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一體化雙向孔板流量計在重催裝置蒸汽計量中應用
發布時間:2019-10-29

摘要:在煉油化工生產中經常出現一條蒸汽管道雙向輸送蒸汽的情況,本文就實現重油催化裂化裝置在進、出裝置兩個方向蒸汽質量流量的實時、準確測量問題,提出了一種應用多參量雙向流一體化節流式流量計的計量解決方案,并具體就一體化雙向孔板流量計的工作原理、計量系統組成、功能特點、雙向流測量的實現過程以及實際應用效果進行了介紹。
0引言
  許多煉化生產裝置,如催化裂化裝置、焦化裝置、連續重整裝置等,常利用裝置余熱產出蒸汽,這些裝置在正常生產期間的自產蒸汽大多被裝置內部使用,多余部分再外排輸出至系統管網,在裝置開停工或加工負荷小,自產蒸汽不足的情況下,又需要引入系統管網蒸汽作為動力或熱源。因此,裝置蒸汽母管與系統管網之間呈互供狀態,這就帶來了如何在同一管道中實現雙向流蒸汽流量實時測量的問題。蒸汽單管雙向互供,客觀上造成了計量的困難,也對生產裝置的能耗統計核算影響很大。常規解決辦法是在同一條管線上安裝正反兩套標準孔板進行測量,但是往往出現直管段難于保證,壓力損失也成倍增加,造成裝置能耗額外增加,同時因工藝流程和裝置負荷變化,管道中蒸汽流向發生改變時,難以實現對任何一個方向蒸汽流量的實時、準確測量和監測,不利于生產運行控制和節能降耗。隨著流量計量新技術的發展,流量二次表功能逐漸完善,使得雙向孔板流量計在測量蒸汽雙向流量方面得到了推廣和應用。
1雙向孔板流量計工作原理
  傳統的標準孔板入口為直角,出口為45°倒角,不能測量反向流量,如圖1所示。雙向孔板的入口和出口結構相同,均為直角,可分別測量雙方向流量,其結構如圖2所示。雙向孔板流量計就是依據在GB/T2624.2設計與加工的不切斜角、兩個端面、厚度和節流孔的兩個邊緣符合規定要求的孔板。在GB/T2624.2—2006/ISO5167—2:2003《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量第二部分:孔板》中,對雙向孔板做了詳細的規定,只要按照標準設計制造和安裝,就能獲得標準所規定的準確度。
單向孔板流量計示意圖
雙向孔板流量計示意圖
  雙向孔板測量蒸汽雙向流,與標準孔板流量計的工作原理是一致的,主要區別是節流件形式和二次表功能不同,此外還需要增加一臺差壓變送器。測量流量的基本原理,就是以流動連續性方程(質量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎的。當充滿管道的流體流經管道內的節流件時,流速將在節流件處形成局部收縮,因而流速增加,靜壓力降低,于是在節流件前后便產生了靜壓力差。流體流量愈大,產生的壓差愈大,這樣可依據壓差來衡量流量的大小。孔板流量計測量流量的基本公式如下:

  式中:qm為質量流量kg/s;C為流出系數,無量綱;ε為可膨脹性系數;d為節流件開孔直徑,m;β為直徑比,(β=d/D);ρ1為被測流體密度,kg/m3;Δp為差壓,Pa。
2一體化雙向孔板流量計的結構和功能特點
2.1一體化雙向孔板結構
  一體化雙向孔板流量計,采用雙向孔板,裝有雙差壓變送器,并配套溫度、壓力變送器進行溫度、壓力補償。YJLB系列一體化雙向孔板流量計,是將傳統節流裝置和兩臺智能差壓變送器優化組裝成一體,采用專用轉換單元,使其具備溫度、壓力、流量數據高精度寬量程補償的功能,從而構成一種多參量雙向流一體化節流式新型流量計量系統。一體化雙向孔板流量計結構如圖3所示。
2.2一體化雙向孔板主要功能和特點
1)可實現雙向流量測量
  一體化雙向孔板流量計可根據現場管道中蒸汽流量的實際狀況,如流入端與流出端壓力的變化,可正向、反向雙向測量蒸汽流量,使雙流向蒸汽流量的計量更便捷、更準確,解決了之前傳統標準孔板流量計只能單向測量蒸汽流量的問題。
2)測量準確度有依據
  一體化雙向孔板流量計由于采用標準節流件,測量準確度有依據;可采用符合GB/T2624—2006國家標準的流量測量節流裝置專家系統軟件,設計出雙向孔板的最佳開孔徑,以及雙向差壓變送器的差壓量程。
3)流量測量范圍得到擴展
一體化雙向孔板流量計圖示
  一體化雙向孔板流量計采用兩臺智能型差壓變送器,通過配置流量計算轉換單元或流量計算機可根據兩個差壓信號自動判別其流向,并且實時完成節流件的流出系數C、流束可膨脹系數ε計算,在滿足測量準確度的同時,使兩個方向流量測量范圍度可達6∶1或更寬。
4)安裝簡便且有防凍功能
  該一體化雙向孔板流量計采用防凍隔離技術,冬季運行無需保溫和伴熱,并且由于沒有了冷凝罐,不存在冷凝水,徹底消除了傳統蒸汽節流裝置由于正負側冷凝水的液位差所導致的不可預知的測量誤差。采取一體化設計安裝,縮短了一次表與二次表的引壓管線長度,差壓變送器導壓管短,使儀表的動態性能得到提高。儀表整體組裝,安裝簡便,消除了儀表現場安裝帶來的測量誤差,去掉了儀表箱及伴熱管線。同時用同一臺流量計計量兩個方向的流量,不僅可以簡化系統、節省空間,還節省儀表購置、安裝、維護費用。
3一體化雙向孔板流量計在重催裝置的應用
3.1裝置蒸汽工藝流程
  120萬噸/年重催裝置界區,各有一條中壓蒸汽母管和低壓蒸汽母管,裝置生產所需的中、低壓蒸汽經由這兩條母管從系統管網引入。裝置內部有一臺鍋爐產中壓蒸汽,氣壓機使用中壓蒸汽作功后,排出低壓蒸汽,同時減溫減壓器將中壓蒸汽減溫減壓為1.0MPa低壓蒸汽供裝置內部使用。裝置正常生產期間富余部分中壓蒸汽、低壓蒸汽也通過這兩條母管外排并入蒸汽系統管網。在裝置開停工期間及加工負荷較小鍋爐產汽量較小情況下,需從系統管網引入蒸汽作為動力能源。裝置蒸汽流程圖如圖4所示。

3.2裝置雙向流蒸汽計量方案
  該裝置中低壓蒸汽母管中的蒸汽流向屬于典型的雙向流,因此,安裝于裝置兩條蒸汽母管線上的流量計應能實現雙向流量測量。應用一體化雙向孔板流量計實現重催裝置進出裝置兩個方向的計量方案及系統組成如圖5所示。
  在該蒸汽計量方案中,計量系統主要由YJLB系列多參量雙向流一體化節流式流量計(配備有兩臺EJA110A-E型差壓變送器)、FC2000-IAE(G)流量計算轉換單元(一臺測量出裝置蒸汽流量,另一臺測量進裝置蒸汽流量),以及雙支鉑電阻測溫元件組成。
  在裝置現場,將多參量雙向流一體化節流式流量計焊接在蒸汽管道上,同時安裝雙支鉑電阻。在控制室,FC2000-IAE(G)流量計算轉換單元采用DIN35標準導軌安裝方式,可方便地實現在DCS、PLC系統中植入高精度流量計算環節。流量計算轉換單元安裝在控制室內機柜上,可循環顯示當前瞬時流量、累積流量、介質溫度、介質壓力等參數量,并傳輸補償計算后的流量信號至DCS系統進行瞬時流量、累積流量及歷史趨勢顯示,以便更好地查證雙向計量系統狀態,并可通過網絡終端計算機上傳實時蒸汽計量數據。
3.3雙向蒸汽流量測量的實現過程

  應用該計量方案實現進、出裝置雙向蒸汽流量計量的基本過程為:一體化雙向孔板流量計為雙差變結構,兩臺HART差壓變送器,分別測量正、反向蒸汽差壓信號,壓力補償信號通過HART協議從差壓變送器正壓室讀取,正反兩個方向兩個差變的信號和雙支鉑電阻信號分別接入到兩臺流量計算轉換單元。安裝在控制室機柜內的流量計算轉換單元完成對現場差壓、溫度、壓力數據的采集,實時進行蒸汽流量的溫壓補償運算,循環顯示當前蒸汽的瞬時流量、累積流量、溫度、壓力、熱量等參數,并將補償運算后的質量流量信號和采集到的溫度、壓力信號,通過4~20mA信號或者通訊接口傳給DCS,進行瞬時流量、累積流量及歷史趨勢顯示,用于查證雙向計量系統狀態并上傳實時蒸汽計量數據。
4應用效果
  本文對該裝置在2017年6月15日至8月2日從開車狀態過渡到正常生產期間的蒸汽流量數據進行了跟蹤觀察和統計分析。首先,以24小時日累計流量數據為基礎,統計并繪制了進、出裝置兩個方向1.0MPa蒸汽和3.5MPa蒸汽的日累計流量折線圖如圖6和圖7所示。

  圖6曲線清晰顯示了在7月8日,實現了裝置低壓蒸汽流量由進裝置輸入方式徹底轉變為出裝置輸出方式的“零”間隔切換;圖7曲線清晰顯示了裝置由開工初期,完全引入系統中壓蒸汽,轉變為裝置開工鍋爐產汽后出現富余部分中壓蒸汽外排系統管網的情況。

  同時,我們以七天為一個計量周期,統計并繪制了裝置在不同時間段的消耗(進裝置)、外排(出裝置)蒸汽量的柱狀圖。如圖8和圖9所示。

  從圖8和圖9柱狀圖我們可以清楚的看出,在裝置開工初期,從6月15日至7月5日期間,裝置大量引入系統低壓蒸汽和中壓蒸汽,此時裝置蒸汽流向全部為進裝置方向。從7月6日開始,裝置開車趨于正常,鍋爐開始產汽,從系統管網引入的中壓蒸汽量明顯減少,并且有富余中壓蒸汽外排,裝置已停止從系統管網引入低壓蒸汽,轉為外排低壓蒸汽。
5結束語
  采用多參量雙向流一體化節流式流量計與流量計算轉換單元構成的蒸汽計量系統,比較好地解決了長期困擾我公司催化裂化裝置蒸汽雙向計量難題,在我公司生產裝置雙向流蒸汽計量檢測中達到了較好的實際應用效果。實現了對進出裝置兩個方向蒸汽流量的實時、準確計量,避免了以前歷次裝置在開停工期間需要人工切換蒸汽計量流程的困難,也避免了開停工期間進出裝置蒸汽無計量、測量數據混亂或數據不真實所造成的蒸汽平衡、能耗核算無依據的突出問題,徹底解決了以前裝置引入系統管網蒸汽消耗量、自產蒸汽并網量無法同步實時準確計量的難題。從我公司近兩年多來的流量計運行、計量檢測數據情況來看,目前這種雙向流蒸汽流量的計量解決方案可行,計量系統運行可靠,計量數據準確,達到了對裝置自產、自用蒸汽分類分項實時準確測量的目的,使得公司煉化生產蒸汽系統計量數據檢測率得到了進一步提高。

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