吹掃裝置的合理設(shè)計和正確應用，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)定運行，同時對減少系統(tǒng)設(shè)計的負面影響，昌暉儀表總結(jié)的吹掃裝置設(shè)計和應用經(jīng)驗對煤化工行業(yè)儀表工有很好參考價值。
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)，十分容易導致管線堵塞和設(shè)備卡阻。在普遍采用細小導壓管的儀表測量中，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不可回避的系統(tǒng)工程。在目前國內(nèi)的大型煤氣化項目中，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踐，吹掃的設(shè)計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)定運行，是一個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)進入目標管線內(nèi)，達到保持管線通暢和介質(zhì)隔離的目的。由于實現(xiàn)了對工藝介質(zhì)的隔離，在線吹掃對于目標管線及測量儀表的防腐也很有意義。間歇吹掃就是定時或根據(jù)需要開啟吹掃程序，對可能堆積或集結(jié)的管線或設(shè)備進行吹洗。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，文中重點闡述在線吹掃裝置的設(shè)計與應用。
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，勢必對工藝參數(shù)的控制造成干擾，流量過大也會影響到壓力測量的準確性。特殊的吹掃裝置可以對吹掃流量進行監(jiān)測和控制，一定程度上可以很好地實現(xiàn)控制段管線的微正壓差，帶恒流閥的吹掃裝置還可以對壓力的波動進行識別和自動補償，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、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，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)計取A遠大于a，所以(a/A)(P1-P2)可以忽略不計，同時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。當測量介質(zhì)是可壓縮的液體時，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，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行設(shè)計。
2、吹掃設(shè)計選擇
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)計中一次壓力相對穩(wěn)定，二次壓力波動較為頻繁，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，如果二次壓力相對穩(wěn)定 ，則選擇二次壓力為參照，通過平衡室壓力的隨動修正，實現(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)為氮氣、二氧化碳等，其來源為其他獨立系統(tǒng)，相對比較穩(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、減負荷和其他不穩(wěn)定因素，管線內(nèi)介質(zhì)壓力波動會比較頻繁，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 幾種典型應用環(huán)境吹掃流量的選擇設(shè)計
2.2.1 吹掃管線用于流量和差壓測量
采用吹掃后，導壓管線內(nèi)部的流體由靜態(tài)變?yōu)榱鲃訝顟B(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際被測點壓力會存在一定壓力差。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，其絕對值較小，任何一側(cè)測量的細小誤差，很容易直接以較大的相對誤差顯現(xiàn)出來。故在選擇吹掃流量時，宜考慮采用較小流量。流量量程經(jīng)驗參考值，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，則測量誤差絕對值(ΔP)一定，此類壓力測量的相對誤差為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，故相對誤差較大，此處流量宜設(shè)計較小，即P較小時，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)的進入不影響工況為準。線路上的吹掃裝置可以不設(shè)計恒流閥。
2.3 吹掃裝置安裝形式的設(shè)計
2.3.1 吹掃管線的基本設(shè)計
如圖5所示，在對設(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 吹掃點在測量導壓管線上位置的選取
配管方式之一是吹掃點位于導壓管測量取樣點附近，如圖6所示。
圖6 吹掃點位于取樣點附近
在工程應用中的導壓測量中，一般認為變送器的測量值就是管道或設(shè)備壓力取樣點的值，即P0=P1=P2，前提是導壓管通暢且內(nèi)部介質(zhì)為非流動的。然而吹掃的引入，使導壓管內(nèi)介質(zhì)流動，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。
理論上測量值與實際值間存在誤差。其中KAB與AB段導壓管長短、導壓管管接件情況(截止閥、三通、焊接情況)、內(nèi)壁阻塞情況均有關(guān)系。實際應用中導壓管線一般長5-15m，管線越長，內(nèi)壁情況越復雜，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，則吹掃點離取樣點越近，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)計采用此方式。
配管方式二為吹掃點位于變送器測量端附近，如圖7所示。
圖7 吹掃點位于變送器測量端附近
此種方式可以讓受到吹掃的目標管線較長，盡可能保持管線內(nèi)的通暢。缺點是誤差相對較大。當被測壓力為微壓或為差壓測量時慎用。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)子流量計量程來計算，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、實際應用中的問題探討
由于吹掃裝置儀表本身的原理特性和煤化工工藝的特點，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。所以在應用中，針對此情況可進行保溫伴熱，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
在工程試車或開、停車時，工藝可能半負荷或更低負荷生產(chǎn)，被測量管線中的壓力比正常時低出許多，有時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幾百臺，而且比較分散，不可能人為迅速干預，過高的差壓可能迅速將儀表中的膜片“吹癟”，導致整個裝置的報廢。
分析認為，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)進入平衡室，可以緩解膜片兩側(cè)的壓力差，保護膜片，但一旦進入正常負荷生產(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，所以如何實現(xiàn)超差壓自動保護，這也是目前工程應用和吹掃裝置生產(chǎn)商應該關(guān)注和改進的地方。目前在工藝工況變化時及時調(diào)節(jié)吹掃系統(tǒng)氣體(水)壓力，使之隨動，也不失為一種嘗試方向。另外在工況變化時及時進行人為干預，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行手動調(diào)整，也可起到保護儀表的作用。
吹掃裝置的合理設(shè)計和正確應用，不僅可以保 證其使用效果，同時對減少系統(tǒng)設(shè)計的負面影響，以及設(shè)備保養(yǎng)和保障裝置長期穩(wěn)定運行十分必要，對煤氣化等大型工程的自動控制和正常生產(chǎn)有十分重要的意義，對吹掃裝置細致的研究具有很好的現(xiàn)實意義。你還可以前往吹掃裝置產(chǎn)品頁面http://prosperiteweb.com/product/3099.html做深入了解。
作者：中國五環(huán)化學工程公司 張華慧
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