粉煤氣化裝置中流量測量儀表的選型

李冰，郭宏遠(yuǎn)，李健，高原

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司，北京 101111)

煤化工行業(yè)流量測量涉及工藝介質(zhì)多、工況復(fù)雜、測量條件苛刻、測量準(zhǔn)確度要求高，需要針對不同情況選用最佳的流量測量儀表。以粉煤加壓氣化裝置為例，需要測量的工藝介質(zhì)有粉煤、灰渣水、黑水、高溫高壓蒸汽、汽柴油、化學(xué)品劑等；工作壓力從超高壓、高壓到微負(fù)壓均有測量需求，工況變化大；部分儀表安裝條件惡劣，現(xiàn)場管道所能提供直管段距離有限；少數(shù)流量儀表測量參數(shù)作為流程開停車、順控程序重要聯(lián)鎖點(diǎn)，要求測量精度高。下面對粉煤加壓氣化裝置在不同測量要求下的流量標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行選型比對及技術(shù)分析。

1 流量儀表選型基本原則

1．1 儀表性能

粉煤加壓氣化裝置所需流量參數(shù)雖不必達(dá)到商貿(mào)儲(chǔ)運(yùn)測量的高精度，但流量參數(shù)作為過程控制回路最基本的測量變量和控制變量，對一些關(guān)鍵操作和控制邏輯具有十分重要的意義。粉煤氣化項(xiàng)目的流量參數(shù)基本要求精度達(dá)到量程范圍內(nèi)的1%以內(nèi)，同時(shí)要求有較高的可靠性和重復(fù)度。

量程比是流量儀表選型中必須關(guān)注的另一個(gè)重要參數(shù)，粉煤加壓氣化項(xiàng)目由于實(shí)際開車、試車、運(yùn)行過程中的負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致了一些介質(zhì)的流量變動(dòng)范圍很大，有的工況最大流量和最小流量之比甚至達(dá)到30∶1，常規(guī)差壓開方型儀表無法滿足全范圍測量。

大量流量儀表測量引起的壓損在粉煤加壓氣化項(xiàng)目的長周期運(yùn)行中所導(dǎo)致的泵送能耗是不可忽視的。一般差壓儀表的壓損是跟傳感器的輸出差壓呈線性相關(guān)的，而對于一些高精度測量工況，較高的輸出差壓又是必須的。因此，在儀表選型時(shí)要綜合考慮其應(yīng)用性能和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1．2 工藝管道條件

各種流量儀表采用的測量原理不同，選用材料的物性也各不相同，流體介質(zhì)成分、黏度、電導(dǎo)率、臟污程度、溫度、壓力等都會(huì)影響到流量儀表的選型。如對含有顆粒或臟污程度比較高的介質(zhì)，差壓式流量儀表中的噴嘴和文丘里管是不合適的；大部分差壓流量儀表對于小流量測量是無能為力的；電磁流量計(jì)在介質(zhì)電導(dǎo)率過低的場合和介質(zhì)溫度超過襯里材料耐受溫度的場合都是不能使用的。

同樣，流量計(jì)所在管道和空間提供的安裝條件也決定了儀表的選型。傳統(tǒng)差壓流量計(jì)的安裝對上下游直管段都有最低的要求，若不能滿足會(huì)嚴(yán)重影響其測量精度；渦街流量計(jì)在高頻振動(dòng)場合不宜使用；電磁流量計(jì)在有電磁干擾的場合不推薦使用。

1．3 經(jīng)濟(jì)性

流量儀表的經(jīng)濟(jì)性除了首先考慮儀表的購置費(fèi)外，還需綜合考慮儀表的安裝費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)、維護(hù)費(fèi)，其中尤以長周期運(yùn)行費(fèi)為突出。比如一般孔板流量計(jì)的購置費(fèi)比較低，但實(shí)際運(yùn)行中的泵送能耗是比較高的，長時(shí)間運(yùn)行后性價(jià)比并不占有優(yōu)勢(孔板、內(nèi)錐、均速管流量計(jì)在不同口徑下的能耗成本見表1所列)；在粉煤加壓氣化裝置中的粉煤流量測量的調(diào)試周期會(huì)影響開車工期。因此選型時(shí)須綜合考慮性價(jià)比，選擇整體性能最適宜的儀表。

表1 孔板、內(nèi)錐、均速管流量計(jì)在不同口徑下的能耗成本[1]

2 粉煤氣化流量儀表選型

2．1 粉煤流量計(jì)

粉煤氣化工藝中煤粉質(zhì)量流量是非常重要的參數(shù)，對于氣化爐和整個(gè)氣化裝置的穩(wěn)定長周期運(yùn)行舉足輕重。目前，干煤粉密相輸送的計(jì)量大體可以分為電容式與放射線式兩種。

以航天粉煤氣化為例，1套航天粉煤加壓氣化裝置配備3路粉煤輸送管路，工藝條件要求3路粉煤輸送粉煤流量保持相等才能達(dá)到粉煤氣化最佳效果。該加壓氣化裝置所采用的煤粉流量計(jì)為SWR濃相固體流量測量儀DensFlow，具有安裝方便、不受流速限制、免維護(hù)、調(diào)試快捷等特點(diǎn)，能夠滿足粉煤氣化測量控制和開車工期要求。

2．2 多孔平衡流量計(jì)

粉煤加壓氣化裝置中的燒嘴氧氣流量測量、點(diǎn)火氧氣流量測量、開工柴油流量測量、燒嘴冷卻水流量測量等測量點(diǎn)要求測量精度高、量程比寬、重復(fù)性好、現(xiàn)場安裝條件提供的直管段比較短，因而在這些場合均選用了多孔平衡流量計(jì)。結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板測量原理的多孔平衡流量計(jì)采用對稱平衡設(shè)計(jì)，減少了紊流剪切力和渦流的形成，具有精度高、重復(fù)性好、壓損小、節(jié)能、直管段要求低、量程比寬等優(yōu)點(diǎn)。

2．3 均速管流量計(jì)

粉煤加壓氣化裝置的磨煤及粉煤輸送單元采用惰性氣體輸送粉煤，該類工況測量點(diǎn)的特點(diǎn)： 管徑大、操作壓力較小、介質(zhì)含有粉煤顆粒。對于該類測量點(diǎn)選用均速管流量計(jì)是非常合適的。不論是威力巴、阿牛巴、德爾塔巴均具有結(jié)構(gòu)簡單、壓損小、安裝維護(hù)方便的特點(diǎn)，特別適用于低靜壓、大口徑場合。

2．4 楔形流量計(jì)

粉煤氣化工藝的氣化爐激冷段產(chǎn)生的黑水、灰水以及灰渣水處理工段產(chǎn)生的工藝水等介質(zhì)都含有一定量的固體雜質(zhì)，溫度、壓力都較高。傳統(tǒng)差壓節(jié)流元件在這些場合工作容易發(fā)生阻塞，這為楔形流量計(jì)的使用提供了可能。楔形流量計(jì)采用實(shí)心楔塊作為核心測量元件，特別適用于低雷諾數(shù)流體的流量測量，尤其在測量高黏度流體、含固體顆粒流體、臟污介質(zhì)、高壓蒸汽時(shí)，具有明顯的優(yōu)勢。

2．5 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件和電磁流量計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)孔板具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、無需實(shí)流標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，在粉煤氣化工藝中被大量采用。尤其是近年來標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在量程比、壓損等技術(shù)參數(shù)方面取得了很大進(jìn)展。粉煤加壓氣化裝置中，在量程比較小的中小管徑場合，輸送介質(zhì)為氮?dú)狻ⅠY放氣、冷卻水時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)孔板；輸送介質(zhì)為高溫高壓蒸汽的場合選用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴節(jié)流裝置；測量導(dǎo)電性能比較好的堿液、灰水等臟污介質(zhì)且溫度不高的工況選用電磁流量計(jì)。該類傳統(tǒng)流量測量儀表的選用不僅滿足了工藝要求，同時(shí)大幅降低了工程采購費(fèi)用。

3 使用效果分析

儀表選型以工藝要求為基本出發(fā)點(diǎn)，以工藝運(yùn)行狀況為反饋點(diǎn)，綜合了多個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)而選型的粉煤加壓氣化裝置流量測量儀表在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行中發(fā)揮了越來越好的作用。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了幾種典型流量計(jì)的技術(shù)性能對比(見表2所列)和經(jīng)濟(jì)性能對比(見表3所列)。

表2 幾種典型流量計(jì)技術(shù)性能對比

表3 幾種典型流量計(jì)經(jīng)濟(jì)性能對比

4 結(jié)束語

煤化工行業(yè)流量儀表選型是一個(gè)系統(tǒng)工程，要考慮的因素是多方面的。只有綜合各方面的因素之后作出的選型才可能是較合理的、性價(jià)比較高的。每一種流量計(jì)都有其適用的場合和工況，因而流量計(jì)選型工作必須依據(jù)客觀條件和流量計(jì)本身特性并結(jié)合現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

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