 超聲波流量計

超聲波流量計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。超聲波流量計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的傳輸時間差異來計算流體的速度、體積和質(zhì)量流量。

超聲波流量計流量計算公式如下[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為逆流時的傳輸時間，s；tdn為順流時的傳輸時間，s；D為上游管道內(nèi)徑，m。

圖1 超聲波流量計原理圖

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。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、制造、安裝和使用，無需實流校準(zhǔn)。節(jié)流式差壓流量計可測量所有單向流，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，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

平衡流量計是基于國標(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算出管道中的流量。平衡流量計的節(jié)流元件是一個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，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，平衡流量計具有自整流效果，其直管段要求低。平衡流量計與標(biāo)準(zhǔn)孔板直管段對比見圖3。

平衡流量計流量計算公式如下[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 三種流量計比較

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

2.1 超聲波流量計

超聲波流量計無可動部件,適應(yīng)含雜質(zhì)與潮濕氣體的環(huán)境，無需日常維護，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。超聲波流量計現(xiàn)場安裝圖見圖4。

圖4 超聲波流量計現(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

平衡流量計測量精度高，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)的運營成本。同時，平衡流量計耐臟污不宜堵，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，平衡流量計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安裝示意圖見圖6。

圖6 帶隔膜式取壓法蘭的平衡流量計安裝示意圖

綜上所述，三種流量計的對比總結(jié)見表1。

表1 流量計對比表

3 焦?fàn)t煤氣凈化工藝中的流量計選型

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煤氣進入電捕焦工段后經(jīng)螺桿壓縮機壓縮，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)離心壓縮機增壓，后送至焦?fàn)t煤氣精脫硫工段脫除有機硫。精脫硫后的焦?fàn)t煤氣進入濕法脫碳塔脫除二氧化碳，從而達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，該點氣體焦油含量高，當(dāng)嘗試選用差壓原理的流量計時，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。同時該點測量精度要求為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時，需配合使用微小量程的隔膜式根部閥及差壓變送器，經(jīng)流量計廠家核算整個測量系統(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。根據(jù)計算，采用對角45°波形路徑的超聲波氣體流量計，其測量精度可達0.9%，壓損在0.5kPa以下，滿足要求，采購安裝費用在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)器進口焦?fàn)t煤氣

針對工況二，該點氣體壓力為0.48MPa(G)，且該點測量精度要求為過程級，因此以上三種流量計都可以在此處選用。首先從經(jīng)濟方面考慮，超聲波流量計價格較為昂貴，因此此處考慮選用差壓式測量原理的流量計。同時，該點位置的焦?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。根據(jù)計算，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，在三種流量計均滿足測量要求的情況下，選用更為經(jīng)濟的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置方案。

表3 三種流量計測量參數(shù)對比表

3.3 三種工況的流量計對比結(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；超聲波流量計及平衡流量計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，超聲波流量計壓損最小?？紤]長期運行能耗，超聲波流量計經(jīng)濟性最好，平衡流量計次之，節(jié)流裝置最差。

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

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煤氣綜合利用時生產(chǎn)部門普遍關(guān)注的問題。在實際的選用中，設(shè)計人員需根據(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，設(shè)計人員也要跟業(yè)主進行充分溝通，充分考慮費用、使用經(jīng)驗等各方面要求，合理選型，以保證焦?fàn)t煤氣流量測量的準(zhǔn)確。