汽水分離器在碳化三段氣流量測量中的應用

高春喜

（唐山三友集團，河北 唐山 063305）

0 引言

目前，隨著市場競爭日益激烈，能源價格不斷上漲，生產(chǎn)成本也日益增加。為此，通過技術(shù)改造，達到節(jié)能降耗、提高能源利用率、降低產(chǎn)品成本，已成為企業(yè)在新形式下持續(xù)發(fā)展的重要目標。在制造純堿生產(chǎn)過程中，碳化塔是制造純堿的主要設(shè)備，它運行的正常與否直接影響到純堿（碳酸鈉）的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品產(chǎn)量。而在碳化塔內(nèi)部參與反應的氨鹽水量、二氧化碳濃度、二氧化碳氣體流量則是工藝需要控制的重要指標。當氨鹽水的濃度達標，碳酸氫鈉的結(jié)晶效果取決于二氧化碳的濃度和流量。自2013年公司投產(chǎn)以來，受碳化三段氣（二氧化碳）氣體流量測量不準的影響，造成碳化塔結(jié)晶效果差，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時增大了原材料的消耗，使公司制造成本增加。

汽水分離裝置是能源化工行業(yè)中常用的設(shè)備，尤其是核電站中不可缺少的設(shè)備。壓水堆核電廠利用蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進而將熱能轉(zhuǎn)換為電能。蒸汽濕度直接影響汽輪機葉片的使用壽命和汽輪機的效率，蒸汽濕度過高，易導致汽輪機葉片和通流部分發(fā)生腐蝕[1]。汽水分離器作為自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器的關(guān)鍵部件，其主要作用就是對蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的汽水混合物進行分離，確保出口蒸汽濕度滿足汽輪機入口要求。

目前，汽水分離器在國內(nèi)應用較為廣泛，竇曉慧[2]研究了汽水分離器在蒸發(fā)系統(tǒng)的應用，在隔膜法燒堿蒸發(fā)裝置中，用汽水分離器代替偏心阻汽排水器后，減少了蒸汽流失，達到了節(jié)能減排的目的。李哲、文午琪[3]等人分別從設(shè)計和運行兩方面，分析了影響工業(yè)鍋爐濕度的因素，介紹了外置汽水分離器的結(jié)構(gòu)和外置汽水分離器在鍋爐上的應用情況。杜利鵬、張慧[4]等人也對汽水分離技術(shù)在能源動力行業(yè)中的應用、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析。實際應用情況表明，外置汽水分離器可有效解決蒸氣帶水問題，有效節(jié)約能源，使用效果較好。為了解決碳化三段氣氣體流量測量不準的問題，采取了不同的方法，經(jīng)過多次試驗，最后采用汽水分離裝置用于三段氣的儀表測量，解決了由于氣體帶水嚴重造成儀表測量數(shù)據(jù)不準確的問題。

1 原因分析

碳化塔在制堿過程中使用的三段氣包括清洗氣、中段氣、下段氣。它們所含氣體都是二氧化碳，只是氣體中所含二氧化碳濃度不同而已，下面以下段氣（三段氣的一種）氣體流量測量進行說明。

1.1 造成下段氣氣體流量測量不準的原因

如圖1 所示，測量下段氣流量的節(jié)流裝置——孔板流量計采用普通標準孔板。由于受廠房及工藝管道的限制，同時還要滿足儀表孔板流量計前后直管段的要求，孔板流量計只能垂直安裝在工藝管道上，儀表差壓變送器安裝在孔板流量計上方約500mm 的位置，孔板流量計的正、負取壓口經(jīng)過根部取壓球閥與差壓變送器連接。為了便于日常儀表的維護和維修，導壓管選用304 鋼絲編織軟管，鋼絲編織軟管的長度為1200mm。因為安裝距離所限，軟管與差壓變送器之間的連接處產(chǎn)生U 型弧度。正常情況下，當氣體流量增加或減少時，孔板產(chǎn)生的壓降通過正、負取壓口傳遞給差壓變送器，經(jīng)過差壓變送器的轉(zhuǎn)換便測出準確的氣體流量值。由于從壓縮工序過來的下段氣中含有大量水分，所以當0.32MPa 的下段氣流過孔板流量計時，因孔板的節(jié)流作用，氣體在孔板流量計處產(chǎn)生局部收縮，流速增加，此時下段氣中所含的水份部分被滯留在孔板的正、負取壓口處形成凝結(jié)水，凝結(jié)水隨氣體流動滯留在鋼絲編織軟管的U 型彎處并產(chǎn)生靜壓，并且由于U 型彎弧度不等，所以產(chǎn)生的靜壓也不相同。當氣體流量變化時，由于金屬編織軟管中有滯留的水分，所以孔板前后產(chǎn)生的壓降沒有被完全地傳送到差壓變送器上，部分壓降被凝結(jié)水柱的靜壓所抵消，而且凝結(jié)水柱還不是固定不變的，它隨氣體含水量的大小而變化，因而它所產(chǎn)生的靜壓也是變化的。所以，儀表測量的下段氣流量值也是變化的，嚴重影響儀表測量，同時也給工藝操作帶來很大影響，對碳酸氫鈉結(jié)晶效果影響也非常大。

圖1 改造前儀表測量裝置圖Fig.1 Instrument measuring device before transformation

1.2 理論依據(jù)

根據(jù)重力沉降的原理，由于氣體與液體的密度不同，液體在與氣體一起流動時，液體會受到重力的作用，產(chǎn)生一個向下的速度，而氣體仍然朝著原來的方向流動，也就是說液體與氣體在重力場中有分離的傾向。汽水分離器采用重力法技術(shù)，在氣體流量測量過程中，將碳化三段氣中所含的水分分離出來。汽水分離器在工藝原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計上均有不少獨到之處，因而產(chǎn)品工作可靠，使用安全，維護保養(yǎng)簡便，加之體積小，能耗低，無噪音，使用壽命極長，無二次污染。

2 測量裝置的應用

根據(jù)上述原理，在孔板流量計正、負取壓根部與差壓變送器之間的導壓管處安裝汽水分離器，達到下段氣氣體流量測量數(shù)據(jù)準確的目的。

圖2 汽水分離器圖Fig.2 Steam water separator

圖3 改造后儀表測量裝置圖Fig.3 Instrument measuring device after transformation

2.1 汽水分離器的選擇

下段氣的工作壓力為0.32MPa，溫度28℃，凝結(jié)水中含有微量的碳酸根離子，顯弱酸性。為了防止分離器腐蝕，汽水分離器選擇耐壓1.6MPa 的不銹鋼罐體。形狀尺寸如圖2 所示。

2.2 儀表取壓裝置連接圖

如圖3 所示，孔板選用一體式焊接孔板，根部取壓閥選用不銹鋼焊接球閥，取壓管選用304 鋼絲編織軟管，差壓變送器選用EJA 系列差壓變送器，分離器排水管至集水管之間安裝自動排水閥。

2.3 測量過程

當來自壓縮工序壓力為0.32MPa 的下段氣流過孔板流量計時，在孔板前后產(chǎn)生壓降，壓降隨氣體流速的增減而增減。下段氣中所帶的水份在孔板正、負取壓口出處產(chǎn)生凝結(jié)，凝結(jié)的水份隨氣體的流動進入汽水分離器，由于兩種介質(zhì)的密度不同，在重力的作用下，凝結(jié)水被分離并儲存到分離器中，氣體通過分離器出口進入差壓變送器的正、負測量室。當凝結(jié)的水位達到汽水分離器入口以下的位置時，自動排水閥打開，在氣體壓力和凝結(jié)水重力的作用下，分離器中的積水被排到集水管中。當積水排凈后，閥門自動關(guān)閉。集水管與敞口儲水槽連接，最后積水全部流到儲水槽中。這樣，汽水分離器就克服了由于軟管中凝水柱靜壓對孔板壓降的影響，差壓變送器接受的差壓值就是孔板流量計所測氣體的真實流量值。

3 凝結(jié)水的綜合利用

圖4 凝結(jié)水綜合利用圖Fig.4 Comprehensive utilization of condensate

目前，本公司生產(chǎn)能力是年產(chǎn)純堿110 萬噸，共有15臺碳化塔，每臺碳化塔均有一組三段氣流量測量儀表，共計45 臺孔板氣體流量儀表，需要使用90 個汽水分離器，因此凝結(jié)水的量還是很大的。由于凝結(jié)水中含有碳酸根離子（CO32-），所以具有腐蝕性，隨意外排會造成環(huán)境污染。為了消除環(huán)境污染，達到環(huán)保要求，設(shè)計了敞口儲水槽凝結(jié)水回收裝置。

如圖4 所示，把90 個汽水分離器排出的積水匯合到一個總管，然后引到敞口儲水槽中。在儲水槽頂部安裝1 臺雷達液位計，測量儲水槽中液位的高度，在出口安裝1 臺排水泵，排水泵連接濁水池。當儲水槽的液位高于設(shè)定值時，通過控制器啟動排水泵，把凝結(jié)水送到濁水泵房進行綜合利用。當液位低于設(shè)定值時，停止排水泵。這樣就達到了凝結(jié)水的綜合利用，滿足環(huán)保的要求。

4 結(jié)束語

本文對汽水分離器在碳化三段氣流量測量中的應用進行了分析，事實表明，安裝汽水分離器后，徹底消除了凝結(jié)水對孔板流量計差壓值的影響。由于碳化三段氣流量計測量準確，為工藝操作提供了準確的數(shù)據(jù)，大大提高了碳化塔的結(jié)晶效率，使產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量得到了提高，解決了影響三段氣氣體測量數(shù)據(jù)不準的瓶頸問題。同時利用回收裝置把凝結(jié)水進行綜合利用，防止了分離后的凝結(jié)水外排污染環(huán)境，保證了氣體流量測量的可持續(xù)性發(fā)展。