摘要：概述了吹掃轉(zhuǎn)子流量計在煤氣化裝置中的應(yīng)用，通過理想氣體狀態(tài)方程和不可壓縮流體的一般能量方程，深入剖析了吹掃轉(zhuǎn)子流量計在氣體和液體吹掃應(yīng)用中量程確定的關(guān)鍵步驟。以實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的條款，分別闡述了吹掃轉(zhuǎn)子流量計在氣體和液體吹掃應(yīng)用中量程的選擇過程；并且澄清了在氣體吹掃應(yīng)用中，吹掃轉(zhuǎn)子流量計在量程選擇時容易犯的兩個錯誤；同時探討了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在液體吹掃應(yīng)用時的局限性。
　　 煤氣化裝置中煤粉輸送管線內(nèi)介質(zhì)為被載氣流化的煤粉，如果直接采用導(dǎo)壓管的形式測量管道內(nèi)的壓力，煤粉極易堵塞取壓管線；黑水或激冷水中不僅含有易堵塞取壓管線的固體顆粒物，而且具有較強的腐蝕性，如果變送器測量元件與之長時間直接接觸，會因為磨損和腐蝕的雙重影響大幅縮短壽命。因此，必須在變送器取壓通道和工藝管道之間利用中間介質(zhì)進行隔離。工業(yè)應(yīng)用中通常采用吹掃轉(zhuǎn)子流量計將中間介質(zhì)引入取壓管線內(nèi)，可達到既不影響測量精度，又可對測量管線和變送器起到保護作用的目的。
１、吹掃轉(zhuǎn)子流量計工作原理
　　吹掃轉(zhuǎn)子流量計由恒流閥、針型閥和轉(zhuǎn)子流量計三部分組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)現(xiàn)場公用物料站有穩(wěn)定的吹掃介質(zhì)輸出時，可以認為吹掃轉(zhuǎn)子流量計的入口壓力是恒定的。對恒流閥中的隔膜進行受力分析如下：
F1=p2A+p3A1+F(1)
　　式中:F---閥球下方彈簧的彈力;A--隔膜截面積;A1--閥球截面積;p2----吹掃轉(zhuǎn)子流量計恒流閥上殼室壓力;p3---吹掃轉(zhuǎn)子流量計出口壓力。
2)隔膜受到向上的作用力為
F2=p1A+p2A1(2)
式中:p1--吹掃轉(zhuǎn)子流量計入口壓力。
3)當(dāng)隔膜上下受力平衡時,即F1=F2:
p2A+p3A1+F=p1A+P2A1(3)
式(3)變形得:
P1-p2=F/A-A1(p2-p3)/A(4)
　　由于A1遠小于A,因而A1(p2-p3)/A可以忽略不計，同時F和A都是恒定值,故p1-p2也為恒定值,即流量不會因為出口壓力的變化而變化,上述即吹掃轉(zhuǎn)子流量計的工作原理。
 
2轉(zhuǎn)子流量計氣體吹掃應(yīng)用分析
2.1應(yīng)用概述
　　氣體介質(zhì)的壓力測量通常采用導(dǎo)壓管的形式,帶吹掃轉(zhuǎn)子流量計的壓力變送器導(dǎo)壓配管安裝如圖2所示。
 
　　圖2中吹掃轉(zhuǎn)子流量計入口的吹掃N2具有恒定壓力，吹掃轉(zhuǎn)子流量計的出口接管和調(diào)節(jié)裝置(恒流閥、針型閥)構(gòu)成了1個負反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)回路。在系統(tǒng)開始運行時，人工調(diào)節(jié)吹掃轉(zhuǎn)子流量計上的針型閥,使吹掃N2以合適的流速通過取壓口往工藝管道或設(shè)備內(nèi)流動，以防止顆粒物進入導(dǎo)壓管。吹掃N2可以正向流動，說明導(dǎo)壓管內(nèi)的吹掃N2壓力大于工藝介質(zhì)的壓力，即變送器測量的壓力值要大于工藝介質(zhì)的壓力;只要把吹掃N2與工藝介質(zhì)的實際壓力誤差控制在工程可以接受的范圍內(nèi)，測量的精度仍然可以保證。
　　當(dāng)系統(tǒng)波動導(dǎo)致工藝管線中介質(zhì)的壓力增大時，吹掃N2的體積流量會瞬間減小,使得導(dǎo)壓管內(nèi)壓力增大,反饋回路將該壓力變化反饋給調(diào)節(jié)裝置,調(diào)節(jié)裝置就會增大吹掃轉(zhuǎn)子流量計出口處N2體積流量,直到吹掃N2體積流量值回歸正常;反之,系統(tǒng)波動導(dǎo)致工藝管線中介質(zhì)的壓力減小時,吹掃N2的體積流量會瞬間增大,將導(dǎo)壓管內(nèi)的壓力拉低,調(diào)節(jié)裝置檢測到該變化,就會減小吹掃轉(zhuǎn)子流量計出口處N2體積流量,直到吹掃N2體積流量值回歸正常。
　　因此,不管工藝介質(zhì)的壓力如何變化，只要保證吹掃轉(zhuǎn)子流量計出口N2的流速或者體積流量不變,就可以認為吹掃N2的壓力即為工藝介質(zhì)的壓力,上述即吹掃轉(zhuǎn)子流量計的應(yīng)用原理。
2.2理想和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體流量換算
　　氣體介質(zhì)流量通常采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量來計量,由于工藝專業(yè)給出的吹掃氣體數(shù)據(jù)一般是操作狀態(tài)下的值,因而在計算過程中需要使用式
(5)所示的理想氣體狀態(tài)方程進行換算:
pV=nR(273+t)(5)
　　式中:p---理想氣體的絕壓,Pa;V---理想氣體的體積，m3;n---氣體的物質(zhì)的量,mol;R---理想氣體常數(shù),R=8.314Pa·m/(mol·K);t---理想氣體的溫度,℃
式(5)可以變形為
 
　　對于定量的氣體,n是不變的,R為常數(shù),所以定量氣體在操作狀態(tài)下和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下變換等式為
 
　　式中:p操作---理想氣體操作狀態(tài)下的絕壓，Pa;V操作,-理想氣體操作狀態(tài)下的體積,m³;t操作理想氣體操作狀態(tài)下的溫度,℃;p標(biāo)況---理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕壓,Pa;V標(biāo)況---理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積,m³。
　　式(6)兩邊同時除以時間t,得到關(guān)于理想氣體操作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量的等式:
 
　　式中:qv操作---理想氣體操作狀態(tài)下的體積流量，m³/h;qv標(biāo)況---理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m³/h。
　　由式(7)可推導(dǎo)出操作狀態(tài)下和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理想氣體體積流量換算關(guān)系:
 
2.3應(yīng)用案例
　　某煤氣化裝置的煤加壓及進料工序中的吹掃N,工藝參數(shù)見表1所列。吹掃轉(zhuǎn)子流量計的出口接管內(nèi)徑D1=6mm,儀表專業(yè)需要根據(jù)這些工藝參數(shù)和相關(guān)管徑選取量程合適的吹掃轉(zhuǎn)子流量計。
 
2.3.1吹掃N2操作狀態(tài)下的正常流速
　　首先必須確定吹掃N2操作狀態(tài)下的正常流速ʋ操作，ʋ操作決定了qv操作，是選取轉(zhuǎn)子流量計合適量程的前提條件。ʋ操作,qv操作,D1存在如下關(guān)系:
qv操作=3600(πD21ʋ操作/4)(9)
　　不同規(guī)范對該流量值的描述有所區(qū)別。HG/T20515--2014《僅表隔離和吹洗設(shè)計規(guī)定》與APIRP551-1993ProcessMeasurementInstrumentation均規(guī)定吹掃氣體的流速在0.02~0.20m/s內(nèi)選取;而SH3021-2013《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定,對于一般流量、液位和壓力測量的吹氣速度宜為0.2~0.3m/s。為了避免各規(guī)范中數(shù)據(jù)不同而產(chǎn)生的爭議，選擇幾個規(guī)范中數(shù)據(jù)重合部分的值作為吹掃N2操作狀態(tài)下的正常流速較為合適，即ʋ操作=0.2m/s。
2.3.2吹掃轉(zhuǎn)子流量計量程選擇
1)對于低壓吹掃N2,根據(jù)式(9)可計算出低壓吹掃N2在操作狀態(tài)下的正常體積流量qv(L-操作)=0.020m³/h,利用式(8)將qv(L-操作)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量qv(L-標(biāo)況):qv(L-標(biāo)況)≈0.02m³/h,則該低壓N2吹掃轉(zhuǎn)子流量計的量程可選擇為0.01~0.10m³/h。
2)對于高壓吹掃N2,仍然選擇ʋ操作=0.2m/s,根據(jù)式(9)計算得qv(H-操作)=0.0203m³/h。將工藝介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(8)中,計算出該高壓N2吹掃轉(zhuǎn)子流量計的正常體積流量值qv(H-標(biāo)況;≈0.74~0.77m³/h,則該高壓N2吹掃轉(zhuǎn)子流量計的量程可選擇為0.6~6.0m³/h。
以上選擇的吹掃轉(zhuǎn)子流量計量程的下限與正常流量值很接近,緣于理論計算做了理想化的近似,且不考慮所有的外部影響和干擾。因此在實際工程應(yīng)用中,吹掃轉(zhuǎn)子流量計的體積流量應(yīng)有足夠的上調(diào)空間，以應(yīng)對復(fù)雜的實際工況。
2.4注意事項
2.4.1謹慎使用專利商提供的數(shù)據(jù)
　　由于專利商工藝包中給出了低壓和高壓吹掃Nz操作狀態(tài)下的質(zhì)量流量正常值,其中低壓N2的qm(L-操作)=1.7kg/h，高壓N2的qm(L-操作)=5.9kg/h。其中低壓吹掃N2的ρL=5.36kg/m³,高壓吹掃N2的ρH=82.6kg/m³,進而利用式(8)可換算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，并作為吹掃轉(zhuǎn)子流量計量程的選擇依據(jù)。
　　但是,專利商提供的數(shù)據(jù)是否合適有待進一步考證，若盲目使用可能使計算結(jié)果會有偏差，從而導(dǎo)致吹掃轉(zhuǎn)子流量計選型錯誤。通過將低壓和高壓吹掃N,操作狀態(tài)下的質(zhì)量流量值換算成操作狀態(tài)下的流速值，并且判斷該流速是否合理或者是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即可驗證專利商提供的數(shù)據(jù)是否合適。
1)對于低壓吹掃N2,首先計算qv(L-操作):
qv(L-操作)=qm(L-操作)/ρL=0.317(m³/h)
　　該體積流量除以吹掃轉(zhuǎn)子流量計出口接管的流通截面積S即可計算出Ʋ(L-操作):
Ʋ(L-操作)=qv(L-操作)/S=11217.27(m/h)=3.12(m/s)
2)高壓吹掃N2流速計算方法與低壓吹掃N2一致,得出Ʋ(H-操作)=0.7m/s.
　　由上述計算結(jié)果可以看出，低壓和高壓吹掃N,操作狀態(tài)下的流速均大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對氣體吹掃介質(zhì)流速的規(guī)定范圍,且Ʋ(H-操作)比相關(guān)標(biāo).準(zhǔn)規(guī)范中數(shù)值大了一個數(shù)量級。如果按上述計算的流速進行吹掃轉(zhuǎn)子流量計選型，會使吹掃N2的壓.力與工藝介質(zhì)的壓力之差遠大于工程測量的允許范圍,造成較大的測量誤差，輕則導(dǎo)致控制系統(tǒng)頻繁報警,影響回路調(diào)節(jié)的品質(zhì)，重則可能引起裝置跳車,成為安全隱患。
2.4.2吹掃介質(zhì)操作壓力值選擇錯誤
　　文中以低壓吹掃N2為例進行說明。表1中操作壓力有兩個值,弄清楚兩個值的意義,才不至于計算錯誤。計算時應(yīng)采用工藝介質(zhì)正常操作壓力，否則將造成量程選擇錯誤。
3轉(zhuǎn)子流量計液體吹掃應(yīng)用分析
3.1應(yīng)用概述
　　煤氣化裝置中液體吹掃的典型應(yīng)用是差壓法測量氣化爐激冷室液位。由于氣化爐激冷室內(nèi)的激冷水為復(fù)雜混合物，既含有易堵塞的固體顆粒.物，也含有腐蝕性成分,因此一般采用雙法蘭差壓變送器進行測量。變送器負壓側(cè)法蘭隔膜與激冷室內(nèi)的氣相接觸,無需吹掃,而變送器正壓側(cè)法蘭隔膜則與激冷水接觸,必須引入沖洗水以防止取壓口堵塞影響液位測量，并延長變送器的壽命。帶吹掃轉(zhuǎn)子流量計的雙法蘭差壓變送器安裝如圖3所示。
 
3.2分析方法
　　吹掃轉(zhuǎn)子流量計應(yīng)用于液體吹掃時的分析手段與應(yīng)用于氣體吹掃有很大不同,需要運用流體力學(xué)中不可壓縮流體的相關(guān)理論。如圖3所示,由于引入了液體吹掃介質(zhì)沖洗水，變送器的正壓測法蘭隔膜上測得的壓力不是參考面上的壓力,而是沖洗水的壓力。根據(jù)差壓法測量液位的原理，必須使點1處的沖洗水壓力等于參考面處的壓力。以參考面為基準(zhǔn),對1和2兩點間的沖洗水運動軌跡列出不可壓縮流體的一般能量方程得:
 
　　式中：ρ水---沖洗水的密度,kg/m³;g---重力加速度,m/s²;Pl水，P2水---分別為1和2兩點處的壓力,Pa;ʋl,ʋ2---分別為1和2兩點處的沖洗水流速,m/s;hf----總的壓頭損失,m;Z---相對參考面的液位高度,m。
由于點2在激冷室液面處的速度近似為零,即
ʋ2=0，則式(10)可簡化為
 
3.3應(yīng)用案例
　　某煤氣化項目中,氣化爐激冷室內(nèi)的工藝數(shù)據(jù)包括:激冷水溫度為230℃;激冷室內(nèi)絕壓為4.6MPa;激冷水密度為895kg/m³。
3.3.1沖洗水最大流速的確定方法
　　測量該氣化爐激冷室液位的雙法蘭差壓變送器的安裝方式與圖3一致。同樣,在選擇吹掃轉(zhuǎn)子流量計量程之前,需確定ʋ1。3.2節(jié)從理論上分析了ʋ1的大小不影響測量的結(jié)果,但在實際應(yīng)用中，ʋ1的選取應(yīng)該從兩個方面去考慮:
1)ʋ1值應(yīng)在合理范圍內(nèi)取小。在固定尺寸的流道內(nèi)如果ʋ1值越大,相應(yīng)流量也越大,吹掃轉(zhuǎn)子流量計的口徑可能會隨之增大,從而導(dǎo)致單臺流量計的投資加大。
1)ʋ1值應(yīng)在合理范圍內(nèi)取小。在固定尺寸的流道內(nèi)如果ʋ1值越大,相應(yīng)流量也越大,吹掃轉(zhuǎn)子流量計的口徑可能會隨之增大,從而導(dǎo)致單臺流量計的投資加大。
2)沖洗水的流態(tài)。儀表測量追求穩(wěn)定、擾動小,這與沖洗水的流態(tài)關(guān)系密切,若沖洗水為層流時,其流體形態(tài)穩(wěn)定;而當(dāng)沖洗水為湍流時,流體微團的不規(guī)則運動將導(dǎo)致流體產(chǎn)生持續(xù)劇烈的擾動,給儀表測量帝來不利,應(yīng)當(dāng)盡量避免。
因此沖洗水處于層流態(tài)對測量較為理想，而臨界雷諾數(shù)Re臨界是液體層流態(tài)與湍流態(tài)的理論.分界點,Re臨界=2300，根據(jù)Re臨界可以計算出ʋ1max計算公式如下:
ʋ1max=Re臨界V/D2(14)
　　式中:D2-沖洗水流道內(nèi)徑，法蘭接口尺寸為DN80,故D:=0.08m;ʋ1max--沖洗水最大流速,m/s;u--沖洗水運動黏度,m2/s。
3.3.2吹掃轉(zhuǎn)子流量計量程選擇
　　計算之前需要確定沖洗水的相關(guān)參數(shù)。由于沖洗水的量遠小于氣化爐內(nèi)激冷水的量，因而當(dāng)沖洗水進入氣化爐瞬間，其物理性質(zhì)即被氣化爐內(nèi)激冷水同化。取沖洗水的溫度t水=230℃,沖洗水的壓力p水=4.6MPa,沖洗水的密度ρ水=895kg/m³。
　　經(jīng)查詢《化工物性數(shù)據(jù)表》知，在溫度為230℃,壓力為4.6MPa條件下,水的動力黏度μ=125×10-6Pa·s,運動黏度ʋ=μ/ρ水=1.4×10-7(m2/s)。將D,和u值代入式(14)計算得:
ʋ1max=0.0048m/s
若取ʋ1=0.5ʋ1max=0.0024m/s,則沖洗水的體積流量qv水為
 
　　故吹掃轉(zhuǎn)子流量計的量程可選為0.2~2.0m³/h。
3.4注意事項
　　圖3中所示的僅表根部閥建議采用全通徑球閥,因為流道是直通的,流阻小;如果換成流道是彎曲的截止閥,沖洗水在彎道處會產(chǎn)生不可忽略的損失,導(dǎo)致點1處的壓力與參考面處的壓力不.等,從而產(chǎn)生測量誤差。
　　SH3021-2013《石油化工儀表及管道隔離和吹洗設(shè)計規(guī)范》規(guī)定液體吹掃只適用于采用導(dǎo)壓配管安裝方式的儀表，并推薦了0.015m'/h和0.025m2/h這2個吹掃流量值;而HG/T20515-2014《僅表隔離和吹洗設(shè)計規(guī)定》與APIRP551-　　1993ProcessMeasurementInstrumentation均規(guī)定當(dāng)吹掃介質(zhì)為液體時，吹掃流量范圍為0.0014~0.0140m2/h。雖然2項規(guī)范中沒有說明該吹掃流量范圍所適用的儀表安裝形式,但該流量范圍值與SH3021-2013《石油化工僅表及管.道隔離和吹洗設(shè)計規(guī)范》的推薦值數(shù)量級一致,因此應(yīng)該也只適用于采用導(dǎo)壓配管安裝形式的僅表。
　　如果按照上述規(guī)范對圖3中的儀表安裝形式選擇吹掃轉(zhuǎn)子流量計的量程,一定會導(dǎo)致量程過小,不僅起不到吹掃作用,反而有可能使激冷水反竄至吹掃轉(zhuǎn)子流量計中,導(dǎo)致儀表損壞或引發(fā)安全事故。
4結(jié)束語
　　吹掃轉(zhuǎn)子流量計在煤氣化裝置中應(yīng)用廣泛,雖然規(guī)范或者工藝商提供了吹掃介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù),但卻未對數(shù)據(jù)的獲得追本溯源,也沒有闡明這些數(shù)據(jù)應(yīng)用的場合,容易對設(shè)計者產(chǎn)生錯誤的引導(dǎo)。本文從理論角度深入剖析了吹掃的本質(zhì)，并分別對吹掃.轉(zhuǎn)子流量計在氣體和液體吹掃應(yīng)用中提出了通用性的量程選擇方法,有一定的實用價值。

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