汽水分离器在碳化三段气流量测量中的应用

高春喜

（唐山三友集团，河北 唐山 063305）

0 引言

目前，随着市场竞争日益激烈，能源价格不断上涨，生产成本也日益增加。为此，通过技术改造，达到节能降耗、提高能源利用率、降低产品成本，已成为企业在新形式下持续发展的重要目标。在制造纯碱生产过程中，碳化塔是制造纯碱的主要设备，它运行的正常与否直接影响到纯碱（碳酸钠）的产品质量和产品产量。而在碳化塔内部参与反应的氨盐水量、二氧化碳浓度、二氧化碳气体流量则是工艺需要控制的重要指标。当氨盐水的浓度达标，碳酸氢钠的结晶效果取决于二氧化碳的浓度和流量。自2013年公司投产以来，受碳化三段气（二氧化碳）气体流量测量不准的影响，造成碳化塔结晶效果差，严重影响产品质量，同时增大了原材料的消耗，使公司制造成本增加。

汽水分离装置是能源化工行业中常用的设备，尤其是核电站中不可缺少的设备。压水堆核电厂利用蒸汽发生器产生的蒸汽驱动汽轮机转子旋转，进而将热能转换为电能。蒸汽湿度直接影响汽轮机叶片的使用寿命和汽轮机的效率，蒸汽湿度过高，易导致汽轮机叶片和通流部分发生腐蚀[1]。汽水分离器作为自然循环式蒸汽发生器的关键部件，其主要作用就是对蒸汽发生器中产生的汽水混合物进行分离，确保出口蒸汽湿度满足汽轮机入口要求。

目前，汽水分离器在国内应用较为广泛，窦晓慧[2]研究了汽水分离器在蒸发系统的应用，在隔膜法烧碱蒸发装置中，用汽水分离器代替偏心阻汽排水器后，减少了蒸汽流失，达到了节能减排的目的。李哲、文午琪[3]等人分别从设计和运行两方面，分析了影响工业锅炉湿度的因素，介绍了外置汽水分离器的结构和外置汽水分离器在锅炉上的应用情况。杜利鹏、张慧[4]等人也对汽水分离技术在能源动力行业中的应用、研究现状和发展趋势进行了分析。实际应用情况表明，外置汽水分离器可有效解决蒸气带水问题，有效节约能源，使用效果较好。为了解决碳化三段气气体流量测量不准的问题，采取了不同的方法，经过多次试验，最后采用汽水分离装置用于三段气的仪表测量，解决了由于气体带水严重造成仪表测量数据不准确的问题。

1 原因分析

碳化塔在制碱过程中使用的三段气包括清洗气、中段气、下段气。它们所含气体都是二氧化碳，只是气体中所含二氧化碳浓度不同而已，下面以下段气（三段气的一种）气体流量测量进行说明。

1.1 造成下段气气体流量测量不准的原因

如图1 所示，测量下段气流量的节流装置——孔板流量计采用普通标准孔板。由于受厂房及工艺管道的限制，同时还要满足仪表孔板流量计前后直管段的要求，孔板流量计只能垂直安装在工艺管道上，仪表差压变送器安装在孔板流量计上方约500mm 的位置，孔板流量计的正、负取压口经过根部取压球阀与差压变送器连接。为了便于日常仪表的维护和维修，导压管选用304 钢丝编织软管，钢丝编织软管的长度为1200mm。因为安装距离所限，软管与差压变送器之间的连接处产生U 型弧度。正常情况下，当气体流量增加或减少时，孔板产生的压降通过正、负取压口传递给差压变送器，经过差压变送器的转换便测出准确的气体流量值。由于从压缩工序过来的下段气中含有大量水分，所以当0.32MPa 的下段气流过孔板流量计时，因孔板的节流作用，气体在孔板流量计处产生局部收缩，流速增加，此时下段气中所含的水份部分被滞留在孔板的正、负取压口处形成凝结水，凝结水随气体流动滞留在钢丝编织软管的U 型弯处并产生静压，并且由于U 型弯弧度不等，所以产生的静压也不相同。当气体流量变化时，由于金属编织软管中有滞留的水分，所以孔板前后产生的压降没有被完全地传送到差压变送器上，部分压降被凝结水柱的静压所抵消，而且凝结水柱还不是固定不变的，它随气体含水量的大小而变化，因而它所产生的静压也是变化的。所以，仪表测量的下段气流量值也是变化的，严重影响仪表测量，同时也给工艺操作带来很大影响，对碳酸氢钠结晶效果影响也非常大。

图1 改造前仪表测量装置图Fig.1 Instrument measuring device before transformation

1.2 理论依据

根据重力沉降的原理，由于气体与液体的密度不同，液体在与气体一起流动时，液体会受到重力的作用，产生一个向下的速度，而气体仍然朝着原来的方向流动，也就是说液体与气体在重力场中有分离的倾向。汽水分离器采用重力法技术，在气体流量测量过程中，将碳化三段气中所含的水分分离出来。汽水分离器在工艺原理和结构设计上均有不少独到之处，因而产品工作可靠，使用安全，维护保养简便，加之体积小，能耗低，无噪音，使用寿命极长，无二次污染。

2 测量装置的应用

根据上述原理，在孔板流量计正、负取压根部与差压变送器之间的导压管处安装汽水分离器，达到下段气气体流量测量数据准确的目的。

图2 汽水分离器图Fig.2 Steam water separator

图3 改造后仪表测量装置图Fig.3 Instrument measuring device after transformation

2.1 汽水分离器的选择

下段气的工作压力为0.32MPa，温度28℃，凝结水中含有微量的碳酸根离子，显弱酸性。为了防止分离器腐蚀，汽水分离器选择耐压1.6MPa 的不锈钢罐体。形状尺寸如图2 所示。

2.2 仪表取压装置连接图

如图3 所示，孔板选用一体式焊接孔板，根部取压阀选用不锈钢焊接球阀，取压管选用304 钢丝编织软管，差压变送器选用EJA 系列差压变送器，分离器排水管至集水管之间安装自动排水阀。

2.3 测量过程

当来自压缩工序压力为0.32MPa 的下段气流过孔板流量计时，在孔板前后产生压降，压降随气体流速的增减而增减。下段气中所带的水份在孔板正、负取压口出处产生凝结，凝结的水份随气体的流动进入汽水分离器，由于两种介质的密度不同，在重力的作用下，凝结水被分离并储存到分离器中，气体通过分离器出口进入差压变送器的正、负测量室。当凝结的水位达到汽水分离器入口以下的位置时，自动排水阀打开，在气体压力和凝结水重力的作用下，分离器中的积水被排到集水管中。当积水排净后，阀门自动关闭。集水管与敞口储水槽连接，最后积水全部流到储水槽中。这样，汽水分离器就克服了由于软管中凝水柱静压对孔板压降的影响，差压变送器接受的差压值就是孔板流量计所测气体的真实流量值。

3 凝结水的综合利用

图4 凝结水综合利用图Fig.4 Comprehensive utilization of condensate

目前，本公司生产能力是年产纯碱110 万吨，共有15台碳化塔，每台碳化塔均有一组三段气流量测量仪表，共计45 台孔板气体流量仪表，需要使用90 个汽水分离器，因此凝结水的量还是很大的。由于凝结水中含有碳酸根离子（CO32-），所以具有腐蚀性，随意外排会造成环境污染。为了消除环境污染，达到环保要求，设计了敞口储水槽凝结水回收装置。

如图4 所示，把90 个汽水分离器排出的积水汇合到一个总管，然后引到敞口储水槽中。在储水槽顶部安装1 台雷达液位计，测量储水槽中液位的高度，在出口安装1 台排水泵，排水泵连接浊水池。当储水槽的液位高于设定值时，通过控制器启动排水泵，把凝结水送到浊水泵房进行综合利用。当液位低于设定值时，停止排水泵。这样就达到了凝结水的综合利用，满足环保的要求。

4 结束语

本文对汽水分离器在碳化三段气流量测量中的应用进行了分析，事实表明，安装汽水分离器后，彻底消除了凝结水对孔板流量计差压值的影响。由于碳化三段气流量计测量准确，为工艺操作提供了准确的数据，大大提高了碳化塔的结晶效率，使产品质量和数量得到了提高，解决了影响三段气气体测量数据不准的瓶颈问题。同时利用回收装置把凝结水进行综合利用，防止了分离后的凝结水外排污染环境，保证了气体流量测量的可持续性发展。