如何在液体和天然气采样系统中定位喷嘴

如何在液体和天然气采样系统中定位喷嘴

卡里姆马拉兹

在液体或气体采样系统中，在抽头位置使用喷嘴将样品供应到分析仪。该喷嘴的正确放置、位置和方向对于确保及时、准确的分析测量至关重要，因此您必须正确使用。喷嘴放置不当可能会导致分析延迟、样品污染和结果不准确。

理想情况下，采样系统工程师将决定管道布局甚至工艺容器设计，以确保喷嘴位置正确。然而，工程师通常必须使用现有的原理图——即使喷嘴的位置或方向不正确。下面我们将回顾负责为液体和气体采样系统定位和构建喷嘴的工程师的重要注意事项。此外，我们建议在设计的不同阶段让合格的分析仪工程师、工艺工程师和化学家以及组件供应商参与，以确保考虑到每个变量。

选择喷嘴位置

喷嘴通常很短，直径小于它们分支的主工艺线。它们通常装有一个探头，其最简单的形式是金属、玻璃或陶瓷长鼻，它伸入工艺流体中并抽取连续的液体或气体流进行分析。

在确定喷嘴在管道或容器中的位置时，请选择工艺流体已彻底混合的位置，以便您的样品准确反映工艺条件。如果可能，在工艺管线中安装一个在线静态混合器。如果这不是一个选项，请将水龙头定位在诱发湍流点的下游，例如泵排放口、流量孔或管道弯头。湍流将有助于在取样前混合过程流体。

在湍流源之后立即放置采样抽头不是好的做法。湍流会导致压力波动和涡流——其中任何一种都可能影响分析测量。

气体采样

通过将水龙头放置在最后一个流动干扰下游至少两个管道直径处，您会得到更好的服务。美国环境保护署 (EPA) 推荐这种做法。它允许在两个位置进行手动烟道气采样：

1. 在任何流动扰动的下游至少有 8 个烟囱或管道直径，在上游至少有 2 个直径；或
2. 下游至少有两个烟囱或管道直径，上游至少有一半直径，以免出现任何流动干扰。

EPA 认为第一个位置是理想的。如果不能满足第一条规则，EPA 指南需要额外的采样点来防止分层的可能性。

流体取样

对于管道采样，将水龙头放置在最后一次流量干扰下游至少两个管道直径处 - 任何不干扰流量计量元件的地方。但是，如果过程流体是接近其泡点的液体，则更为保守是明智的。为避免样品中出现气泡，请将水龙头放置在上游至少有 5 个透明直管直径和下游 2 个直径的位置。

蒸气取样

当被采样的流是处于或接近其露点温度的蒸汽时，抽头位置变得更加关键。在流动扰动附近的压力点可能会发生一些冷凝；您不希望您的气体样品包含液态冷凝物。为了最大限度地减少这种可能性，一项用于测量天然气的欧洲标准 (ISO 10715 1997, 13) 要求采样水龙头位于最后一次流动扰动下游至少 20 个管道直径处；相关的美国标准 (API MPMS 14.1 2006, 15) 要求至少有五个管道直径。如果管道包含另一个探头，例如热电偶套管，则采样探头应位于距离热电偶套管至少五个热电偶套管直径处。

等速采样需要更大的分离度，这要求探头中的速度与工艺管线中的速度相匹配。例如，对于饱和蒸汽，相关的美国标准 (ASTM D1066) 建议在流动扰动的下游至少 35 个管径和上游 4 个管径的取样抽头。由于这种分离可能难以实现，ASTM 建议不合规的位置保持上游与下游距离的 9:1 比率。

构造喷嘴

当您进入设计阶段时，您会注意到喷嘴设计（包括方向）在很大程度上取决于探头的需求。喷嘴，因此探针，位置和方向可以影响工艺流中的粒子如何影响分析。正确的喷嘴和探头放置可以最大限度地减少颗粒进入探头的可能性，它们可能会污染样品或收集并最终堵塞探​​头。

构造喷嘴的最简单方法是将内螺纹凸台焊接到管道上并钻孔。首先，将加强板焊接到管道上，除非其壁足够厚。接下来，选择一个凸台尺寸以适应正在使用的螺纹探头或阀门。另一种方法是将外螺纹管接头焊接到管线上。

当然，这些简单的方法都不能满足禁止在工艺包络处使用螺纹接头的工艺管道规范。面对这些限制，您可以将阀门焊接到接头上或使用法兰管嘴代替。

利用气流

尽可能选择水平管道对工艺气体进行采样。水平方向允许喷嘴垂直。也更容易找到一个长而直的跑。将喷嘴定位在管线顶部，以便任何污垢或液体落回工艺管道。如果工艺气体清洁干燥，您可以在水平管道的一侧放置一个气体喷嘴。但是，对于脏样品，应避免这种水平探头方向，因为探头中的气流可能不是湍流；固体颗粒可能会掉落并阻塞探头。

同样的堵塞问题也适用于垂直天然气管道上的水平喷嘴。倾斜的喷嘴允许任何夹带的液体或固体落回过程中。此功能适用于去除液体，但可能不适用于可能粘在探头中的固体。

对于垂直堆叠，喷嘴应该是水平的或稍微倾斜的，并且要大得多——尺寸可以容纳特殊的探头。此处，喷嘴位置基于气体温度：不太热（因此材料成本合理）但高于酸露点温度（因此硫酸不会在探头中冷凝）。对于烟道气监测，喷嘴处的最佳气体温度略高于 600°C (1,112°F) 以确保完全燃烧。

当从可能含有冷凝液滴的工艺蒸汽流（例如饱和蒸汽系统）中取样时，优选的抽头位置是一根向下流动的长工艺管道。但是，请始终检查管路压力。下行管线通常连接到流程泵的吸入侧，并且可能在低压下运行。低压源适用于将被排放到火炬的气体样品，但不适用于您希望通过快速回路返回过程的气体样品。对于快速循环，您可能希望从流程泵排放口取样并将气体返回吸入侧。

轻拍液体流

向上流动的垂直管道通常是液体采样喷嘴的最佳位置，因为您可以确定管道已满。对于此设置，请选择水平喷嘴，因为它允许较短的探头，不太可能振动。水平喷嘴适用于液体样品，因为探头中的流动肯定是湍流，从而排除了探头中固体的沉降。

龙头上方管道中的液头会提供一些额外的压力，这可以确保龙头处的工艺液体高于其泡点。额外的压力也有助于运输样品。避免从向下流动的垂直工艺管道中取样液体——不能保证管道是满的。

从水平管线取样液体流是有风险的，因为工艺管道可能未满，导致两相样品。如果水平运行后工艺管道向上转，则可以确定管道已满；如果它向下转，水平部分可能会在流动的液体层上方容纳一层静态气体。

传统观点认为液体水龙头应始终位于水平生产线的一侧。在不使用探头进行采样时，这是一个很好的建议。从管线侧面的喷嘴取样可降低提取管道顶部夹带蒸汽或底部污泥的风险。

在实践中，通常最好使用探针到达线的中心。使用探头时，方向不太重要。通常，最好在生产线顶部安装一个垂直喷嘴，因为它允许重固体落回工艺管道。一般来说，喷嘴不应该在水平管的底部，因为固体会落入其中，增加样品调节的难度。如果您必须使用现有的底部喷嘴，请安装一个探头，该探头伸入管道直径中心的三分之一处。

在最终确定点击位置之前

在确定您的最终水龙头位置之前，请记住您选择的探头将决定喷嘴及其末端接头的方向和直径。选择探头后，重新访问您选择的位置以检查可用于安装和维护工作的物理空间。确认有足够的间隙用于制造喷嘴、维护过程隔离阀和撤回探头。还要考虑可访问性和照明。一个简单的水龙头和管道探头可能只需要一个小平台和梯子，但现场站需要一个完整的平台和照明。

如需有关喷嘴放置和取样系统设计的更深入、个性化的培训帮助，请联系您当地的世伟洛克销售和服务中心。