气体靶式流量计测量热解气的选型设计

 

我国低阶煤资源储藏丰富，占可采储量40%以上。然而它的高效利用一直是业内努力攻克的难题。低阶煤含水量高，热值低，机械强度低，化学稳定性差。为此，北京低碳清洁能源研究所承担国家高技术研究发展计划项目课题“煤分级炼制清洁燃料关键技术研究”，采用热解分级炼制新工艺对煤及液化残渣进行炼制利用，在温和的条件下对原料进行加工处理，分步骤地将其中有用的成分充分提取出来，得到的产品之一为热解气，去除焦油后的热解气组成见表1，本工程中采用靶式流量计对其进行测量。

1靶式流量计概述

靶式流量计是20世纪70年代发展起来的一种新型流量仪表，80年代制定了靶式流量计专业标准(ZBN12008－1989)和检测规程(JJG620－1989)。靶式流量计目前已发展成为主流流量仪表之一，因其有诸多优点，吸引了国内外众多研究者和企业的关注。研究者从多方面对其进行深入的研究:①旋涡发生体的研究[1，2］;②压电传感器探头位置的研究［3］;③数字信号处理方法的研究［4］;④涡街信号检测方法的研究［5］;⑤数值仿真方法的研究［6］。

 

在众多流量计中，靶式流量计的安装、运行、维护费低于节流式、容积式等，购置费低于容积式、质量式等，是一种实用性和经济性都较好的流量计，受到用户广泛欢迎。该流量计优点如下:

 

(1)在一定雷诺数Ｒe范围内(2×104～2×106)，输出频率信号不受流体物性(密度、粘度)和组分变化影响，即仪表系数仅与旋涡发生体的形状尺寸及管道的形状尺寸有关，可以在一种典型介质中校验而适用于各种介质。

 

(2)精确度较高(与差压式、浮子式流量计比较)。

(3)量程比可达10∶1或20∶1，目前已有厂家在研制适用于气体测量能达到80∶1的靶式流量计。

(4)压损小(约为孔板流量计的25%～50%)，大幅度降低能耗。

(5)结构简单牢固，安装维护方便。

(6)使用范围广，可测量液体、气体、蒸汽和部分混相流体。

 

2靶式流量计的参数计算

2.1工作状态和标准状态下的体积流量换算

靶式流量计的输出信号是与工作状态的体积流量成正比例，气体的体积流量受温度、压力影响较大，在流量计选型时，若提供的流量是标准状态下的体积流量或质量流量，应把它换算成工作状态下的体积流量。

式中，qV、qn分别为工作状态和标准状态下的体积流量，m3/h;P、Pn分别为工作状态和标准状态下的绝对压力，Pa;T、Tn分别为工作状态和标准状态下的热力学温度，K。

 

2.2雷诺数、压力损失和背压的计算

在靶式流量计选择流量计通径时，主要是对流量下限值进行核算雷诺数，最小雷诺数不应低于下限雷诺数，即雷诺数Ｒe≥2×104。在测量介质为液态时，还应检查最小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸汽压，即是否产生气穴现象。

(1)雷诺数Ｒe是一个表针流体惯性力与粘性力之比的无量纲量:

式中，Q为体积流量，m3/h;D为流量计内径，mm;v为运动粘度，m2/s。

 

(2)压力损失:选择流量计时，通常可能会对流量计的通径进行适当缩小，以取得较大的流速和合适的流量量程。但是如果缩径过于严重，可能会导致较大的压力损失，能耗会增加，因此在选择流量计的通径时，也需要适当考虑压力损失，尽可能减小压力损失。压力损失△P计算:

式中，△P为压力损失，kg/m2;ρ为流体密度，kg/m3;V为流速，m/s。

 

(3)背压:测量液体的流量时，要确认工艺管道的压力对于较小的公称通径而言有足够大的背压，避免气穴产生。流量计下游的管道压力应满足:

式中，P为流量计下游3.5～7.5D的最小管道压力，kg/cm2(A);P0为液体的饱和蒸汽压，kg/cm2。

 

(4)根据工艺要求及现场安装环境选择耐压、耐温等级、防护等级、防爆等级、输出信号等。3测量热解气的靶式流量计的选型设计热解气的组分如表1所述，其工艺参数:操作密度0.63kg/m3，运动粘度2×10－5m2/s，操作温度48.9℃，操作压力7.5kPa，管道DN80，最小流量50Nm3/h，正常流量100Nm3/h，最大流量150Nm3/h，仪表测量范围选择0～180Nm3/h。因为本装置为试验装置，在装置运行的过程中，业主可能会根据需要适当调整参数，因此选择量程比宽一些的流量计会有助于调整后的测量;另外热解气作为产品之一，其流量是验证工艺与关键设备的工程可行性、优化工艺参数的关键参数之一，因此使用精度高一些的流量计也是有必要的;热解气的组分随着参数的调整也可能会发生变化，因此基于伯努利方程原理的，如孔板、喷嘴、阿牛巴、德尔塔巴、平衡式等都不能很好的测量，因为这类流量计受流体物性(密度、粘度)和组分变化影响，且最终的热解气产品或多或少都有焦油的存在，时间长了可能堵塞流量计。楔式流量计带自清洁的功能，如果采用法兰取压，变送器采用隔膜密封式变送器，其受焦油的影响较小，楔式流量计的计算结果分别见图1和图2。

当H/D比为0.2时，其压力损失达到4kPa，已经大于操作压力的一半，此种方案不可取，当H/D比为0.3时，其压力损失为1.09kPa，可以接受，但最小流量时的差压只有0.11kPa，甚至正常流量时的差压也只有0.45kPa，由于采用的是隔膜密封式变送器，此时的精度无法保证;另一类是基于线性连续方程原理的，如靶式流量计、质量流量计等，考虑到本装置为一个实验装置，质量流量计价格昂贵，因此综合考虑介质和装置的特殊性、压损、精度和费用等因素，本工程中选用靶式流量计测量热解气的流量。

 

由式(1)可得最小流量对应的工作状态下的体积流量:

由式(2)可得流量计口径为DN80时的雷诺数:

因此需适当缩小流量计尺寸，缩小至DN50时的雷诺数:

流量计缩小至DN40时的雷诺数:

由上述计算结果可知，当流量计缩径至DN40时，雷诺数即可满足要求。

按式(3)可以核算下DN50和DN40口径下的最大压损:

DN50时:

DN40时:

利用横河公司计算软件计算出来的结果见图3。

        从图3可见，出流量计口径为DN80时，最小流量无法测量;流量计口径缩径至DN50时，最小流量可测(此时流体的雷诺数非常接近2×104)，但此时的测量精度稍微差些;流量计口径缩径至DN40时，最小流量可测，且精度也能得到保证。用上述公式计算的压损与软件计算出来的也基本一致，差别来自计算时流速及流量计口径均采用的是估算值。如果流量计缩径至DN25时，流量计的压损已经达到7.6kPa，压损较大，无法满足工艺要求。因此选择DN40口径的流量计能满足要求。对于DN50口径的方案，如果流量大于54Nm3/h时，流量计的精度为此款流量计的非常好的精度，为1.0%，当流量为50Nm3/h时，此时流量可测，只是精度稍差些，约为1.81%，但流量计的压损会小很多，从节能降耗方面考虑，选择DN50口径的流量计也是可以的。综上，选择DN40和DN50口径的靶式流量计都能满足要求。

 

        操作温度为48.9℃，没有特殊性，选择普通的靶式流量计即可;根据现场情况，流量计为露天安装，防护等级选择IP65即可;根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058－2014，本装置中各介质所在组别属于危险物料，见表2。因此仪表的防爆标志选择ExiaⅡCT4Gb即能满足要求。根据项目统一要求输出信号选择为4～20mA+HAＲT。

        至此，靶式流量计的选型已完成，但考虑到热解气中焦油的存在，选择靶式流量计时，需要注意: ① 不能选用因为技术需要而在靶式流量计中设计了小孔结构的流量计，因为焦油有可能堵塞这些孔，从而失去其原有的作用; ② 焦油有可能附着在旋涡发生体上，从而改变其结构，影响测量精度，因此需要采用带防粘附作用的发生体，另外考虑到热解气中焦油的含量较小，且由于旋涡的存在，其有剥离附着在发生体上的焦油的作用，因此认为其对测量精度的影响比较小。

 

4 结语

        目前项目已经开车成功，靶式流量计现场使用效果特别好，在整个实验的过程中，都能很精确地测出热解气的流量，深受业主好评。现场的使用结 果 表 明，在 发 生 体 带 防 粘 附 作 用 的 情 况下，低含量的焦油对流量计的测量精度影响不大。

 

        目前化工厂常用的流量计节流装置 (孔板等)，其受流体物性影响大，量程比一般只有 3: 1，且容易出现堵塞，直管段要求甚至高达 50 倍管径，另外导压系统还容易出现泄漏。靶式流量计因其仪表系数与流体特性无关 (气液通用)、精度高、宽量程比和低压损等优点，是节流装置的理想替代品，但只有正确设计、正确选型以及正确安装的条件下才能发挥其应有的作用。