焦爐煤氣流量測量儀表的比較與分析

劉 欣

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

中國是世界焦炭產量最大的國家。 2019年中國焦炭產量達4.7億噸，占世界焦炭總產量的60%以上。煉焦用煤生產焦炭的同時會大量產出一種中熱值的可燃性氣體，這種煉焦工業的副產品叫做焦爐煤氣。焦爐煤氣富含氫氣與甲烷，經過凈化分離后可作為多種有機合成物的原料[1]，因此焦爐煤氣流量的準確測量也是焦爐煤氣綜合利用中的重要部分。

1 焦爐煤氣常用流量測量儀表簡介

焦爐煤氣流量測量可以利用各種類型的流量計，其中包括超聲波流量計、節流裝置、平衡流量計等。這些測量方法有著各自的優缺點，適用于不同的工況要求。

1.1 超聲波流量計

超聲波流量計是基于超聲波在流動介質中傳播速度等于被測介質的平均流速與聲波在靜止介質中速度的矢量和的原理而開發的流量計。超聲波流量計的信號檢測原理可分為傳播速度差法、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。當前常用的超聲波流量計采用傳播速度差法，即安裝在管道中的全金屬超聲波換能器向流體上游和下游發送聲音脈沖(見圖1)。根據傳感器在順流和逆流時的傳輸時間差異來計算流體的速度、體積和質量流量。

超聲波流量計流量計算公式如下[3]：

(1)

(2)

式中，qv為工況下的體積流量，m3/s；V為流速，m/s； P為超聲波通道長度，m；L為管徑，m；tup為逆流時的傳輸時間，s；tdn為順流時的傳輸時間，s；D為上游管道內徑，m。

圖1 超聲波流量計原理圖

1.2 節流裝置

節流裝置是一種歷史悠久、用量最大的流量計。節流裝置依據流體流過節流裝置，使部分壓力能轉變為動能產生差壓的原理來工作[4]。標準型節流元件按照GB/T 2624來設計、制造、安裝和使用，無需實流校準。節流式差壓流量計可測量所有單向流，包括液、氣、蒸汽等。標準節流裝置全世界通用，并得到國際計量組織的認可。

標準孔板是測量流量的差壓發生裝置，配合各種差壓計或差壓變送器可測量管道中各種流體的流量。當滿管道的流體流經管道內的標準孔板時，流束將在節流件處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力低，于是在節流件前后便產生了壓力降，即壓差，介質流動的流量越大，在節流件前后產生的壓差就越大，通過測量壓差可以來衡量流體流量的大小。這種測量方法是以能量守衡定律和流動連續性定律為基準的。

節流裝置流量計算公式如下[5]：

(3)

式中，qv為工況下的體積流量，m3/s；c為流出系數，無量綱；β=d/D，無量綱；d為工況下的孔板內徑，mm；D為工況下的上游管道內徑，mm；ε為可膨脹系數，無量綱；Δp為孔板前后差壓值，Pa；ρ1為工況下流體的密度，kg/m3。

1.3 平衡流量計

平衡流量計是基于國標GB2624在標準孔板和流動調整器基礎上研發的一種新型的節流元件，平衡流量計與標準孔板節流元件對比見圖2。

它的工作原理與差壓式流量計一樣，即：在理想流體的情況下管道中的流量與差壓的平方根成正比；根據伯努利方程用測出的差壓值計算出管道中的流量。平衡流量計的節流元件是一個安裝在管道截面上的多孔圓盤節流整流器。當流體穿過圓盤整流孔時，流體將被節流元件整流，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過取壓裝置，可獲得穩定的差壓信號[6]。相比節流裝置，平衡流量計具有自整流效果，其直管段要求低。平衡流量計與標準孔板直管段對比見圖3。

平衡流量計流量計算公式如下[7]：

(4)

式中，Q為工況下的體積流量，m3/s； K為流量系數，無量綱；Y為壓縮系數，無量綱；Δp為孔板前后差壓值，Pa；ρ為工況下流體的密度，kg/m3。

2 三種流量計比較

超聲波流量計、節流裝置、平衡流量計在測量原理、適用范圍、安裝方式等方面各不相同。

2.1 超聲波流量計

超聲波流量計無可動部件,適應含雜質與潮濕氣體的環境，無需日常維護，量程比高，無壓損，安裝方便，適用于任何口徑的流量測量。超聲波流量計不依賴于氣體特征，不對流體流動產生任何干擾。在基本負荷運行的條件下，體積流量范圍通常在0.03m/s到85m/s之間。流量計包含一對或兩對傳感器、前置放大器和一臺電子儀表，可以通過熱鉆孔或者冷鉆孔的方式直接安裝在管線上，安裝方便。超聲波流量計沒有可動部件，不會造成測量元件堵塞與磨損，可以承受焦爐煤氣常見的腐蝕環境，無需日常維護。超聲波流量計現場安裝圖見圖4。

圖4 超聲波流量計現場安裝圖

2.2 節流裝置

節流裝置只有在如下參考工作條件下，流量系數才與國標GB2624中提供的數據相符：

(1)流體充滿全部管道截面連續地流動。

(2)道內流體流速(流動狀態)穩定。

(3)體通過節流裝置時不發生相變。

(4)節流裝置前后有足夠長度的直管段。

(5)通常節流裝置量程比在3∶1[8]。

節流裝置需要與差壓顯示儀表連接，節流裝置安裝示意圖見圖5。

圖5 節流裝置安裝示意圖

標準孔板的現場安裝條件要求較高，一般需較長的直管段，至少應為前20D后15D。節流裝置與差壓顯示儀表之間引壓管線亦為薄弱環節，易產生泄露、堵塞及凍結等故障。

2.3 平衡流量計

平衡流量計測量精度高，量程比一般為10∶1，量程較寬；直管段要求短，前5D后3D即可滿足測量精度的要求。其永久壓損比節流裝置標準孔板低，在相同工況下，比傳統的節流裝置永久壓損小70%，節省了正常生產的運營成本。同時，平衡流量計耐臟污不宜堵，可以用于測量大口徑、低流速、臟污、腐蝕性的介質。當介質為臟污或腐蝕性介質時，平衡流量計需要采用隔膜式的取壓法蘭。帶隔膜式取壓法蘭的平衡流量計安裝示意圖見圖6。

圖6 帶隔膜式取壓法蘭的平衡流量計安裝示意圖

綜上所述，三種流量計的對比總結見表1。

表1 流量計對比表

3 焦爐煤氣凈化工藝中的流量計選型

3.1 焦爐煤氣凈化工藝流程

焦爐煤氣凈化的工藝流程為:來自界外的焦爐煤氣進入電捕焦工段后經螺桿壓縮機壓縮，后送入粗脫硫工段。焦爐煤氣經粗脫硫塔初步凈化后送入TSA變溫吸附塔。來自TSA變溫吸附塔的焦爐煤氣經離心壓縮機增壓，后送至焦爐煤氣精脫硫工段脫除有機硫。精脫硫后的焦爐煤氣進入濕法脫碳塔脫除二氧化碳，從而達到凈化煤氣成分和產品質量的要求。

3.2 不同工況下焦爐煤氣流量計選型

根據工藝流程，焦爐煤氣凈化工藝中如下三種工況需要測量焦爐煤氣流量(對比表見表2)。

3.2.1 工況一：來自界區外焦爐煤氣

針對工況一，該點氣體焦油含量高，當嘗試選用差壓原理的流量計時，為了防止測量管線被焦油堵塞，測量元件需要配套采用隔膜式取壓根部閥，因此無法選用標準節流裝置。同時該點測量精度要求為1%，焦爐煤氣壓力為0.005MPa(G)，管道直徑為DN2000，當嘗試選用差壓原理的平衡流量計時，需配合使用微小量程的隔膜式根部閥及差壓變送器，經流量計廠家核算整個測量系統的精度至少為2.6%，無法滿足≤1%要求，且系統壓損為0.0012MPa(G)，焦爐煤氣管線的壓降過大。經與業主溝通，在業主可承受范圍內，該工況選用插入式超聲波流量計。根據計算，采用對角45°波形路徑的超聲波氣體流量計，其測量精度可達0.9%，壓損在0.5kPa以下，滿足要求，采購安裝費用在45萬元左右。

表2 焦爐煤氣流量測量工況對比表

3.2.2 工況二：粗脫硫反應器進口焦爐煤氣

針對工況二，該點氣體壓力為0.48MPa(G)，且該點測量精度要求為過程級，因此以上三種流量計都可以在此處選用。首先從經濟方面考慮，超聲波流量計價格較為昂貴，因此此處考慮選用差壓式測量原理的流量計。同時，該點位置的焦爐煤氣含焦油量為5mg/Nm3，為了防止測量管線被微小焦油堵塞，此處選用隔膜式根部閥及差壓變送器，因此該工況無法選用節流裝置，而選用帶隔膜式取壓法蘭的平衡流量計。根據計算，其滿刻度差壓為4.2kPa，最大壓損為1.3kPa，β比為0.6，采購安裝費用大致在10萬元左右。

3.2.3 工況三：脫碳塔出口焦爐煤氣凈化氣

針對工況三，脫碳塔出口焦爐煤氣已不含雜質，操作壓力較高，以上三種測量儀表均可選用，對比表見表3。根據比較，在三種流量計均滿足測量要求的情況下，選用更為經濟的標準節流裝置方案。

表3 三種流量計測量參數對比表

3.3 三種工況的流量計對比結論

通過上述分析對比，可以得到以下結論：

(1)節流裝置需要使用在焦爐煤氣較為干凈的工況下；超聲波流量計及平衡流量計配合隔膜式差壓變送器可以測量臟污焦爐煤氣的流量。

(2)節流裝置壓損最大，超聲波流量計壓損最小。考慮長期運行能耗，超聲波流量計經濟性最好，平衡流量計次之，節流裝置最差。

(3)節流裝置采購成本最低，平衡流量計次之，超聲波流量計采購成本最高。

4 結語

焦爐煤氣流量儀表的選型非常重要，如何準確測量也是焦爐煤氣綜合利用時生產部門普遍關注的問題。在實際的選用中，設計人員需根據不同工況下焦爐煤氣的溫壓、流量、管徑、組分及精度要求來合理選擇適合的流量儀表。同時，設計人員也要跟業主進行充分溝通，充分考慮費用、使用經驗等各方面要求，合理選型，以保證焦爐煤氣流量測量的準確。