吹扫装置的合理设计和正确应用，不仅可以保 证其使用效果以及设备保养和保障装置长期稳定运行，同时对减少系统设计的负面影响，昌晖仪表总结的吹扫装置设计和应用经验对煤化工行业仪表工有很好参考价值。
在煤化工工程中，许多工艺介质里含有粉尘或其他沉淀性物质，粉尘或固体颗粒很容易堆积和板结，十分容易导致管线堵塞和设备卡阻。在普遍采用细小导压管的仪表测量中，管线堵塞的几率和影响更大，问题更为突出。如何保持管线的通畅和防止设备的卡阻，已成为煤化工中一个不可回避的系统工程。在目前国内的大型煤气化项目中，吹扫已作为解决以上问题的主要手段被普遍采用。通过近几年的工程实践，吹扫的设计与研究也越来越引起大家的关注和重视，如何保证吹扫的效果和吹扫装置的长期稳定运行，是一个十分有意义的研究课题。
1、吹扫的作用及控制原理
吹扫根据工艺要求分为在线吹扫和间歇吹扫两种。在线吹扫就是通过向目标管线中不间断吹入惰性气体或水，始终保持该管线的微正压差，从而阻止工艺介质进入目标管线内，达到保持管线通畅和介质隔离的目的。由于实现了对工艺介质的隔离，在线吹扫对于目标管线及测量仪表的防腐也很有意义。间歇吹扫就是定时或根据需要开启吹扫程序，对可能堆积或集结的管线或设备进行吹洗。间歇吹扫一般用于要求不高的工艺管线，其吹扫设备配置简单灵活，文中重点阐述在线吹扫装置的设计与应用。
向工艺管线或设备中在线吹入惰性气体或水，如果量太大，势必对工艺参数的控制造成干扰，流量过大也会影响到压力测量的准确性。特殊的吹扫装置可以对吹扫流量进行监测和控制，一定程度上可以很好地实现控制段管线的微正压差，带恒流阀的吹扫装置还可以对压力的波动进行识别和自动补偿，让吹扫管线和工艺管道间保持一定的压力差，从而保证小流量注入。
下面以中国应用较多的吹扫装置来说明吹扫的控制原理。吹扫装置一般包含流量计、减压阀、恒流量阀及配套管阀件等。按恒流量阀压力变化控制类型不同可分为两种，即一次(入口)压力变化控制型和二次(出口)压力变化控制型，如图1，图2所示。
图1 一次压力变化控制型
图2 二次压力变化控制型
1.1 一次(入口)压力变化控制型的控制原理
一次侧(入口)压力变化控制型恒流量控制阀原理如图3所示，根据图1和图3可以得出弹性隔膜受到向上的作用力为：
P2A+P1a+f .....................公式(1)
弹性隔膜受到向下的作用力为：
P3A+P2a+F+W ............公式(2)
在压力平衡状态时，可以得到作为压力调节器隔膜的差压P2-P3：
P2-P3=(F-f+W)/A-(a/A)(P1-P2 ) .................公式(3)
图3 一次侧(入口)压力变化控制型恒流量阀
由于设计取A远大于a，所以(a/A)(P1-P2)可以忽略不计，同时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为入口压力；P2为下室压力；P3为出口压力；A为隔膜截面积a为控制阀截面积；F为大弹簧压力(弹力)；f为小弹簧压力(弹力)；W为阀门权重。
则输出流量是恒定的。当测量介质是可压缩的液体时，一次压力变化控制型可以适用于出口压力变化。在这种状态下，对于公式(3)，由于P1为恒定，P3为变化值，因此，P3成为P3+ΔP，P2成为P2+ΔP，所以输出流量也是恒定的。
1.2 二次(出口)压力变化控制型的测量原理
二次(出口)压力变化控制型流量阀的原理如图4所示，根据图2和图4示意图可以得出弹性隔膜受到向上的作用力为 :
P2A+P3a+F...................公式(5)
弹性隔膜受到向下的作用力为：
P1A+P2a+W ................公式(6)
图4 二次侧(出口)压力变化控制型流量阀
在压力平衡状态时，压力调节器隔膜的差压P1-P2同样为恒定值，输出流量也是恒定的。
目前国内和国外许多吹扫装置基于以上原理进行设计。
2、吹扫设计选择
2.1 一次压力或二次压力控制型装置的选择
如果系统设计中一次压力相对稳定，二次压力波动较为频繁，为保证正常的流量和一定差压值，可选择二次压力(出口)变化型，即以一次压力(入口)为参照，通过平衡室压力的修正，实现一次压力与平衡室间的衡差压，从而控制平衡室与出口流量的恒定。反之，如果二次压力相对稳定 ，则选择二次压力为参照，通过平衡室压力的随动修正，实现二次压力与平衡室间的衡差压，从而控制平衡室与入口间流量的恒定。
目前煤气化工程中常用的吹扫介质为氮气、二氧化碳等，其来源为其他独立系统，相对比较稳定，在原理分析中为高压侧，即一次压力。而工艺管线侧，即被吹扫侧，由于工艺状况的不稳定，以及开停过程的增、减负荷和其他不稳定因素，管线内介质压力波动会比较频繁，故煤气化装置中大部分宜选择二次压力变化型吹扫装置。
2.2 几种典型应用环境吹扫流量的选择设计
2.2.1 吹扫管线用于流量和差压测量
采用吹扫后，导压管线内部的流体由静态变为流动状态。由于管线或截止阀等节流元件的存在，差压变送器测量元件处的压力与工艺管道实际被测点压力会存在一定压力差。也就是吹扫装置的使用，引入了测量的系统误差，其误差决定因素是导压管线中节流件情况和流体流速的大小。如果节流件形式一定，流速越大，则压力测量误差越大。由于差压测量为差值，其绝对值较小，任何一侧测量的细小误差，很容易直接以较大的相对误差显现出来。故在选择吹扫流量时，宜考虑采用较小流量。流量量程经验参考值，水在100L/h(20℃水)，气体在3000L/h(0.1MPa/20℃空气) 以下。
2.2.2 吹扫装置用于压力测量
假设吹扫节流件形式和流量一定，则测量误差绝对值(ΔP)一定，此类压力测量的相对误差为ΔP/P；故如果被测管线内介质压力较大，即P大，则相对误差较小，一定程度上不影响工艺的监测和控制，故吹扫流量可以设计稍大，以保证管线通畅和防腐作用为主；如果被测压力很小，比如 微正压等，则由于ΔP/P分母较小，故相对误差较大，此处流量宜设计较小，即P较小时，宜降低流量，减少ΔP，一定程度上抑制因吹扫带来的系统误差的影响，保持较低的相对误差，保证工艺控制的目的。
2.2.3 非测量管线或设备的吹扫
该环境下由于不涉及参数的测量，吹扫流量可以选择稍大，以吹扫介质的进入不影响工况为准。线路上的吹扫装置可以不设计恒流阀。
2.3 吹扫装置安装形式的设计
2.3.1 吹扫管线的基本设计
如图5所示，在对设备或非测量管线的吹扫中，由于无控制要求，可以取消过滤减压阀和恒流阀，以节约成本。但止回阀的设计作为阻止工艺介 质倒吹入吹扫系统的措施是必要的。
图5 吹扫管线基本设计元素组成(注: I/P为仪表与其他专业分界线)
2.3.2 吹扫点在测量导压管线上位置的选取
配管方式之一是吹扫点位于导压管测量取样点附近，如图6所示。
图6 吹扫点位于取样点附近
在工程应用中的导压测量中，一般认为变送器的测量值就是管道或设备压力取样点的值，即P0=P1=P2，前提是导压管通畅且内部介质为非流动的。然而吹扫的引入，使导压管内介质流动，这样图6中A，B，C处的压力就不一定相同了，其关系：P2-P1=KBCv=0(v=0)，(KBC为BC段节流系数)，而P1-P0= KABv＞0，即P2＞P0，(KAB为AB段节流系数)，式中v为介质流速。
理论上测量值与实际值间存在误差。其中KAB与AB段导压管长短、导压管管接件情况(截止阀、三通、焊接情况)、内壁阻塞情况均有关系。实际应用中导压管线一般长5-15m，管线越长，内壁情况越复杂，管节件越多，则阻力系数越大，节流越明显，压损也越大。假设吹扫吹气流(水流) 一定，则吹扫点离取样点越近，测量误差理论上越小。即KAB↓则P2→P0反之测量偏离越大。目前许多吹扫配管设计采用此方式。
配管方式二为吹扫点位于变送器测量端附近，如图7所示。
图7 吹扫点位于变送器测量端附近
此种方式可以让受到吹扫的目标管线较长，尽可能保持管线内的通畅。缺点是误差相对较大。当被测压力为微压或为差压测量时慎用。一般压 力测量也可选用。
2.3.3 吹扫管线管径的选择
吹扫管线管径可以根据既定吹扫装置中转子流量计量程来计算，小流量的一般为＜14mm或小于10mm的不锈钢管，大流量的可选12.7mm不锈钢管。
3、实际应用中的问题探讨
由于吹扫装置仪表本身的原理特性和煤化工工艺的特点，吹扫装置在使用过程中宜注意以下问题。
3.1 吹扫装置冬季防冻
要考虑在北方应用、带有恒流阀，且吹扫介质为水的吹扫装置。由于恒流阀中存在参照室和平衡室，二者之间为一层弹性隔膜，北方冬季寒冷，如果阀内结冰，隔膜很有可能损坏，某些北方工程中已有此先例。所以在应用中，针对此情况可进行保温伴热，在不影响工况情况下，增大吹扫流量，保证“常流水”也可以尝试防冻。
3.2 吹扫装置超差压保护
在工程试车或开、停车时，工艺可能半负荷或更低负荷生产，被测量管线中的压力比正常时低出许多，有时甚至比正常压力低出约3.0-4.0MPa，而吹扫装置入口的一次压力，却可能仍然维持在高压状况。由于煤气化装置中吹扫装置通常达几百台，而且比较分散，不可能人为迅速干预，过高的差压可能迅速将仪表中的膜片“吹瘪”，导致整个装置的报废。
分析认为，带恒流阀的吹扫装置中，弹性膜片是起到调节压力，一定范围达到“恒流”的关键因素，弹性决定了它不能在其两侧承受过高的差压。
如果调节图5中恒流阀中的针形阀，即开大针形阀，则入口高压介质进入平衡室，可以缓解膜片两侧的压力差，保护膜片，但一旦进入正常负荷生产， 由于针形阀开得较大，参照室与平衡室几乎相通，则仪表又失去了“恒流”的调节功能。
由于煤化工中高压吹扫比较普遍，所以如何实现超差压自动保护，这也是目前工程应用和吹扫装置生产商应该关注和改进的地方。目前在工艺工况变化时及时调节吹扫系统气体(水)压力，使之随动，也不失为一种尝试方向。另外在工况变化时及时进行人为干预，降低吹扫压力，或对可能出现大差压的吹扫装置中的针形阀进行手动调整，也可起到保护仪表的作用。
吹扫装置的合理设计和正确应用，不仅可以保 证其使用效果，同时对减少系统设计的负面影响，以及设备保养和保障装置长期稳定运行十分必要，对煤气化等大型工程的自动控制和正常生产有十分重要的意义，对吹扫装置细致的研究具有很好的现实意义。你还可以前往吹扫装置产品页面http://yunrun.com.cn/product/3099.html做深入了解。
作者：中国五环化学工程公司 张华慧
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