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      技術文章

      蒸汽換熱站裝置儀表選型方法

      發布日期:2023-10-19  來源:中國昆侖工程有限公司  作者:麻曉熙  瀏覽次數:
      【導讀】:介紹了蒸汽換熱站裝置中的儀表選型方法和選型原則。 根據換熱站高溫、高壓工況并結合實際項目經驗,重點對溫度、流量、液位和閥門類儀表的選型進行了分析。 合理的選型可以提高儀表使用壽命 ,保證裝置的穩定運行。......

       摘要:介紹了蒸汽換熱站裝置中的儀表選型方法和選型原則。 根據換熱站高溫、高壓工況并結合實際項目經驗,重點對溫度、流量、液位和閥門類儀表的選型進行了分析。 合理的選型可以提高儀表使用壽命 ,保證裝置的穩定運行。

       
      引言
      在化纖、紡織項目中通常使用小型鏈條爐為熱媒加熱,但隨著現有裝置的鏈條爐使用時間增長,設備老化、故障率高、運行和維護成本不斷上升的問題開始顯現;同時各地環保部門對企業煙氣污染物排放的監管更加嚴格,原來的爐型熱效率低,煤耗高,煙氣處理設備簡單,排放指標不達標等弊端越來越凸顯。 許多工廠因而拆除了原廠區的小型供熱爐,改用集中供熱鍋爐(雙介質流化床鍋爐)代替。 將熱源以蒸汽形式送往各廠區的新建換熱站,用蒸汽加熱熱媒。 換熱站裝置屬于高溫、高壓工況,對儀表選型要求較高,該文結合實際應用經驗,重點介紹溫度、流量、液位以及閥門等儀表的選型方法和選型原則。 圖 1 所示為換熱站氣相熱媒流程示意圖;圖 2所示為換熱站液相熱媒流程示意圖。
      換熱站氣相熱媒流程示意圖
      1 溫度計選型
      在溫度測量中,應重點注意蒸汽和凝液管道的溫度計選型。 管道內的介質壓力高,溫度為 350 ~600 ℃,工藝設置遠傳溫度儀表僅用于集中指示,不參與 PID 控制,所以對溫度的測量精度要求并不高。另外在化纖、紡織主裝置中并沒有使用熱電偶,相應的控制系統中沒有設置熱電偶(TC)卡件。 結合以上 2 點,設計時參考標準 IEC 60751—2008《工業鉑電阻標準》,優先選擇鉑熱電阻。
      IEC 60751—2008《工業鉑電阻標準》
       
      依照標準 HG/ T 21581—2012《自控安裝圖冊》中 HK01 -42 帶高壓套管的溫度計在管道上安裝的設計圖,選用焊接式高壓溫度計套管,裝配安裝鎧裝鉑熱電阻,套管一般使用 12CrMov 材料制作,以保障熱電阻的使用壽命。 溫度計套管的長度需要根據管道大小確定。 因為管道內介質流速較快,套管的插入深度需要經過套管振動計算后確定。 套管的插入的深度,會影響測量的精確度和使用壽命。 根據ASME 規范,當尾流振動頻率(f w )接近溫度計套管本身的固有頻率(f n )時,會發生共振,從而增加套管斷裂風險。 當(f w / f n )≤0. 8 時可避免共振發生。 根據 ASME TC19. 3 的要求,即:

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      式中:r 為比率;v 為介質流速,m/ s;B 為溫度計套管插入管道內的端部直徑,m;N s 為斯德努哈爾數,簡單計算可取 0. 22;K f 為常數;U 為溫度計套管插入深度,m;E 為溫度計套管材料在使用溫度下的彈性模量,kPa;ρ 為溫度計套管材料的密度,kg/ m 3 。根據共振機理公式,要想滿足 r≤0. 8,就要盡量減小 f w ,增大 f n 。 f w 計算公式中,v 和 N s 可視為常數,f w 與 B 成反比。 而影響 f n 的因素有套管材質和套管插入管道深度。 所以為避免共振的發生可以采取以下措施:縮短溫度計套管插入管道的長度,插入深度宜位于管道直徑的 1/3 處,并且應至少插入管道內 50 mm;加粗溫度計套管插入管道內的端部直徑;更換套管材質。
       
      2 流量計選型
      在換熱站工藝流程中,需要計量總管蒸汽與每臺換熱器入口的熱媒流量。 當前普遍的測量蒸汽和熱媒流量的方式包括渦街流量計和差壓式流量計。渦街流量計應用流體振蕩原理來測量流量,特點是測量精度高、量程比寬、壓損低、安裝方便以及投產后維護量;測量口徑通常在 DN300 內,直管段要求較高,使用時應避免機械振動。 差壓流量計是充滿管道的流體經管道內節流元件時,在節流元件附近造成局部收縮,在其上、下游兩側產生靜壓力差,通過測量壓力差來計算流體流量;特點是應用歷史悠久,標準化程度高,價格低廉,應用范圍廣泛,可以根據不同工況選擇不同類型的節流元件以滿足測量要求;不足之處是壓損大,安裝要求較高,維護量大,測量范圍窄。
       
      標準渦街流量計工作溫度為 - 29 ~ + 260 ℃,其不能滿足換熱站的要求;差壓式流量計更加適用于換熱站的流量測量。 對于換熱站中蒸汽的測量,優先選擇差壓式流量計中的噴嘴流量計。 一般節流元件若長期處于高溫、高壓和高流速的流體沖擊,節流元件會發生變形,開孔比會發生變化,隨之精度發生變化。 而噴嘴流量計的節流件本身無銳角,是一個喇叭口的結構形式,有自導流的作用,壓損相對較小,節流件不易發生變形,可保持長時間高精度。 為保證噴嘴流量計的測量精度,防止差壓節流元件與差壓變送器之間引壓管線產生泄漏、堵塞及凍結等故障,引壓管應采取保溫伴熱措施。 同時,為防止生產過程中產生的蒸汽溫度和壓力波動較大,偏離流量設計值,應充分考慮溫度、壓力補償。
       
      對于熱媒的測量因管道口徑較大且空間有限,則優先選擇多孔平衡流量計。 平衡流量計具有對稱多孔結構特點,多孔分散受力,流體形態好,平衡了測量流場,降低了渦流、振動和信號噪聲,大幅提高流場穩定性。 因流場平衡,調整穩定,也大大縮短了對直管段的要求。
       
      3、液位計選型
      在早期凝液液位測量中單室平衡容器液位計得到廣泛應用,通過測量設備正負壓側的壓差來計算液位。 但由于設備內的蒸汽凝液和平衡容器內的冷凝水溫度不同(即密度不同),正負壓側引壓管內的介質度不同,從而引起計算誤差。 經過改良后出現了雙室平衡容器液位計,如圖 3 所示。
      雙室平衡容器液位計示意圖
      負壓側的引壓管置于平衡容器內,下部與設備內的凝液相連通。 正負壓測的引壓管內凝液溫度比較接近,從而減少了單室平衡容器液位計因正負壓引壓管內凝液密度不同而引起的測量誤差。 但在應用上仍然存在以下不足:無法全工況工作,因工況發生變化導致凝液溫度和壓力變化(即密度變化)的情況下無法實現液位自動校正;由于平衡容器的向外散熱,容器內凝水溫度由上至下逐步降低,且溫度分布不易確定,因此密度很難確定;引壓管線需要考慮保溫伴熱。
       
      智能電容液位計近年來在蒸汽凝液的液位測量中應用越來越多。 如圖 4 所示,智能電容液位計是由測量探極與測量筒構成電容器,利用液位變化與測量探極產生的電容值變化之間關系,通過軟件將檢測的電容值變化經過補償計算后,輸出與物位變化成正比的兩線制 4 ~20 mA 信號。 根據全空間感應式 C = kS(H) / d 得到:修正測量區的空值:智能電容液位計示意圖
       
      由式(1) ~ 式(3)可以看到,電容值 C 只與介電常數 k、探極正對面積 S(H) 和極間距 d 相關。正對面 積 S 和 標 高 H 成 正 比。 其 中 H 汽 , H 水 ,H 測量標高 ,d 汽 ,d 水 和 d 測 均為物理制作的定值,變量k 測 可以根據式(1)、式(2)中計算得出的 k 汽 和 k 水進行線性關系計算后得出。 因此,設備的液位測量值 h 測 僅和介電常數有關,不受介質溫度和壓力影響。 設計中可以結合項目實際情況,參考表 2來進行液位計選型。
      平衡容器液位計與智能電容液位計比較
      4 閥門選型
      換熱站熱媒側的閥門可以選擇常規波紋管柱塞閥。 蒸汽側由于高溫、高壓,因而對金屬材質及閥門形式的選擇都有嚴格要求。
      4. 1 高溫高壓閥門材質
      在換熱站只有一級換熱的情況下,蒸汽溫度不會高于 427 ℃,工藝管道材質通常選用 20G,閥門的閥體材質非常低檔可以選擇 WCB。 在有二級及以上換熱的情況下,蒸汽溫度會高于427 ℃,工藝管道材質通常選用合金鋼15Cr1Mo 和12Cr1MoVG 等,閥門的閥體材質可以結合閥門的生產周期及費用,根據閥體材質的使用溫度和壓力范圍選擇 WC6,WC9 合金鋼或 CF8,CF8M 不銹鋼(見表 3)。
      閥體材質的使用溫度及壓力范圍
      4. 2 高溫高壓閥門選型
      換熱站高溫高壓的開關閥主要用于換熱器蒸汽管道的入口及出口,平時處于全開狀態,而一旦出現異常需緊急關斷開關閥,以保障人身安全和高壓設備安全。 閥芯組件平行雙閘板閥由楔形塊、左右漲塊和左右密封盤等構成,如圖 5 所示。
      閥芯組件結構圖
      楔形塊、左右漲塊和左右密封盤等機件之間采用大間隙活動連接結構,能自行定位、自行脫開及自行調整,不會因溫度變化而影響閥門的密封和動作。 而且平行滑動結構利用流體壓差自密封,介質壓力越大密封越好。 因克服了外加機械密封時產生的內應力,所以要求執行機構的輸出力較小,閥門可以更快速地完成開關,避免了常規閘閥易出現的卡阻的現象。 選用平行雙閘閥很好地滿足了換熱站的工況要求,做到閥門關斷時間短,防泄漏等級高,可靠性高。
      5 結語
      越來越多的企業選擇采用集中供熱方式,不僅有利于煙氣污染物排放的處理,也為日后實施二氧化碳的捕集做好鋪墊。 面對龐大的換熱站建設需
      求,只有深入了解換熱站工藝技術特點,才能保證儀表選型的合理,從而提高設備壽命,保證裝置穩定運行,為國家 2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和做出貢獻。

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