吹掃裝置的合理設(shè)計(jì)和正確應(yīng)用，不僅可以保 證其使用效果以及設(shè)備保養(yǎng)和保障裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)對(duì)減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)面影響，昌暉儀表總結(jié)的吹掃裝置設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)煤化工行業(yè)儀表工有很好參考價(jià)值。
在煤化工工程中，許多工藝介質(zhì)里含有粉塵或其他沉淀性物質(zhì)，粉塵或固體顆粒很容易堆積和板結(jié)，十分容易導(dǎo)致管線堵塞和設(shè)備卡阻。在普遍采用細(xì)小導(dǎo)壓管的儀表測量中，管線堵塞的幾率和影響更大，問題更為突出。如何保持管線的通暢和防止設(shè)備的卡阻，已成為煤化工中一個(gè)不可回避的系統(tǒng)工程。在目前國內(nèi)的大型煤氣化項(xiàng)目中，吹掃已作為解決以上問題的主要手段被普遍采用。通過近幾年的工程實(shí)踐，吹掃的設(shè)計(jì)與研究也越來越引起大家的關(guān)注和重視，如何保證吹掃的效果和吹掃裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行，是一個(gè)十分有意義的研究課題。
1、吹掃的作用及控制原理
吹掃根據(jù)工藝要求分為在線吹掃和間歇吹掃兩種。在線吹掃就是通過向目標(biāo)管線中不間斷吹入惰性氣體或水，始終保持該管線的微正壓差，從而阻止工藝介質(zhì)進(jìn)入目標(biāo)管線內(nèi)，達(dá)到保持管線通暢和介質(zhì)隔離的目的。由于實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝介質(zhì)的隔離，在線吹掃對(duì)于目標(biāo)管線及測量儀表的防腐也很有意義。間歇吹掃就是定時(shí)或根據(jù)需要開啟吹掃程序，對(duì)可能堆積或集結(jié)的管線或設(shè)備進(jìn)行吹洗。間歇吹掃一般用于要求不高的工藝管線，其吹掃設(shè)備配置簡單靈活，文中重點(diǎn)闡述在線吹掃裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
向工藝管線或設(shè)備中在線吹入惰性氣體或水，如果量太大，勢必對(duì)工藝參數(shù)的控制造成干擾，流量過大也會(huì)影響到壓力測量的準(zhǔn)確性。特殊的吹掃裝置可以對(duì)吹掃流量進(jìn)行監(jiān)測和控制，一定程度上可以很好地實(shí)現(xiàn)控制段管線的微正壓差，帶恒流閥的吹掃裝置還可以對(duì)壓力的波動(dòng)進(jìn)行識(shí)別和自動(dòng)補(bǔ)償，讓吹掃管線和工藝管道間保持一定的壓力差，從而保證小流量注入。
下面以中國應(yīng)用較多的吹掃裝置來說明吹掃的控制原理。吹掃裝置一般包含流量計(jì)、減壓閥、恒流量閥及配套管閥件等。按恒流量閥壓力變化控制類型不同可分為兩種，即一次(入口)壓力變化控制型和二次(出口)壓力變化控制型，如圖1，圖2所示。
圖1 一次壓力變化控制型
圖2 二次壓力變化控制型
1.1 一次(入口)壓力變化控制型的控制原理
一次側(cè)(入口)壓力變化控制型恒流量控制閥原理如圖3所示，根據(jù)圖1和圖3可以得出彈性隔膜受到向上的作用力為：
P2A+P1a+f .....................公式(1)
彈性隔膜受到向下的作用力為：
P3A+P2a+F+W ............公式(2)
在壓力平衡狀態(tài)時(shí)，可以得到作為壓力調(diào)節(jié)器隔膜的差壓P2-P3：
P2-P3=(F-f+W)/A-(a/A)(P1-P2 ) .................公式(3)
圖3 一次側(cè)(入口)壓力變化控制型恒流量閥
由于設(shè)計(jì)取A遠(yuǎn)大于a，所以(a/A)(P1-P2)可以忽略不計(jì)，同時(shí)F，f和W都是恒定值，所以：
P2-P3=C(恒定值) .................公式(4)
公式(4)中P1為入口壓力；P2為下室壓力；P3為出口壓力；A為隔膜截面積a為控制閥截面積；F為大彈簧壓力(彈力)；f為小彈簧壓力(彈力)；W為閥門權(quán)重。
則輸出流量是恒定的。當(dāng)測量介質(zhì)是可壓縮的液體時(shí)，一次壓力變化控制型可以適用于出口壓力變化。在這種狀態(tài)下，對(duì)于公式(3)，由于P1為恒定，P3為變化值，因此，P3成為P3+ΔP，P2成為P2+ΔP，所以輸出流量也是恒定的。
1.2 二次(出口)壓力變化控制型的測量原理
二次(出口)壓力變化控制型流量閥的原理如圖4所示，根據(jù)圖2和圖4示意圖可以得出彈性隔膜受到向上的作用力為 :
P2A+P3a+F...................公式(5)
彈性隔膜受到向下的作用力為：
P1A+P2a+W ................公式(6)
圖4 二次側(cè)(出口)壓力變化控制型流量閥
在壓力平衡狀態(tài)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器隔膜的差壓P1-P2同樣為恒定值，輸出流量也是恒定的。
目前國內(nèi)和國外許多吹掃裝置基于以上原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2、吹掃設(shè)計(jì)選擇
2.1 一次壓力或二次壓力控制型裝置的選擇
如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一次壓力相對(duì)穩(wěn)定，二次壓力波動(dòng)較為頻繁，為保證正常的流量和一定差壓值，可選擇二次壓力(出口)變化型，即以一次壓力(入口)為參照，通過平衡室壓力的修正，實(shí)現(xiàn)一次壓力與平衡室間的衡差壓，從而控制平衡室與出口流量的恒定。反之，如果二次壓力相對(duì)穩(wěn)定 ，則選擇二次壓力為參照，通過平衡室壓力的隨動(dòng)修正，實(shí)現(xiàn)二次壓力與平衡室間的衡差壓，從而控制平衡室與入口間流量的恒定。
目前煤氣化工程中常用的吹掃介質(zhì)為氮?dú)狻⒍趸嫉龋鋪碓礊槠渌?dú)立系統(tǒng)，相對(duì)比較穩(wěn)定，在原理分析中為高壓側(cè)，即一次壓力。而工藝管線側(cè)，即被吹掃側(cè)，由于工藝狀況的不穩(wěn)定，以及開停過程的增、減負(fù)荷和其他不穩(wěn)定因素，管線內(nèi)介質(zhì)壓力波動(dòng)會(huì)比較頻繁，故煤氣化裝置中大部分宜選擇二次壓力變化型吹掃裝置。
2.2 幾種典型應(yīng)用環(huán)境吹掃流量的選擇設(shè)計(jì)
2.2.1 吹掃管線用于流量和差壓測量
采用吹掃后，導(dǎo)壓管線內(nèi)部的流體由靜態(tài)變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)。由于管線或截止閥等節(jié)流元件的存在，差壓變送器測量元件處的壓力與工藝管道實(shí)際被測點(diǎn)壓力會(huì)存在一定壓力差。也就是吹掃裝置的使用，引入了測量的系統(tǒng)誤差，其誤差決定因素是導(dǎo)壓管線中節(jié)流件情況和流體流速的大小。如果節(jié)流件形式一定，流速越大，則壓力測量誤差越大。由于差壓測量為差值，其絕對(duì)值較小，任何一側(cè)測量的細(xì)小誤差，很容易直接以較大的相對(duì)誤差顯現(xiàn)出來。故在選擇吹掃流量時(shí)，宜考慮采用較小流量。流量量程經(jīng)驗(yàn)參考值，水在100L/h(20℃水)，氣體在3000L/h(0.1MPa/20℃空氣) 以下。
2.2.2 吹掃裝置用于壓力測量
假設(shè)吹掃節(jié)流件形式和流量一定，則測量誤差絕對(duì)值(ΔP)一定，此類壓力測量的相對(duì)誤差為ΔP/P；故如果被測管線內(nèi)介質(zhì)壓力較大，即P大，則相對(duì)誤差較小，一定程度上不影響工藝的監(jiān)測和控制，故吹掃流量可以設(shè)計(jì)稍大，以保證管線通暢和防腐作用為主；如果被測壓力很小，比如 微正壓等，則由于ΔP/P分母較小，故相對(duì)誤差較大，此處流量宜設(shè)計(jì)較小，即P較小時(shí)，宜降低流量，減少ΔP，一定程度上抑制因吹掃帶來的系統(tǒng)誤差的影響，保持較低的相對(duì)誤差，保證工藝控制的目的。
2.2.3 非測量管線或設(shè)備的吹掃
該環(huán)境下由于不涉及參數(shù)的測量，吹掃流量可以選擇稍大，以吹掃介質(zhì)的進(jìn)入不影響工況為準(zhǔn)。線路上的吹掃裝置可以不設(shè)計(jì)恒流閥。
2.3 吹掃裝置安裝形式的設(shè)計(jì)
2.3.1 吹掃管線的基本設(shè)計(jì)
如圖5所示，在對(duì)設(shè)備或非測量管線的吹掃中，由于無控制要求，可以取消過濾減壓閥和恒流閥，以節(jié)約成本。但止回閥的設(shè)計(jì)作為阻止工藝介 質(zhì)倒吹入吹掃系統(tǒng)的措施是必要的。
圖5 吹掃管線基本設(shè)計(jì)元素組成(注: I/P為儀表與其他專業(yè)分界線)
2.3.2 吹掃點(diǎn)在測量導(dǎo)壓管線上位置的選取
配管方式之一是吹掃點(diǎn)位于導(dǎo)壓管測量取樣點(diǎn)附近，如圖6所示。
圖6 吹掃點(diǎn)位于取樣點(diǎn)附近
在工程應(yīng)用中的導(dǎo)壓測量中，一般認(rèn)為變送器的測量值就是管道或設(shè)備壓力取樣點(diǎn)的值，即P0=P1=P2，前提是導(dǎo)壓管通暢且內(nèi)部介質(zhì)為非流動(dòng)的。然而吹掃的引入，使導(dǎo)壓管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)，這樣圖6中A，B，C處的壓力就不一定相同了，其關(guān)系：P2-P1=KBCv=0(v=0)，(KBC為BC段節(jié)流系數(shù))，而P1-P0= KABv＞0，即P2＞P0，(KAB為AB段節(jié)流系數(shù))，式中v為介質(zhì)流速。
理論上測量值與實(shí)際值間存在誤差。其中KAB與AB段導(dǎo)壓管長短、導(dǎo)壓管管接件情況(截止閥、三通、焊接情況)、內(nèi)壁阻塞情況均有關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中導(dǎo)壓管線一般長5-15m，管線越長，內(nèi)壁情況越復(fù)雜，管節(jié)件越多，則阻力系數(shù)越大，節(jié)流越明顯，壓損也越大。假設(shè)吹掃吹氣流(水流) 一定，則吹掃點(diǎn)離取樣點(diǎn)越近，測量誤差理論上越小。即KAB↓則P2→P0反之測量偏離越大。目前許多吹掃配管設(shè)計(jì)采用此方式。
配管方式二為吹掃點(diǎn)位于變送器測量端附近，如圖7所示。
圖7 吹掃點(diǎn)位于變送器測量端附近
此種方式可以讓受到吹掃的目標(biāo)管線較長，盡可能保持管線內(nèi)的通暢。缺點(diǎn)是誤差相對(duì)較大。當(dāng)被測壓力為微壓或?yàn)椴顗簻y量時(shí)慎用。一般壓 力測量也可選用。
2.3.3 吹掃管線管徑的選擇
吹掃管線管徑可以根據(jù)既定吹掃裝置中轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程來計(jì)算，小流量的一般為＜14mm或小于10mm的不銹鋼管，大流量的可選12.7mm不銹鋼管。
3、實(shí)際應(yīng)用中的問題探討
由于吹掃裝置儀表本身的原理特性和煤化工工藝的特點(diǎn)，吹掃裝置在使用過程中宜注意以下問題。
3.1 吹掃裝置冬季防凍
要考慮在北方應(yīng)用、帶有恒流閥，且吹掃介質(zhì)為水的吹掃裝置。由于恒流閥中存在參照室和平衡室，二者之間為一層彈性隔膜，北方冬季寒冷，如果閥內(nèi)結(jié)冰，隔膜很有可能損壞，某些北方工程中已有此先例。所以在應(yīng)用中，針對(duì)此情況可進(jìn)行保溫伴熱，在不影響工況情況下，增大吹掃流量，保證“常流水”也可以嘗試防凍。
3.2 吹掃裝置超差壓保護(hù)
在工程試車或開、停車時(shí)，工藝可能半負(fù)荷或更低負(fù)荷生產(chǎn)，被測量管線中的壓力比正常時(shí)低出許多，有時(shí)甚至比正常壓力低出約3.0-4.0MPa，而吹掃裝置入口的一次壓力，卻可能仍然維持在高壓狀況。由于煤氣化裝置中吹掃裝置通常達(dá)幾百臺(tái)，而且比較分散，不可能人為迅速干預(yù)，過高的差壓可能迅速將儀表中的膜片“吹癟”，導(dǎo)致整個(gè)裝置的報(bào)廢。
分析認(rèn)為，帶恒流閥的吹掃裝置中，彈性膜片是起到調(diào)節(jié)壓力，一定范圍達(dá)到“恒流”的關(guān)鍵因素，彈性決定了它不能在其兩側(cè)承受過高的差壓。
如果調(diào)節(jié)圖5中恒流閥中的針形閥，即開大針形閥，則入口高壓介質(zhì)進(jìn)入平衡室，可以緩解膜片兩側(cè)的壓力差，保護(hù)膜片，但一旦進(jìn)入正常負(fù)荷生產(chǎn)， 由于針形閥開得較大，參照室與平衡室?guī)缀跸嗤ǎ瑒t儀表又失去了“恒流”的調(diào)節(jié)功能。
由于煤化工中高壓吹掃比較普遍，所以如何實(shí)現(xiàn)超差壓自動(dòng)保護(hù)，這也是目前工程應(yīng)用和吹掃裝置生產(chǎn)商應(yīng)該關(guān)注和改進(jìn)的地方。目前在工藝工況變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)吹掃系統(tǒng)氣體(水)壓力，使之隨動(dòng)，也不失為一種嘗試方向。另外在工況變化時(shí)及時(shí)進(jìn)行人為干預(yù)，降低吹掃壓力，或?qū)赡艹霈F(xiàn)大差壓的吹掃裝置中的針形閥進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，也可起到保護(hù)儀表的作用。
吹掃裝置的合理設(shè)計(jì)和正確應(yīng)用，不僅可以保 證其使用效果，同時(shí)對(duì)減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)面影響，以及設(shè)備保養(yǎng)和保障裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行十分必要，對(duì)煤氣化等大型工程的自動(dòng)控制和正常生產(chǎn)有十分重要的意義，對(duì)吹掃裝置細(xì)致的研究具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。你還可以前往吹掃裝置產(chǎn)品頁面http://rjxysw.com/product/3099.html做深入了解。
作者：中國五環(huán)化學(xué)工程公司 張華慧
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