煤化工粗煤氣流量計(jì)的應(yīng)用與改造

翟宏偉

(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317)

0 引言

近些年，隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)于煤化工而言，流量儀表是煤化工生產(chǎn)過程的重要指標(biāo)之一。流量計(jì)量貫穿于全過程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開流量計(jì)量。在現(xiàn)實(shí)中，操作工靠著這些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)測和控制，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝控制的自動(dòng)化。這對(duì)提高化工產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全，改進(jìn)工藝操作，改善工藝生產(chǎn)條件等方面都有著非常重要的意義。同時(shí)，流量計(jì)量也是企業(yè)經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)，流量計(jì)量準(zhǔn)確可靠是保證企業(yè)生產(chǎn)率進(jìn)行，保證最佳經(jīng)濟(jì)效益的重要手段之一。只有確保流量測量數(shù)據(jù)的科學(xué)與準(zhǔn)確，才能實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理工作的高效和實(shí)效，加強(qiáng)裝置進(jìn)出口流量計(jì)儀表的改造，不僅有利于促進(jìn)企業(yè)的節(jié)能降耗，而且有利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，從而有效提高生產(chǎn)效率。

1 裝置簡介

1.1 氣化變換裝置

變換裝置特點(diǎn)是高溫、高壓、易燃、易爆、易腐蝕、有毒有害；工藝特點(diǎn)是高CO、低水氣比、含塵含油的工藝氣。變換裝置處理來自氣化裝置3.9 MPa、175 ℃、176400 Nm3/h粗煤氣，粗煤氣進(jìn)入洗滌分離塔洗滌分離掉粗煤氣中的液滴、焦油、煤塵等雜質(zhì)后，進(jìn)入到氣氣換熱器管程，與殼程來自第二變換爐的變換氣換熱。換熱后的粗煤氣經(jīng)煤氣過濾器進(jìn)一步脫除煤氣中的焦油、灰塵后，進(jìn)入到第一變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)，該反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)。第一變換爐出口變換氣經(jīng)第一淬冷增濕器進(jìn)行增濕、降溫后進(jìn)入到第二變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)。反應(yīng)后的變換氣通過氣氣換熱器的殼程換熱后，依次進(jìn)入第二淬冷增濕器、第三變換爐、第三淬冷增濕器、第四變換爐；出第四變換爐的變換氣，逐級(jí)進(jìn)入淬冷水預(yù)熱器、洗滌水預(yù)熱器、鍋爐給水預(yù)熱器、脫鹽水預(yù)熱器、最終冷卻器的管程，變換氣洗滌降溫至40℃。經(jīng)冷卻裝置余熱回收，生成274000 Nm3/h，生成變換氣送至低溫甲醇洗工段。

來自氣化裝置的粗煤氣組分主要成分是CO、H2、CH4、CO2、水蒸汽、粗焦油、油類和輕烴類氣體。

1.2 低溫甲醇洗裝置

低溫甲醇洗裝置是中煤鄂爾多斯能源化工有限公司年產(chǎn)100萬噸合成氨項(xiàng)目主流程裝置。來自變換裝置的含飽和態(tài)水蒸氣的變換氣溫度40 ℃、壓力3.4 MPa(G)、流量274048 Nm3/h進(jìn)入甲醇洗裝置變換氣(單系列)，裝置按兩系列并列配置分別為低溫甲醇洗一系列及二系列。低溫甲醇洗的主要任務(wù)是脫除變換氣中CO2、H2S、COS及石腦油(粗苯)等雜質(zhì)，為液氮洗裝置提供合格的凈化氣；同時(shí)回收石腦油(粗苯)和部分CO2，為硫回收裝置提供富含H2S的酸性氣，為尿素裝置提供高純度的CO2產(chǎn)品氣，為VOCs裝置提供含有微量烴類的尾氣。本裝置包含如下幾個(gè)系統(tǒng)：變換氣冷卻系統(tǒng)、預(yù)洗和H2S/CO2吸收系統(tǒng)、甲醇閃蒸系統(tǒng)、熱再生系統(tǒng)、預(yù)洗甲醇再生系統(tǒng)、尾氣水洗及貯槽系統(tǒng)。

2 組分參數(shù)介紹

2.1 變換粗煤氣主要成分

粗煤氣組分含量N2(2.72%)、H2(26%)、CO2(4.78%)、 CH4(8.41%)、H2S(0.22%)、CO(57.41%)、CnHm(0.5%)、BTX(0.1%)、焦油(0.04%)、油(0.13%)、酚(0.02%)；壓力：3.9 MPa，溫度：175 ℃，操作密度：22.1 kg/m3，流量：176400 Nm3/h[1]。

2.2 低溫甲醇洗變換氣組分參數(shù)

變換氣組分含量(MOL%)N2(1.55%)、H2(52.21%)、 H2S(0.24%)、CO(1.5%)、CO2(38.62%)、CH4(5.28%)、CnHm(0.57%)、C2H4(0.06%)、C2H6(0.27)壓 力3.4 MPa，溫度40 ℃，流量：274048 Nm3/h。

3 變換裝置入口和低溫甲醇洗入口流量計(jì)在裝置運(yùn)行中的重要性

變換裝置入口和低溫甲醇洗入口流量計(jì)在裝置運(yùn)行中充當(dāng)著重要的角色，兩套變換及低溫甲醇洗裝置，每套系列入口各設(shè)有一臺(tái)流量計(jì)，變換入口流量計(jì)量程0～320000 Nm3/h，低溫甲醇洗入口流量計(jì)量程0～350000 Nm3/h，主要是對(duì)變換入口粗煤氣和低溫甲醇洗入口的凈化氣流量進(jìn)行連續(xù)測量，操作工靠著這些參數(shù)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)督和控制，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的自動(dòng)化，改進(jìn)操作工藝；改善生產(chǎn)條件；利用流量計(jì)來體現(xiàn)裝置的負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷調(diào)整工藝指標(biāo)，確保裝置出口工藝指標(biāo)合格，對(duì)工藝操作進(jìn)行及時(shí)的指導(dǎo)和流量核算。同時(shí)對(duì)氣化爐的產(chǎn)氣量和變換、低溫甲醇洗入口氣量是否平衡，其流量計(jì)測量指示的準(zhǔn)確與否，將直接影響下游工藝負(fù)荷的調(diào)整。

流量計(jì)量是氣化與變換、低溫甲醇洗裝置經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)，計(jì)量流量計(jì)的準(zhǔn)確可靠是保證一個(gè)企業(yè)生產(chǎn)最佳經(jīng)濟(jì)效益的重要手段之一。

4 原流量計(jì)運(yùn)行情況及存在問題

(1)變換原流量計(jì)測量原理：壓差流量計(jì)主要由測量元件、差壓變送器構(gòu)成，其工作原理是利用能量守恒定律得出的流量測定結(jié)果。流經(jīng)管內(nèi)節(jié)流件時(shí)，由于節(jié)流件的流通截面比管道截面小，流束形成局部收縮，在壓頭作用下，流體加速，動(dòng)能增加，勢能下降導(dǎo)致靜壓下降，在節(jié)流前后形成壓力差。并通過測量流體壓力差來實(shí)現(xiàn)流量的測量。

原變換裝置入口流量計(jì)，采用文丘里節(jié)流裝置，取壓根部閥為DN15，在運(yùn)行過程中，由于取壓口為導(dǎo)壓管取壓，取壓流速降低，由于粗煤氣中含有NH3，H2O和CO2這三種物質(zhì)，當(dāng)粗煤氣溫度較低的溫度會(huì)產(chǎn)生碳氨結(jié)晶，導(dǎo)致取樣管線堵塞，產(chǎn)生壓差偏離現(xiàn)象。

再加上煤焦油以及粉末顆粒狀物體，在生產(chǎn)使用測量中，極易出現(xiàn)儀表導(dǎo)壓管堵塞問題。在冬季高凝固點(diǎn)介質(zhì)環(huán)境中，還會(huì)出現(xiàn)凍堵問題，從而影響儀表的準(zhǔn)確測量，在極端條件下甚至?xí)?dǎo)致差壓變送器膜盒損壞現(xiàn)象。導(dǎo)壓管增加了蒸汽伴熱后也得不到根本性解決，導(dǎo)壓管內(nèi)部會(huì)積留油污及粉塵，容易導(dǎo)致儀表測量誤差偏大的問題，不利于生產(chǎn)工藝操作和儀表的連續(xù)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

定期進(jìn)行排污，變成了常態(tài)化作業(yè)，儀表維護(hù)及保養(yǎng)工作量大。排污閥長期開關(guān)又導(dǎo)致內(nèi)漏，不僅損耗有所增加，而且環(huán)境也遭到的污染，存在較大的安全隱患同時(shí)也給工藝操作指標(biāo)和流量核算帶來影響。

這存在的缺點(diǎn)不是偶然的，而與本身固有的使用條件和測量結(jié)構(gòu)、檢測原理有著密切的關(guān)聯(lián)。在實(shí)際中這些問題和缺點(diǎn)根本無法通過具體的操作來避免。因此，針對(duì)流量計(jì)存在的問題進(jìn)行技術(shù)改造。

(2)低溫甲醇洗原流量計(jì)測量原理：在測量管(儀表表體)中心同軸放置一圓形靶板，當(dāng)流體沖擊靶板時(shí)，靶板上受到一個(gè)力，它與流速，密度和靶板受力面積之間的關(guān)系成正比。經(jīng)力轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)或氣壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)與流量的關(guān)系就可求出。它由測量裝置力轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理變送顯示幾部分組成。測量裝置包括靶板、傳感器和測量管，力轉(zhuǎn)換器為應(yīng)變計(jì)式傳感器，信號(hào)處理為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)傳回DCS顯示。

目前低溫甲醇洗裝置靶式流量計(jì)實(shí)際運(yùn)行情況，由于凈化氣壓力高，流速快，靶桿長時(shí)間受力，導(dǎo)致傳感器變形，系統(tǒng)停車無流量后儀表仍然有指示，零點(diǎn)漂移。

更換靶桿靶片后運(yùn)行一段時(shí)間之后，仍然出現(xiàn)傳感器變形、脫落現(xiàn)象，指示誤差大，流量計(jì)在線不具備維修條件，只能利用系統(tǒng)停車機(jī)會(huì)進(jìn)行檢修，更工藝操作指標(biāo)和流量核算造成影響。

對(duì)此討論，在保證不改變工藝管道的前提下，通過改造流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、改變測量方式，來解決以上問題，達(dá)到長周期穩(wěn)定運(yùn)行，使得流量計(jì)測量準(zhǔn)確，滿足工藝要求。

5 流量計(jì)改造方案

(1)綜上所述現(xiàn)象，分析其原因，并且保證不改變工藝管道走向及管口規(guī)格，法蘭標(biāo)準(zhǔn)及等級(jí)、法蘭短管長度、法蘭尺寸密封面、儀表測量范圍不改變的前提下，根據(jù)現(xiàn)場原直管段情況，對(duì)儀表測量原理進(jìn)行改造，采用管道插入式渦街流量計(jì)進(jìn)行測量。

(2)采用抗振型管道插入式渦街流量計(jì)，流量計(jì)法蘭短管與原流量計(jì)長度一致，即不改變工藝管道走向、法蘭標(biāo)準(zhǔn)及等級(jí)、法蘭尺寸密封面、儀表測量范圍，同時(shí)也滿足插入式渦街流量計(jì)直管段要求。

(3)通過改造流量計(jì)的測量結(jié)構(gòu)、材質(zhì)，改變測量原理的形式，來解決以上問題，使流量計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確，滿足工藝要求。改造后解決應(yīng)儀表測量不準(zhǔn)確給工藝操作造成的影響，能及時(shí)反映工藝的消耗指標(biāo)。滿足生產(chǎn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖，渦街發(fā)生體構(gòu)造圖，如圖1所示。

6 雙渦街發(fā)生體插入式渦街流量計(jì)測量原理及特點(diǎn)

(1)插入式渦街流量計(jì)即將一個(gè)小口徑管道式渦街至于整個(gè)大管道的中心位置(大致)，測得大管道中心流速，再通過算法(按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS07145《在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測定—在截面一點(diǎn)的速度測量法》)得出整條管道平均流速。

(2)插入式渦街流量計(jì)重量輕、壓損小、易于安裝與維修等特點(diǎn)， 在大口徑流量的測量中具有突出的優(yōu)勢。

(3)線路抗振采用的是頻譜抑制動(dòng)態(tài)跟蹤降噪，可實(shí)現(xiàn)10～20倍的干擾衰減。

(4)采用抗振型渦街流量計(jì)，雙渦街發(fā)生體的構(gòu)造。使得渦街流量計(jì)具備強(qiáng)大的整流效果，可以有效消除直管段不足，流場畸變帶來的影響。內(nèi)置的菱形“前發(fā)聲體”產(chǎn)生渦街特需的左右對(duì)稱流場分布，并消除上游旋渦的影響。

(5)抗黏附性能好，涂了特氟龍的抗污型渦街，適用于焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣。

(6)耐臟污能力強(qiáng)，傳感器無任何用于或影響流量檢測的傳導(dǎo)孔、縫結(jié)構(gòu)。徹底解決了碳氨結(jié)晶，煤焦油、塵堵塞問題。

(7)抗電磁干擾能力強(qiáng)，阻力系數(shù)小。雙發(fā)生體結(jié)構(gòu)，大幅度降低壓力損失，從而降低流體傳輸?shù)哪芰肯?，具有?jié)能效益。

(8)傳感器無泄漏，獨(dú)特的無腔封裝工藝及恒定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，無懼溫度劇暑，解決傳感器的靈敏度穩(wěn)定性及壽命難題，將傳感器徹底焊死在探頭中，從根源杜絕密封問題，渦街傳感器采用“無膠封裝”與“恒定預(yù)應(yīng)力”技術(shù)，從源頭上解決渦街的一大問題。

(9)獨(dú)特的雙傳感器結(jié)構(gòu)基于干擾信號(hào)頻譜特征識(shí)別及抑制的向好處理系統(tǒng)，免疫強(qiáng)度高達(dá)2 g的全向機(jī)械振動(dòng)干擾。

7 投運(yùn)效果

將改造的流量計(jì)投用后，效果改善明顯，環(huán)保、安全，免維護(hù)，解決應(yīng)儀表測量不準(zhǔn)確給工藝操作造成的影響，幫助工藝人員更有效地分析流量核算。此外，能及時(shí)反映工藝的消耗指標(biāo)，大大減少了儀表操作人員的日常維護(hù)量，提高了儀表的在線率，滿足生產(chǎn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

8 結(jié)語

加強(qiáng)企業(yè)節(jié)能降耗是一項(xiàng)非常系統(tǒng)的工程，要想將該項(xiàng)工程做好，就必須做好能源計(jì)量儀表的改造工作。要對(duì)能源計(jì)量儀表改造在促進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗方面的地位和作用有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，還要對(duì)加強(qiáng)能源計(jì)量儀表改造的路徑有一個(gè)科學(xué)的把握［2］。在化工企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)過程中，在線計(jì)量流量計(jì)在裝置運(yùn)行中充當(dāng)著重要的角色，流量儀表選擇是否合理對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)質(zhì)量和效率影響極大。因此，作業(yè)專業(yè)的儀表技術(shù)人員，需要掌握各種已有或新型流量計(jì)的特性，進(jìn)而才能根據(jù)選擇最為實(shí)用的流量計(jì)，將其使用的價(jià)值充分發(fā)揮出來，來促進(jìn)我國煤化工企業(yè)持續(xù)、健康、快速、穩(wěn)定發(fā)展。