彎管流量計在石化行業(yè)中的應(yīng)用

0 引言

    在大型的石油化工企業(yè)中，諸如：高壓天然氣（含雙向流）、蒸汽（過熱、飽和）、大口徑窯爐煤制氣（含煤焦油）、高壓CO2氣液雙相流計量等流量測量問題一直困擾著計量管理和技術(shù)人員。

    傳統(tǒng)的孔板流量計、噴嘴流量計以及旋進漩渦流量計，由于節(jié)流裝置壓損大、磨損嚴(yán)重、不能測雙向流、難于拆裝清洗等原因，并不是解決這些測量問題的最好選擇；渦街流量計、巴類流量計（阿牛巴等）也存在磨損、堵塞、結(jié)疤、怕振動、標(biāo)定困難等難題，使它們在上述應(yīng)用中受到較大的限制。

    該文通過彎管流量計對上述介質(zhì)的成功測量案例進行分析，證明彎管流量計是一種新型的具有廣闊發(fā)展前景的流量計。

    1 彎管流量計在石化行業(yè)中的應(yīng)用效果和節(jié)能分析

    1.1　工作原理

    理論研究和大量的實驗研究表明[1-3]：流體在流經(jīng)彎管時，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，使流體在流進彎管時其內(nèi)側(cè)流速會逐漸增大，而外側(cè)流速卻逐漸減小，這就形成了各個過流斷面的近似梯形速度分布，且這種梯形速度分布狀態(tài)在彎管45°截面處達到極限狀態(tài)。彎管45°截面各質(zhì)點流速分布如圖1所示。      

圖1　彎管45°截面各質(zhì)點流速分布    

    根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律，流體在管道中流動時，在相同過流斷面各元流質(zhì)點的能量不變，但由于各質(zhì)點流速的變化（內(nèi)側(cè)大、外側(cè)小）就形成了彎管的內(nèi)外側(cè)壓差Δp。這個壓力差在45°截面時達到最大、最穩(wěn)定。且45°彎管斷面的流體平均流速與壓差Δp的對應(yīng)關(guān)系符合平方比例關(guān)系。深入的理論研究和大量的試驗分析證明流體流過彎管形成的差壓與流速的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系同彎管的幾何結(jié)構(gòu)尺寸（彎曲半徑R和內(nèi)徑D）有密切關(guān)系。由以上分析可知彎管傳感器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定之后，只要測取流體流經(jīng)彎管的Δp和流體的密度ρ就可以確定流體的平均流速。其數(shù)學(xué)表達式為：

    式中　C———實驗修正系數(shù)；α———綜合流量系數(shù)；Re———雷諾數(shù)；Fr———富魯?shù)聰?shù)；Ma———馬赫數(shù)；R/D，L1/D，L2/D，λ1/D，λ2/D，λ3/D，λ4/D，Δ/D———彎管流量計幾何特征量。

    1.2　應(yīng)用效果和節(jié)能分析

    1.2.1　蒸汽計量

    彎管流量計應(yīng)用于大慶石化化工一廠蒸汽流量的測量，使蒸汽流量測量裝置容易泄漏的難題得到根本性的解決；無阻力損失的優(yōu)點，可獲得更好的經(jīng)濟效益；耐磨損、長周期運行不需要進行維護，使運行維修費用降到最低點。

    該廠原蒸汽計量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板法蘭取壓方式，由于S100（10MPa）蒸汽壓力高，管徑12in（1英寸=25.4mm），每套孔板有2個密封墊片，每次在送與停切換過程中，受熱脹冷縮作用，導(dǎo)致孔板泄漏，最終無法使用。

    彎管傳感器作為彎管流量計的核心部件是一體一面決定精度，而孔板流量計是靠內(nèi)孔一條銳角線來保證精度，一條線與一個面相比是一比無窮大的關(guān)系。輕度磨損對一條線是致命的，但對一個面來說則微不足道，有效保證了彎管流量計的重復(fù)性精度。另外，彎管傳感器內(nèi)表面為弧形結(jié)構(gòu)，無銳角易損件，耐磨損能力進一步加強，可將彎管傳感器與工藝管道直接焊接安裝，徹底解決跑冒滴漏問題，保證了S100計量表的長期穩(wěn)定準(zhǔn)確運行。

    彎管流量計取壓孔相對于進出口是對稱結(jié)構(gòu)，因此傳感器無特定方向，可測雙向流。如果電廠鍋爐出現(xiàn)問題，由該廠給外網(wǎng)提供蒸汽動力；反之，由電廠給該廠提供蒸汽動力，保證了該廠輔助鍋爐的蒸汽平衡，同時也確保了雙方互供蒸汽的計量準(zhǔn)確度。

    該廠于2004年4月共投用了14套彎管流量計測量蒸汽，其中4套是蒸汽外網(wǎng)互供能源，用于貿(mào)易計量結(jié)算，其余用于該廠內(nèi)蒸汽平衡、計量與控制。投用至今，與外廠蒸汽計量表的瞬時量、累計量進行了比對，完全滿足精度要求。

    1.2.2　高壓天然氣計量

    a）國內(nèi)外天然氣的計量儀表主要有以下幾類：孔板流量計、渦輪和腰輪流量計、渦街和旋進旋渦流量計、超聲波流量計，在使用上以前兩種為主。

    孔板流量計具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、使用簡單可靠的優(yōu)點，但存在著壓損大，量程比小，安裝要求嚴(yán)格，不耐腐蝕，不可以測雙向流、脈動流等缺點；渦輪和腰輪流量計對氣質(zhì)要求較高，遇氣質(zhì)雜質(zhì)受卡而無法計量；渦街和旋進旋渦流量計量程寬、無可動部件，但其對管網(wǎng)抗干擾能力要求較高，另外旋進旋渦流量計的壓損特別大；超聲波流量計具有量程比大、雙向測量、無壓損、無可動部件和高精度等優(yōu)點，但其標(biāo)準(zhǔn)不完善，干校后仍需實流檢定，探頭電氣特性的穩(wěn)定性及探頭的互換性有待于驗證，必須周期送檢，從費用和工作量上看，對用戶是個極大的負擔(dān)。    

    大慶油田喇嘛甸地下儲氣庫是目前亞洲最大的儲氣庫。儲氣庫地面注氣站（喇二注氣站）自2000年7月份全部投產(chǎn)以后，高壓天然氣計量問題一直困擾著該廠，注氣站先后選用了超聲波流量計和旋進旋渦流量計進行高壓天然氣的計量。經(jīng)過一年多的運行表明旋進旋渦流量計計量嚴(yán)重失準(zhǔn)，計量誤差在±（10.5～35.5）%。而且該流量計內(nèi)部有插入部件（旋渦發(fā)生體），在應(yīng)用過程中容易引起氣體節(jié)流降溫，旋渦發(fā)生體結(jié)霜，使傳感部件失去作用，并造成工藝系統(tǒng)憋壓；而超聲波流量計雖然能滿足測量精度要求，但其價格昂貴（每臺約需人民幣50萬元），很難大面積推廣使用。

    b）彎管流量計用于高壓天然氣計量時，安裝工藝簡單，保持站內(nèi)原工藝，僅將90°水平彎頭切下，然后焊接上彎管傳感器即可。安裝工藝如圖2所示。

圖2　彎管流量計的安裝方式

    c）應(yīng)用效果分析，彎管流量計（以氣107井為例）與位于天然氣計量交接口的超聲波流量計比對看出，兩種流量計的瞬時流量示值偏差最大僅為-2.15%；累計流量平均比對示值偏差僅為-0.44%。

    d）評價[4-5]。1）低壓超聲波流量計在2001年5月經(jīng)過“國家原油大流量計量站成都天然氣流量分站（西南油氣田分公司天然氣計量檢測中心）”檢定，超聲波流量計本身的計量精度達到國家標(biāo)準(zhǔn)，因此以超聲波流量計為比對基準(zhǔn)是可信的；2）彎管流量計在喇二注氣站現(xiàn)場試驗中，與超聲波流量計比對示值誤差小于±2%，計量精度遠遠高于±5%的精度指標(biāo)；3）彎管流量計無節(jié)流部件（與所連接的管道同徑），高壓天然氣通過彎管流量計時無附加壓力損失；4）由于彎管傳感器一次焊接在管道上，無可動部件，無須更換，使用壽命與管道等同，沒有日常維護工作量。

    e）彎管流量計可雙向計量。現(xiàn)場工藝要求冬季將天然氣由儲氣庫注入油井，夏季從油井采出輸往儲氣庫。彎管流量計由于其特殊的測量原理，無方向性，1臺流量計取代其他類型2臺流量計，節(jié)約了成本又為現(xiàn)場計量提供了方便。彎管流量計在高壓天然氣計量上的成功應(yīng)用，解決了石化行業(yè)高壓天然氣難以實現(xiàn)精確計量的難題，為石油化工行業(yè)高壓氣體計量儀表的國產(chǎn)化進行了成功的試驗探索。

    1.2.3　高壓CO2氣液二相流計量

    氣液兩相流體與單相流體相比，其流量測量技術(shù)無論在測量精度、測量范圍和可靠性等方面，還不能滿足工程實際的需要，分離法一直是氣液兩相流體在工程上采用的傳統(tǒng)測量方法。近年來，隨著海上和沙漠油田的開發(fā)，分離法因分離設(shè)備體積龐大，系統(tǒng)造價昂貴，自動化程度偏低等原因而表現(xiàn)出嚴(yán)重的不適應(yīng)性，世界各國都在投入巨資競相開發(fā)兩（多）相流體流量計，以取代笨重的分離設(shè)備。但由于氣液兩相流體的流動具有強烈的波動性，流型也隨流量和組分不斷變化，目前研制的各種兩相流體流量計在測量精度和可靠性上仍不能完全達到商用儀表的要求（測量精度低于±10%）。

    氣液兩相流的計量是世界各國流量界面臨的共同難題，大多數(shù)流量計需要密度參與計算，而臨界狀態(tài)流體有個相變過程，時而氣態(tài)時而液態(tài)，使密度變化無常，無法得到質(zhì)量流量；低壓下采用質(zhì)量流量計還能得到準(zhǔn)確計量，因為它的傳感器產(chǎn)生的信號直接與質(zhì)量成正比，與密度無關(guān)。隨著壓力的提高，問題逐漸突出，高壓下的介質(zhì)會使科氏質(zhì)量流量計不能產(chǎn)生科氏力，進而無法實現(xiàn)準(zhǔn)確計量。

    黃橋CO2氣井井口溫度20～35℃，壓力為5.5～8MPa，CO2相態(tài)平衡如圖3所示。井口條件下的CO2為液氣混相態(tài)及超臨界狀態(tài)。在如此高壓下，流體熱焓的微小變化會造成氣態(tài)和液態(tài)互相轉(zhuǎn)化，密度變化劇烈，傳統(tǒng)方法根本不能確定液態(tài)比例和密度。圖3中右側(cè)為氣相，左側(cè)為液相，中間為液汽混相區(qū)。不同的線代表不同溫度的等壓線，以20℃等壓線為例，壓力較低時分布在右側(cè)氣相區(qū)，隨著壓力增高達到氣液臨界線（虛線），然后向左進入混相區(qū)。進入該區(qū)后壓力恒定不變，隨著介質(zhì)焓值的減小，流體的氣相部分由100%逐漸降為0；液相由0升為100%，比容也逐漸減小，即密度逐漸增加，液相達到100%后密度不再增加。根據(jù)圖3中數(shù)據(jù)，混相區(qū)內(nèi)相同溫度、壓力下比容（密度）變化高達幾十倍，根本無法通過溫壓補償確定密度。

圖3　密閉情況下的CO2相態(tài)平衡

    曾采用了多種方法解決密度問題，如引入壓縮因子計算、先計算干氣體密度再加入濕度補償、采用范德瓦爾方程等，都沒有取得理想效果。最后根據(jù)伯努力方程原理利用流體流過一段立管時上下二點差壓成功測量出流體密度。

    a）根據(jù)伯努利方程

    式中　v1=v2；Δp———由狀態(tài)1到狀態(tài)2的壓力損失。

    上式可簡化為

    b）求Δp

    1）工況下的Re：

    已知條件7MPa，30℃時，CO2黏度μ=2.5×10-5Pa·s；

    7MPa，20℃時，CO2黏度μ=7.3×10-5Pa·s；

    管道材質(zhì)為無縫鋼管，內(nèi)壁粗糙度ε=0.05～0.17mm；

    管道內(nèi)徑d=25mm，流速v=0～2m/s；      

    則Re=dvρ/μ=1.5×105～6×105。

    2）阻力系數(shù)λ

    根據(jù)流體力學(xué)，由雷諾數(shù)范圍可知，此時λ僅與管道相對粗糙度ε/d有關(guān)，查表求得λ=0.03164：

    c）求CO2密度ρ

    d）質(zhì)量流量。密度計算需要知道當(dāng)前流速，可以利用彎管流量計的差壓值Δp1進行計算。

    式（1）、式（5）聯(lián)立：通過數(shù)學(xué)中疊代運算可以準(zhǔn)確算出當(dāng)前流速和密度，進而確定質(zhì)量流量。

    此雙差壓測量方案經(jīng)實驗一舉獲得成功，精度1.5級，為流量界測二相流提供了一種新的測量方法。目前該方案已通過當(dāng)?shù)丶夹g(shù)監(jiān)督局實流標(biāo)定，確認(rèn)精度后應(yīng)用于CO2貿(mào)易計量。經(jīng)估算，實施計量后每年可為華東石油局回收氣費1500多萬元，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

    華東石油局通過國家科技部進行科技查新，證明此種測量流量方法國內(nèi)未見任何文獻報道及現(xiàn)場應(yīng)用，屬于科技創(chuàng)新。

    1.2.4　煤制氣計量

    隨著燃油價格的居高不下和煤制氣設(shè)備及工藝技術(shù)的日臻成熟，陶瓷業(yè)的窯爐燃料已逐步由燃油轉(zhuǎn)為煤制氣。雖然煤制氣燃料在行業(yè)內(nèi)的使用已有三四年的歷史，但一直無法對單臺設(shè)備的燃料（煤制氣）消耗量進行計量。一些企業(yè)曾經(jīng)嘗試使用傳統(tǒng)的孔板或渦街流量計，但介質(zhì)含大量煤焦油、大管道直管距離嚴(yán)重不足和壓力過低不能有任何壓力損失，這些問題嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)流量計的應(yīng)用。據(jù)了解，目前陶瓷企業(yè)對窯爐煤制氣燃料消耗的統(tǒng)計，只是將全廠用煤量對各臺設(shè)備進行攤派攤分，這種方法對車間產(chǎn)品燃料消耗計算的誤差很大。因此，選用彎管流量計，對煤制氣進行計量，是比較正確的。

    用戶實例：廣東金牌陶瓷公司使用彎管流量計對單條輥道窯的煤制氣現(xiàn)場實施計量，并對其準(zhǔn)確度進行校驗，測量結(jié)果如表1所列。

    流量誤差

    對比可知，彎管流量計所顯示數(shù)據(jù)比實際測定值偏低1.21%，滿足企業(yè)對燃料消耗的計量要求。

    隨著陶瓷企業(yè)對計量管理、節(jié)能降耗、定額考核等的重視，以及窯爐自控技術(shù)水平的提高和煤制氣燃料的普及應(yīng)用，彎管流量計有著廣泛的應(yīng)用前景。

    2　彎管流量計在安裝使用中應(yīng)注意的問題

    a）確保前5D后2D的直管段。

    b）在含水量較高的氣體測量中，避免水進入導(dǎo)壓系統(tǒng)，造成系統(tǒng)無法測量。

    眾所周知，在壓縮空氣和采用水除塵的高、焦?fàn)t煤氣等很多氣體流體中均含有大量的水分，基本是處于飽和狀態(tài)，有的在管道的下方形成水層，如采用圖4所示的常規(guī)安裝方式，水會流入彎管傳感器內(nèi)側(cè)取壓口，進入導(dǎo)壓系統(tǒng)，外側(cè)也會有少量的凝結(jié)水進入，正負壓側(cè)進水量不等，給差壓的測量帶來不可確定的附加誤差，造成無法計量[6-7]。

圖4　常規(guī)安裝方式

    采用圖5安裝方式，彎管傳感器的兩側(cè)取壓體均向上傾斜，并向上引導(dǎo)壓管，連接差壓變送器，即避免了管道中的水進入導(dǎo)壓系統(tǒng)，又可以使導(dǎo)壓系統(tǒng)中凝結(jié)的水順利流回管道中，不會影響計量。

圖5　改變后新的安裝方式

    如果考慮差壓變送器維護的方便等原因，要求差壓變送器必須裝在管道下方，可采用圖6的安裝方法，取壓體及導(dǎo)壓管先向上，避免大量的水流入導(dǎo)壓系統(tǒng)，再向下，并在導(dǎo)壓系統(tǒng)的最低點加裝集液罐，使得導(dǎo)壓系統(tǒng)凝結(jié)的水流入集液罐中，定期排水，可以保證正常計量。

圖6　變送器在管道下安裝方式

    c）在含氣量較高的液體測量中，避免氣體進入導(dǎo)壓系統(tǒng)，造成系統(tǒng)無法測量。

    d）差壓變送器的安裝原則是既要便于液體測量的排氣，又要防止氣體測量中水進入差壓變送器膜合腔中。

    e）在臟污介質(zhì)的流量測量中，盡可能選用較大的取壓孔及較大孔的取壓體，延遲堵塞時間。同時建議選用三通根閥，解決在線處理堵塞問題。

    在測量煤氣、污水等臟污介質(zhì)的流量時，差壓式流量計最大的缺點是取壓系統(tǒng)的堵塞問題，彎管流量計取壓孔的堵塞可以采用加大取壓孔和取壓體孔徑（在保證測量精度的前提下）的方法，延遲堵塞時間；同時選用三通根閥作為一次閥，解決在線處理堵塞問題，三通根閥安裝時，一定要將絲蓋的一端與取壓體同軸，堵塞時，轉(zhuǎn)動閥柄，打開絲蓋，通開堵塞處，轉(zhuǎn)動閥柄至原測量狀態(tài)，擰緊絲蓋，系統(tǒng)即可正常工作。

    f）蒸汽測量中，選用盤式冷凝器，解決良好的液位平衡問題。

    3　結(jié)束語

    實際應(yīng)用表明：采用彎管流量計替代傳統(tǒng)的孔板式流量計和進口流量計，目前已經(jīng)比較成熟，在計量準(zhǔn)確的同時，又大大降低了運行費用，同時在彎管流量計能夠雙向（相）計量的獨有設(shè)計原理的保證下，解決了石化行業(yè)計量的難題。

    彎管流量計應(yīng)用前景廣闊，發(fā)展?jié)摿薮?，為企業(yè)節(jié)能減排提供了有力的技術(shù)支持。

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