煤化工粗煤气流量计的应用与改造

翟宏伟

(中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017317)

0 引言

近些年，随着我国工业的迅猛发展，对于煤化工而言，流量仪表是煤化工生产过程的重要指标之一。流量计量贯穿于全过程中，任何一个环节都离不开流量计量。在现实中，操作工靠着这些关键参数对生产流程进行监测和控制，并实现生产工艺控制的自动化。这对提高化工产品的产量和质量，保障生产安全，改进工艺操作，改善工艺生产条件等方面都有着非常重要的意义。同时，流量计量也是企业经济核算的重要依据，流量计量准确可靠是保证企业生产率进行，保证最佳经济效益的重要手段之一。只有确保流量测量数据的科学与准确，才能实现企业管理工作的高效和实效，加强装置进出口流量计仪表的改造，不仅有利于促进企业的节能降耗，而且有利于企业的可持续发展，从而有效提高生产效率。

1 装置简介

1.1 气化变换装置

变换装置特点是高温、高压、易燃、易爆、易腐蚀、有毒有害；工艺特点是高CO、低水气比、含尘含油的工艺气。变换装置处理来自气化装置3.9 MPa、175 ℃、176400 Nm3/h粗煤气，粗煤气进入洗涤分离塔洗涤分离掉粗煤气中的液滴、焦油、煤尘等杂质后，进入到气气换热器管程，与壳程来自第二变换炉的变换气换热。换热后的粗煤气经煤气过滤器进一步脱除煤气中的焦油、灰尘后，进入到第一变换炉进行变换反应，该反应为强放热反应。第一变换炉出口变换气经第一淬冷增湿器进行增湿、降温后进入到第二变换炉进行变换反应。反应后的变换气通过气气换热器的壳程换热后，依次进入第二淬冷增湿器、第三变换炉、第三淬冷增湿器、第四变换炉；出第四变换炉的变换气，逐级进入淬冷水预热器、洗涤水预热器、锅炉给水预热器、脱盐水预热器、最终冷却器的管程，变换气洗涤降温至40℃。经冷却装置余热回收，生成274000 Nm3/h，生成变换气送至低温甲醇洗工段。

来自气化装置的粗煤气组分主要成分是CO、H2、CH4、CO2、水蒸汽、粗焦油、油类和轻烃类气体。

1.2 低温甲醇洗装置

低温甲醇洗装置是中煤鄂尔多斯能源化工有限公司年产100万吨合成氨项目主流程装置。来自变换装置的含饱和态水蒸气的变换气温度40 ℃、压力3.4 MPa(G)、流量274048 Nm3/h进入甲醇洗装置变换气(单系列)，装置按两系列并列配置分别为低温甲醇洗一系列及二系列。低温甲醇洗的主要任务是脱除变换气中CO2、H2S、COS及石脑油(粗苯)等杂质，为液氮洗装置提供合格的净化气；同时回收石脑油(粗苯)和部分CO2，为硫回收装置提供富含H2S的酸性气，为尿素装置提供高纯度的CO2产品气，为VOCs装置提供含有微量烃类的尾气。本装置包含如下几个系统：变换气冷却系统、预洗和H2S/CO2吸收系统、甲醇闪蒸系统、热再生系统、预洗甲醇再生系统、尾气水洗及贮槽系统。

2 组分参数介绍

2.1 变换粗煤气主要成分

粗煤气组分含量N2(2.72%)、H2(26%)、CO2(4.78%)、 CH4(8.41%)、H2S(0.22%)、CO(57.41%)、CnHm(0.5%)、BTX(0.1%)、焦油(0.04%)、油(0.13%)、酚(0.02%)；压力：3.9 MPa，温度：175 ℃，操作密度：22.1 kg/m3，流量：176400 Nm3/h[1]。

2.2 低温甲醇洗变换气组分参数

变换气组分含量(MOL%)N2(1.55%)、H2(52.21%)、 H2S(0.24%)、CO(1.5%)、CO2(38.62%)、CH4(5.28%)、CnHm(0.57%)、C2H4(0.06%)、C2H6(0.27)压 力3.4 MPa，温度40 ℃，流量：274048 Nm3/h。

3 变换装置入口和低温甲醇洗入口流量计在装置运行中的重要性

变换装置入口和低温甲醇洗入口流量计在装置运行中充当着重要的角色，两套变换及低温甲醇洗装置，每套系列入口各设有一台流量计，变换入口流量计量程0～320000 Nm3/h，低温甲醇洗入口流量计量程0～350000 Nm3/h，主要是对变换入口粗煤气和低温甲醇洗入口的净化气流量进行连续测量，操作工靠着这些参数对生产流程进行监督和控制，并实现生产流程的自动化，改进操作工艺；改善生产条件；利用流量计来体现装置的负荷，根据负荷调整工艺指标，确保装置出口工艺指标合格，对工艺操作进行及时的指导和流量核算。同时对气化炉的产气量和变换、低温甲醇洗入口气量是否平衡，其流量计测量指示的准确与否，将直接影响下游工艺负荷的调整。

流量计量是气化与变换、低温甲醇洗装置经济核算的重要依据，计量流量计的准确可靠是保证一个企业生产最佳经济效益的重要手段之一。

4 原流量计运行情况及存在问题

(1)变换原流量计测量原理：压差流量计主要由测量元件、差压变送器构成，其工作原理是利用能量守恒定律得出的流量测定结果。流经管内节流件时，由于节流件的流通截面比管道截面小，流束形成局部收缩，在压头作用下，流体加速，动能增加，势能下降导致静压下降，在节流前后形成压力差。并通过测量流体压力差来实现流量的测量。

原变换装置入口流量计，采用文丘里节流装置，取压根部阀为DN15，在运行过程中，由于取压口为导压管取压，取压流速降低，由于粗煤气中含有NH3，H2O和CO2这三种物质，当粗煤气温度较低的温度会产生碳氨结晶，导致取样管线堵塞，产生压差偏离现象。

再加上煤焦油以及粉末颗粒状物体，在生产使用测量中，极易出现仪表导压管堵塞问题。在冬季高凝固点介质环境中，还会出现冻堵问题，从而影响仪表的准确测量，在极端条件下甚至会导致差压变送器膜盒损坏现象。导压管增加了蒸汽伴热后也得不到根本性解决，导压管内部会积留油污及粉尘，容易导致仪表测量误差偏大的问题，不利于生产工艺操作和仪表的连续长周期稳定运行。

定期进行排污，变成了常态化作业，仪表维护及保养工作量大。排污阀长期开关又导致内漏，不仅损耗有所增加，而且环境也遭到的污染，存在较大的安全隐患同时也给工艺操作指标和流量核算带来影响。

这存在的缺点不是偶然的，而与本身固有的使用条件和测量结构、检测原理有着密切的关联。在实际中这些问题和缺点根本无法通过具体的操作来避免。因此，针对流量计存在的问题进行技术改造。

(2)低温甲醇洗原流量计测量原理：在测量管(仪表表体)中心同轴放置一圆形靶板，当流体冲击靶板时，靶板上受到一个力，它与流速，密度和靶板受力面积之间的关系成正比。经力转换器转变成电信号或气压信号输出，输出信号与流量的关系就可求出。它由测量装置力转换器和信号处理变送显示几部分组成。测量装置包括靶板、传感器和测量管，力转换器为应变计式传感器，信号处理为标准4～20 mA信号传回DCS显示。

目前低温甲醇洗装置靶式流量计实际运行情况，由于净化气压力高，流速快，靶杆长时间受力，导致传感器变形，系统停车无流量后仪表仍然有指示，零点漂移。

更换靶杆靶片后运行一段时间之后，仍然出现传感器变形、脱落现象，指示误差大，流量计在线不具备维修条件，只能利用系统停车机会进行检修，更工艺操作指标和流量核算造成影响。

对此讨论，在保证不改变工艺管道的前提下，通过改造流量计的结构、材质、改变测量方式，来解决以上问题，达到长周期稳定运行，使得流量计测量准确，满足工艺要求。

5 流量计改造方案

(1)综上所述现象，分析其原因，并且保证不改变工艺管道走向及管口规格，法兰标准及等级、法兰短管长度、法兰尺寸密封面、仪表测量范围不改变的前提下，根据现场原直管段情况，对仪表测量原理进行改造，采用管道插入式涡街流量计进行测量。

(2)采用抗振型管道插入式涡街流量计，流量计法兰短管与原流量计长度一致，即不改变工艺管道走向、法兰标准及等级、法兰尺寸密封面、仪表测量范围，同时也满足插入式涡街流量计直管段要求。

(3)通过改造流量计的测量结构、材质，改变测量原理的形式，来解决以上问题，使流量计运行稳定，测量准确，满足工艺要求。改造后解决应仪表测量不准确给工艺操作造成的影响，能及时反映工艺的消耗指标。满足生产长周期稳定运行。

流量计结构图，涡街发生体构造图，如图1所示。

6 双涡街发生体插入式涡街流量计测量原理及特点

(1)插入式涡街流量计即将一个小口径管道式涡街至于整个大管道的中心位置(大致)，测得大管道中心流速，再通过算法(按国际标准化组织IS07145《在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法》)得出整条管道平均流速。

(2)插入式涡街流量计重量轻、压损小、易于安装与维修等特点， 在大口径流量的测量中具有突出的优势。

(3)线路抗振采用的是频谱抑制动态跟踪降噪，可实现10～20倍的干扰衰减。

(4)采用抗振型涡街流量计，双涡街发生体的构造。使得涡街流量计具备强大的整流效果，可以有效消除直管段不足，流场畸变带来的影响。内置的菱形“前发声体”产生涡街特需的左右对称流场分布，并消除上游旋涡的影响。

(5)抗黏附性能好，涂了特氟龙的抗污型涡街，适用于焦炉煤气、高炉煤气。

(6)耐脏污能力强，传感器无任何用于或影响流量检测的传导孔、缝结构。彻底解决了碳氨结晶，煤焦油、尘堵塞问题。

(7)抗电磁干扰能力强，阻力系数小。双发生体结构，大幅度降低压力损失，从而降低流体传输的能量消耗，具有节能效益。

(8)传感器无泄漏，独特的无腔封装工艺及恒定预应力结构，无惧温度剧暑，解决传感器的灵敏度稳定性及寿命难题，将传感器彻底焊死在探头中，从根源杜绝密封问题，涡街传感器采用“无胶封装”与“恒定预应力”技术，从源头上解决涡街的一大问题。

(9)独特的双传感器结构基于干扰信号频谱特征识别及抑制的向好处理系统，免疫强度高达2 g的全向机械振动干扰。

7 投运效果

将改造的流量计投用后，效果改善明显，环保、安全，免维护，解决应仪表测量不准确给工艺操作造成的影响，帮助工艺人员更有效地分析流量核算。此外，能及时反映工艺的消耗指标，大大减少了仪表操作人员的日常维护量，提高了仪表的在线率，满足生产长周期稳定运行。

8 结语

加强企业节能降耗是一项非常系统的工程，要想将该项工程做好，就必须做好能源计量仪表的改造工作。要对能源计量仪表改造在促进企业节能降耗方面的地位和作用有一个清晰的认识，还要对加强能源计量仪表改造的路径有一个科学的把握［2］。在化工企业实际的生产过程中，在线计量流量计在装置运行中充当着重要的角色，流量仪表选择是否合理对整个生产过程的生产质量和效率影响极大。因此，作业专业的仪表技术人员，需要掌握各种已有或新型流量计的特性，进而才能根据选择最为实用的流量计，将其使用的价值充分发挥出来，来促进我国煤化工企业持续、健康、快速、稳定发展。