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齐鲁塑料厂蒸汽流量计量测量误差的产生及处理

时间:2018/04/22来源:未知

摘要: 结合装置运行的实际情况,通过对过热蒸汽流量测量的误差来源进行逐一分析,形成了 1 套新型的过热蒸汽流量测量系统。
  蒸汽是炼化企业主要的载能工质之一,在炼化企业中有着举足轻重的作用。过热蒸汽流量计量占据了炼化企业能源计量较大部分。炼化企业过热蒸汽具有压力等级多、供输管线长、工艺复杂的特点。所以,蒸汽计量长期以来一直成为炼化企业能源计量的一大难点。中国石化齐鲁分企业塑料厂( 简称齐鲁塑料厂) 使用的过热蒸汽由中国石化集团资产经营管理有限企业齐鲁石化分企业热电厂( 简称齐鲁热电厂) 直接供给,按压力等级主要分为 3. 5 MPa 蒸汽、1. 5 MPa 蒸汽、1. 0 MPa蒸汽。其生产装置年消耗过热蒸汽 800 kt 左右。蒸汽计量多采用标准孔板配普通的流量积算仪实现。长期以来齐鲁塑料厂与齐鲁热电厂的蒸汽供收差量一直在 10% 左右。由于该厂与中国石化齐鲁分企业烯烃厂共用 1 条主管廊,蒸汽计量无法安装进厂总表,使齐鲁塑料厂的蒸汽计量交接点多达 14 个,且使用量程比大。

1、造成蒸汽测量误差的原因分析:
  引起蒸汽测量误差的原因是多方面的,除了取压阀、导压管、冷凝管、变送器的安装使用外,还有许多因素也不可忽略。归纳起来造成齐鲁塑料厂蒸汽测量误差的原因主要有以下几个方面。

1. 1、流量计长期处于流量下限运行:
  基于装置生产的安全考虑,部分装置的蒸汽设计***大流量远远大于实际用量; 另外,由于装置节能降耗措施的实施,各装置的蒸汽实际用量也在逐年降低,也使蒸汽实际用量偏离设计值。表1 是齐鲁塑料厂部分装置蒸汽实际用量与设计***大流量的对比分析。另有 2 个计量点主要用于冬季伴热和采暖,夏、冬季蒸汽用量差别很大,具体情况列于表 2 中。
表 1 齐鲁塑料厂部分装置蒸汽实际用量与设计***大流量对比 t/h
表 1 齐鲁塑料厂部分装置蒸汽实际用量与设计***大流量对比 t/h
表 2 齐鲁塑料厂部分计量点夏、冬季蒸汽用量对比 t/h
表 2 齐鲁塑料厂部分计量点夏、冬季蒸汽用量对比 t/h
  由表 1、2 知,齐鲁塑料厂流量计长期处于流量下限运行是引起流量计量误差的***大原因。

1. 2、实际差压太小易受外界环境影响:
  在孔板设计计算时,由于工艺设计的***大流量明显大于常用流量。同时出于节能考虑,孔板刻度差压选取又偏小,造成流量计的实际使用差压太小,给差压的准确测量带来难度。使用差压小,流量计受引压管铺设、冷凝管安装、伴热温度等外界因素影响就大。在过热蒸汽测量中正负冷凝罐( 包括引压管) 液位每相差 1 mm 引起的附加差压约为 0. 01 k Pa; 正负引压管冷凝液温度的不同带来的测量误差也是不容忽视的。例如: 引压管高度 5 m,由于伴热不均正侧引压管冷凝液温度 40 ℃、负侧引压管冷凝液温度 30 ℃,由此带来的附加差压约 0. 19 k Pa。而在实际应用中齐鲁塑料厂近一半的蒸汽计量仪表使用差压处于 0. 1 ~1. 0 k Pa,由此带来的测量误差可想而知。

1. 3、节流件磨损、脏污、变形:
  齐鲁塑料厂的蒸汽计量除苯乙烯装置的 3. 5MPa 蒸汽和 1. 5 MPa 蒸汽采用喷嘴作为一次测量元件外,其他 12 个计量点均采用孔板作为一次元件。孔板的好坏就成了影响蒸汽计量准确度的重要因素之一。在实际使用中孔板入口边缘的易磨损、气蚀、前端面积污等,都是不易克服的缺点,由于节流装置的计算数据是在规定的标准条件下得到的,如果偏离这些规定,必然会带来测量结果的误差,特别是流出系数受孔板入口边缘锐度及积污影响很大。受检修周期的影响,齐鲁塑料厂使用的孔板流量计***长的达 10 a 以上,短的也有 4~ 5 a。该问题的影响所带来的计量误差是不可忽视的。

1. 4、测量管及直管段对流量测量的影响:
  测量管是节流装置的重要组成部分,其结构尺寸对流体流动状态有重要的影响,流体流经诸如阀门、渐缩管、渐扩管、弯头、三通等阻流件后,会产生速度畸变、旋转流及非定常流。由于标准节流装置的各项参数是在充分发展管流、无旋转流以及定常流的参考工作条件下实验得出的,如果不满足规定的条件,就会造成流出系数偏离正常值,影响测量准确度。一般情况下,“前 10 后5”是差压式流量计的较低要求,为了使流体尽可能满足实验要求从而确保高的测量精度,必须根据现场阻流件的不同对直管段提出不同的要求。
  表 3 是不同阻流件情况的前后直管段的长度要求[1]。
表 3 无流动调节器情况下孔板与管件之间所需的直管段长度 S
表 3 无流动调节器情况下孔板与管件之间所需的直管段长度 S
注: ①直管段数值以管径 D 倍数表示;②A 栏是指“零附加不确定度”的直管段长度,
B 栏是指“0. 5% 附加不确定度”的直管段长度。

  关于测量管内表面粗糙度对测量的影响是***为复杂的,也***易被忽略,特别是投用时间比较长的情况下,管内的结垢、磨蚀等都会使粗糙度恶化于新投用时的情况。即使是新安装的管道,如果粗糙度达不到要求,都应该进行加工以达到规定的要求。即使是管流已达到充分发展管流时,粗糙度对流体仍是有影响的。齐鲁塑料厂的蒸汽管线大部分已投用 20 余年,而在以前的几次仪表更新中也并未对仪表前后直管段进行处理。多年的磨蚀使管道内径明显偏离设计值,管道粗糙度难以达到设计要求,由此带来测量误差在所难免。

1. 5、流出系数 C 和可膨胀系数 ε 变化对流量测量的影响:
  由差压式流量计一般表达式[1]可知,质量流量与差压和密度的平方根成正比是在假设 C、ε为常数的情况下得出的。实际上 C 只在规定的雷诺数 Re 范围内才可视为常数,实际使用时当Re 不在这个范围时,
C 就不能视为常数。特别是当小流量时,随着 Re 变小,C 将有较大的变化,C 与 Re 的变化关系如图 1 所示[2]。
图 1 标准孔板流出系数 C 与雷诺数 Re 的变化关系

图 1 标准孔板流出系数 C 与雷诺数 Re 的变化关系

  从图 1 中可以看出,当 Re 小于 104时,随着Re 的变化,C 会发生很大变化。在实际测量中,由于流量变化而使 Re 小于界限值的情况时有发生。在这种情况下,如果不对 C 实时补偿,会对流量测量带来不可接受的误差。
M = [( P + 101. 325) / ( Pb+ 101. 325) × ( Tb+ 273. 15) / ( T + 273. 15) ]1 /2× G ( 1)式中: M———温度、压力补偿后的质量流量,
kg /h;G———设计温度、压力下的质量流量,
kg / h;P———仪表的补偿压力,
MPa;T———仪表的补偿温度,
℃ ;Pb———孔板的设计压力,
MPa;Tb———孔板的设计温度,
℃。
  在工艺条件偏离设计条件时,式( 1) 仍以过热蒸汽满足通用气体的气态方程,从而造成了密度计算的不准确,因此对流量测量的影响不亚于用 1 台精度差的差压变送器所带来的后果。
 ( 2) 温度、压力测量失真带来密度计算误差,影响流量测量精度
  无论是采用何种密度补偿方式,过热蒸汽的密度都直接来自于温度、压力测量。介质温度、压力测量准确与否直接影响密度计算误差。由此可齐鲁塑料厂在用的 EN6000B5 等传统流量积算仪没有对 C 的修正功能,当实际流量低于孔板流量设计下限时,系统附加误差的存在是引起蒸汽流量测量误差的又一主要原因。

1. 6、密度对流量测量的影响:
  在蒸汽流量测量中,需要进行温度和压力补偿,但在实际操作中往往只重视差压信号的准确与否,并肯花大力气尽量使用高精度的差压变送器,而忽略了密度在测量中的重要地位。通过差压式流量计流量方程[1]便可发现,其实差压和密度在流量测量中处于同等重要的地位。密度补偿正确与否直接影响蒸汽流量测量的准确性。密度对流量测量的影响需从以下 2 方面进行分析。
( 1) 不同的密度补偿方式对流量测量的影响
  对于过热蒸汽计量而言,密度求取目前常用的有 IFC1967 公式法和查表法 2 种[3]。
  IFC1967 公式在 0 ~ 16. 55 MPa 覆盖饱和蒸汽和过热蒸汽,对密度的计算是可靠的,允差为确定的。
  关于查表法,就是根据用户使用的范围,把该范围的水蒸气密度装入仪表中,再根据测得的压力温度从表中查出对应的密度,这也是一种比较准确的方法。
  长期以来,齐鲁塑料厂一直采用传统的流量积算仪进行蒸汽流量积算,大部分积算仪采用补偿公式如下:
  见温度、压力测量在流量测量中占有极其重要的地位。
  温度测量误差由低精度的温度测量元件和错误的测量方法等引起。齐鲁塑料厂的实际应用中,存在热电阻插入深度不够、热电阻与流量积算仪之间采用两线制连接代替三线制连接、使用屏蔽线代替导线组成三线制连接等问题,这是造成温度测量误差的主要原因。

1. 7、引压管铺设不合理引起差压测量信号失真:
  引压管铺设不合理引起测量信号失真问题是蒸汽测量误差的主要来源之一。差压测量信号失真可能引起的部位和原因有导压管引向不合理、切断阀设置不当、冷凝罐高度不相等、隔离液液位高度不相等、正负引压管坡度不合理、伴热不均致使凝液汽化或管内介质密度不相等等[3]。

2、测量误差的解决方案:
  针对以上原因分析,齐鲁塑料厂利用近 4 a时间历经 2 次大检修对蒸汽计量系统进行了改造,收到了较好的效果。

2. 1、一次元件使用喷嘴流量计代替孔板流量计,配套直管段:
  由于喷嘴流量计的入口为光滑曲面,不易磨损,并且在相同流量和相同 β 值下,其阻力损失比孔板流量计小得多,而且克服了孔板流量计测量中锐角钝化严重,测量压损大等缺点。在受检修期影响一次元件无法及时检测更换的情况下,用喷嘴流量计代替孔板流量计,从而消除了孔板流量计易磨损的缺点,并提高了其准确度。同时,本次改造喷嘴配套直管段由喷嘴生产厂家统一供货,解决了长期以来直管段不足、直管段内径与节流件设计内经不一致、老旧管线粗糙度不满足要求等问题。
  为了解决实际差压太小易受外界环境影响的问题,在喷嘴流量计设计计算方面,在工艺条件允许的的情况下尽可能增大流量计的刻度差压值。在实际应用中,工作差压越小流量受外界环境影响越大。本次改造后,各测量系统的刻度差压值由原来的 5 k Pa 及 16 k Pa 更改为现在的 20 k Pa 及36 k Pa。

2. 2、二次仪表使用智能的 FC2000 - 1AD 代替EN6000B5:
  受节流装置 3∶ 1 量程比的限制,如果希翼***终满足蒸汽测量高量程比的需求,必须选择一种高性能的二次累计仪表( 流量计算机) 。这就要求二次累计仪表不仅要根据温度、压力等工艺参数对流量进行修正,还要实时计算 C、ε 等。而EN6000B5 使用的节流式流量计近似公式 F = k( ρΔP)1 /2进行流量计算,不具备 C 实时补偿功能。
  相比于传统的流量积算仪,FC2000 - 1AD 流量计算机可对节流式流量计的 C、压缩系数 Z、ε进行实时逐点计算并可和带有 Hart、Modbus 等协议的智能变送器配套使用,使节流式流量计的流量范围度真正扩展到 10∶ 1。
  通过以上分析,FC2000 - 1AD 完全满足过热蒸汽测量密度求取和 C 的实时补偿要求。用智能的 FC2000 - 1AD 代替 EN6000B5 后收到了较好的效果。

2. 3、根据装置实际蒸汽用量选择合适的差压变送器及差压量程:
  针对流量计处于下限运行的问题,采取的方法是避开***大流量,参考多年的实际用量选取合适的差压变送器或根据流量波动规律手动调整差压变送器使用量程。
  如表1列出的PP40KS、HDPE15KS、LLDPE-15KS 介质的计量仪表,经查阅这 3 套计量仪表近5 a 的运行趋势图,发现其实际用量皆相对比较稳定,并不存在瞬时流量接近设计***大流量的情况。在保证***大流通能力的前提下,更换小量程的差压变送器,提高差压测量精度使流量测量精度大幅度提高,收到了较好的效果。又如表 1 列出的LDPE40KS、LDPE15KS 在开停车期间用量接近满量程而正常用量又较小; 表 2 列出的 2 套计量仪表夏、冬季用量差别较大。采取的办法是在保证***大流量测量的前提下及时调整差压变送器的使用量程,尽***大可能保证小流量的测量精度; 由于量程更改不及时偶有超量程情况采用计量数据人工修正。此方法在大量程比蒸汽测量中虽非***佳方案但在实际应用中也收到了良好的效果。

3、应用效果及建议:
  ( 1) 通过本次系统改造,齐鲁塑料厂与齐鲁热电厂的过热蒸汽供收差量由改造前的 10% 左右降至 3% 以下。
  ( 2) 双量程差压变送器[3]可较好的解决蒸汽用量周期性波动较大情况的测量,如表 1 列出的LDPE40KS、LDPE15KS 和表 2 列出的 2 套计量仪表。双量程差压变送器就是为了提高相对流量较小时差压测量度,在原有测量系统的基础上另外增设 1 台低量程差压变送器形成 1 套新的流量测量系统。双量程差压变送器的应用可使节流式流量计的量程比扩展到 30∶ 1,中国石化齐鲁分企业采用双量程差压变送器解决大量程比蒸汽流量测量方案现已启动。
  ( 3) 一体化喷嘴将节流件和差压变送器做成一体,并装防冻隔离器。既缩短了引压管线,又省了冷凝和排污系统,使系统构成简单,无需保温供热。彻底解决了冷凝罐安装高度不相等、引压管铺设不合理、伴热不均引起的差压和压力信号失真问题。一体化喷嘴或将成为蒸汽测量的主流。

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