特殊限流孔板在天然氣化工項目中的應用

劉東昭,馬國強

(中國天辰工程有限公司,天津 300400)

特殊限流孔板在天然氣化工項目中的應用

劉東昭,馬國強

(中國天辰工程有限公司,天津 300400)

針對流體流經限流孔板，當差壓大于某一臨界值時，會形成一種流量保持為常數的阻塞流的特性。闡述了當下游系統出現故障時，限流孔板通過限制最大流量起到保證系統安全的作用。討論了限流孔板的孔徑、厚度以及孔板入口的尖銳程度對阻塞流產生的影響，給出最大流量計算公式，并結合天然氣化工項目列舉了應用實例。

限流孔板 阻塞流 孔板孔徑 孔板厚度 孔板入口尖銳程度 最大流量

限流孔板的主要作用是對流體進行限流限壓，根據HG/T 20570.15—1995《管路限流孔板的設置》[1],當流體為蒸氣時，限流孔板后壓力不得小于孔板前壓力的55%；當流體為液體時，限流孔板前后壓力差不能大于2.5 MPa，否則應選用多級限流孔板。筆者提出了一種國際上的限流孔板使用方式，即當限流孔板前后壓差較大時，通過加厚限流孔板的厚度，使流體產生阻塞流，從而達到控制下游流量的目的。

1 限流孔板孔徑板厚對阻塞流的影響

當流體流經限流孔板時，由于慣性作用，流體會先壓縮，再膨脹，如圖1所示。當孔板厚度足夠大時，流體在孔板內部膨脹時會二次接觸到孔板內壁，從而在孔板入口附近形成1個氣穴。根據伯努利方程可知，在氣穴最高點流速最大，壓力最低。隨著下游壓力的逐步減小，流速逐步增大，直至發生阻塞流，此時再降低下游壓力，流速不會再發生變化。當流體再接觸到孔板內壁時，會形成1個邊界層，邊界層與限流孔板內壁之間為湍流區，邊界層之外為層流區。一般認為壓力損失只發生在流體與孔板的二次接觸時，在此之前的流體為理想流體。

圖1 孔板的流量特性示意 注： Ac——pc對應的流體截面積；AB——pB對應的流體截面積

由伯努利方程得：

(1)

式中：p1——孔板前壓力；pc——氣穴區最高點對應的流體壓力；ρ——流體密度；vc——流體壓力為pc處的流體速度。

由質量守恒方程得：

vcAc=vBAB

(2)

式中：AB=πd2/4,d——孔板內徑；vB——孔板后流速。定義：

(3)

式中：Cc——截面比。

將式(2)和式(3)代入式(1)，整理得：

(4)

對孔板前后的壓力，由伯努利方程得：

(5)

式中：pB——孔板后的壓力。

整理式(5)得：

(6)

由于流體在二次接觸時存在壓力損失，孔板后實際流速為

(7)

式中：C——流出系數。將式(7)代入式(4)整理得：

(8)

當發生阻塞流時，pc不再發生變化，以液體為例，此時壓力為介質的飽和蒸氣壓pv,則式(8)可變為

(9)

圖2 無阻塞流時實驗結果與模型對比

圖3 有阻塞流時實驗結果與模型對比

由文獻[3]可知，當流體通過標準孔板時，如由薄板做成的直角入口銳邊孔板，將不會發生阻塞流。若要發生阻塞流，必須使流出系數接近1。文獻[3]給出了滿足阻塞流時L/d的取值范圍，見表1所列。

表1 阻塞流時L/d的取值范圍

2 限流孔板入口彎曲半徑對阻塞流的影響

限流孔板入口彎曲半徑r越小，流體流經的截面積也就越小，流體流經入口越容易發生分離，形成較大的氣穴區域，從而更容易形成阻塞流。隨著彎曲半徑變大，氣穴區域變小甚至最終消失，而邊界層的變化也更容易受到一些無直接關聯參數的影響，流體的可預測性變差。

文獻[2]通過實驗給出了阻塞流對r的要求。當0≤r/d≤0.14時，流體可產生阻塞流；當r/d>0.14時，流體便無法形成氣穴區域。由此可見，阻塞流對孔板入口的尖銳程度要求十分苛刻，為有較好的阻塞流效果，建議孔板入口呈90°角。

3 限流孔板流量計算

3.1 非阻塞流流量計算

根據文獻[3],在未發生阻塞流時，質量流量理論計算公式如下：

(10)

式中：β=d/D,D——管道內徑；如果差壓單位是kPa，d和D單位是mm,則式(10)為

(11)

通常情況下，理論流量會受到各種因素影響，例如孔板下游紊流增大造成能量損失；雷諾數對速度分布均勻性的影響；孔板造成流體最小流通截面在孔板的下游側而無法測量，取壓口的位置等，這些可以通過流出系數C進行規避。對于氣體而言，又需要通過絕熱氣體膨脹系數Y規避其熱脹冷縮的特性。

D和d也會隨溫度的變化而變化，可通過下式進行修正：

D=[1+αp(T-20)]Dmeas

(12)

d=[1+αPE(T-20)]dmeas

(13)

式中：Dmeas,dmeas——分別為20℃時測得的管道孔徑和孔板孔徑；αp,αPE——分別為管道和孔板的熱脹系數；T——工作溫度，K。

因此，熱脹修正系數為

(14)

考慮流體的可壓縮性，引入壓縮系數Fp,將以上各修正系數代入式(11)得：

(15)

以上模型可用來計算流體的實際流速。

3.2 氣體阻塞流流量計算

文獻[3]給出了氣體阻塞流的判定條件和阻塞流流量計算公式。

阻塞流判定條件為

(16)

(17)

(18)

式中：FTP——總壓校正系數；ki——理想氣體的等熵指數；cpi——在101.325 kPa和15℃下氣體比熱。

阻塞流質量流量為

(19)

式中：YCR——臨界流函數；d氣——氣體相對密度；T1——板前溫度。各參數單位均為國際單位。

3.3 液體阻塞流流量計算

由節流原理可知，流體在節流時流速增加而靜壓降低，在節流口后流速界面并不立即擴大，而繼續縮小到某個最小值，此處流速最大而靜壓最低，稱為縮流斷面。縮流斷面后隨著流通界面的擴大，流體流速減慢，靜壓又逐漸回升，稱為壓力恢復。當縮流斷面處的靜壓小于入口溫度下流體的飽和蒸氣壓時，產生空化，如果靜壓繼續降低，就會產生阻塞流，此時縮流斷面壓力pvcr為

pvcr=FFpv

(20)

(21)

式中：FF——臨界壓力比系數。

引入壓力恢復系數FL,定義為剛產生阻塞流時孔板前后的壓降和孔板前與縮流斷面差壓之間的關系：

(22)

p1-p2為剛產生阻塞流時的壓降，由此得到阻塞流的判定條件為

(23)

將式(20)，式(21)，式(22)代入式(15)便可得到液體阻塞流計算公式：

(24)

4 限流孔板應用實例

某項目以天然氣、氧氣為原料，經天然氣脫硫、飽和、轉化，甲醇合成、精餾等工序最終生產出合格的甲醇產品。甲醇合成單元產出的粗甲醇含水和少量副產物，如乙醇、二甲醚、丙酮等。通過三塔精餾系統，可分離出這些雜質，提高甲醇的品質。工藝流程如圖4所示。

圖4 甲醇精餾流程示意

如圖4所示，來自反應器的粗甲醇首先經過高壓分離器進行氣液分離，高壓分離器操作溫度48℃， 操作壓力7.62 MPa。分離液先后經過切斷閥USV-3172,液位調節閥LV-3161A/B和限流孔板FO-3191進入低壓分離器，低壓分離器操作溫度48℃，操作壓力0.4 MPa。正常情況下，高壓分離器與低壓分離器約67%的壓降由液位調節閥承受，約33%的壓降由限流孔板承受，高壓分離器中的分離液帶有少量的閃蒸氣進入低壓分離器，流量可由液位調節閥進行調節，無需產生阻塞流。當高壓分離器液位低低發出聯鎖命令，關閉切斷閥以防止大量氣體竄入低壓閃蒸氣從而進入火炬。一旦聯鎖命令失效，則需要通過限流孔板產生阻塞流限制竄入低壓分離器的氣體流量，該流量值也是安全閥動作設定值。由此可見，正常工況時，通過限流孔板的介質為液體，無需產生阻塞流，當高壓分離器液位低低時，一旦聯鎖失效，會有大量氣體通過限流孔板，此時需要產生阻塞流。根據限流孔板產生阻塞流的條件，此時選用L=d的限流孔板，經計算，限流孔板的厚度和孔徑均為52.14 mm。

5 結束語

本文詳細介紹了限流孔板產生阻塞流時對孔板厚度、孔板入口彎曲半徑的要求，并推導出了阻塞流流量計算公式。該種限流孔板打破了常規應用方式，提出了一種全新的應用理念，即在高壓差時，可通過阻塞流實現降壓限流，既避免了多級限流孔板對空間苛刻的要求，又能對流量進行計算，從而為下游系統的安全性提供了定量的數據支持。

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劉東昭(1987—)，男，山東泰安人，2012年畢業于大連理工大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，現就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表設計工作，任工程師。

TH814

B

1007-7324(2017)04-0063-04

稿件收到日期： 2017-04-26，修改稿收到日期： 2017-06-06。