解決流量測量難題

文/李寶榮

對離心泵進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計分析——高溫導(dǎo)波超聲流量計在渣油加氫原料泵出口測量中的應(yīng)用—為了克服超聲波流量計受所測流體溫度范圍限制的缺點(diǎn)，解決工業(yè)過程重油、高溫介質(zhì)的流量測量難題，本文介紹了基于高溫導(dǎo)波獨(dú)立專利技術(shù)的超聲波流量計在渣油加氫原料泵出口流量測量中的應(yīng)用方案。該方案可以在不破管、不停產(chǎn)和不動火的情況下直接在線安裝，且不受高溫、重油氣相等因素影響。該高溫導(dǎo)波超聲波流量計自安裝以來，一直保持著連續(xù)、穩(wěn)定以及準(zhǔn)確的測量。

在石油煉制過程中要保持各裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須準(zhǔn)確測量液位、壓力、溫度、流量及其他工藝參數(shù)，其中流量是測量難度最大、測量點(diǎn)最多的監(jiān)測參數(shù)。由于工業(yè)領(lǐng)域流量測量技術(shù)面臨多種復(fù)雜的需求，工業(yè)企業(yè)對測量準(zhǔn)確性的要求不斷提高，傳統(tǒng)的工業(yè)測量方法如孔板、楔式、噴嘴以及文丘里等流量計已不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的要求。

企業(yè)生產(chǎn)成本在降低要利潤，在線環(huán)保檢測在增加要嚴(yán)控，裝置檢修、儀表維護(hù)工作要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高要求以及高標(biāo)準(zhǔn)，“油不落地、氣不上天”的要求，更加突顯新時代、新形勢下對新工藝、新技術(shù)儀表維護(hù)量以及可靠性等方面需求。基于各種傳感器技術(shù)和電氣技術(shù)的新型流量計能很好的滿足用戶對精度、可測量性、維護(hù)量以及經(jīng)濟(jì)性等方面需求，如使用電磁法、超聲波法以及漩渦法等，引入電子技術(shù)、具有導(dǎo)波板結(jié)構(gòu)以及專利WaveInjector技術(shù)的FLUXUS系列高溫外夾新型超聲波流量計，其技術(shù)應(yīng)用具有極大地發(fā)展空間。本文結(jié)合渣油加氫原料泵出口流量測量中遇到的技術(shù)問題進(jìn)行深入分析，提出探索性解決方案，并付諸實(shí)施，以供商榷。

流量測量疑難問題分析

測量方案分析

渣油加氫原料泵出口4臺流量342-FT-10601及ABC是公司級聯(lián)鎖，也是工藝控制極為重要的參數(shù)：

介質(zhì)名稱：原料油（減壓渣油、焦化渣油、蠟油等）。

設(shè)備位號：342-FT-10601；

操作溫度：258 ℃ ；

設(shè)計溫度： 300 ℃；

操作壓力：20.6 MPa；

設(shè)計壓力24.7 MPa；

操作密度：866.04 kg/m3；

動力粘度4.188 MPa.s；

第二天，雨繼續(xù)下，賽馬會上人聲鼎沸，漸漸滲透的寒冷令我的牙齒不知什么時候開始打顫，當(dāng)剛烤干的衣服再濕透時，賽馬會結(jié)束了。我躲在擁擠的大卡車?yán)?，不知什么時候，雪花飄落在草原上。一路上車子在緩慢地?fù)u晃，一位老大娘用藏袍裹著我，搓著我冰冷的手，偎依在她懷里的那種溫暖逐漸沉淀到我的記憶里。

管道外徑/內(nèi)徑：273 mm /207 mm；

管道材質(zhì)：P11。

該裝置原設(shè)計為原料泵出口選用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計取壓（1個孔板8對取壓口），使用高溫型差壓變送器進(jìn)行差壓信號的測量采集和轉(zhuǎn)換變送，利用高壓油系統(tǒng)將32#汽輪機(jī)油，從膜盒腔室打入取壓管路，最終流入工藝管道，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定測量。原設(shè)計在選型時考慮孔板流量計取壓管路不會堵塞，由于現(xiàn)場空間狹小和高壓沖洗系統(tǒng)復(fù)雜，原設(shè)計沒有工藝副線且施工安裝受限，造成前后直管段長度和孔板短嘴取壓配管垂直度不足，連續(xù)彎頭較多。

運(yùn)行情況分析

孔板流量計每次開工投用后，初期運(yùn)行較為正常，但在運(yùn)行幾個月之后開始出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)偏差不穩(wěn)定、零點(diǎn)漂移以及注油泵頭油滴流速慢等現(xiàn)象。檢修期間檢查變送器，取壓膜盒表面有焦油和取壓管內(nèi)壁有污油（主引壓管全部焊接，變送器側(cè)卡套連接），檢查沖洗油系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)孔板根部取壓短嘴局部堵塞，導(dǎo)致軸承磨損、泵頭注油不暢，經(jīng)過高壓油沖洗車40 MPa極限疏通和變送器膜盒清洗、二次校正后重新安裝投入運(yùn)行，可以正常使用，但在不久后之前的故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)（儀表取壓高壓彎頭內(nèi)徑6 mm，高壓液體疏通只是在管徑圓面積上開一個小孔，再沖洗時壓力被小孔卸掉，無法實(shí)現(xiàn)圓面積整體沖洗），并有逐漸嚴(yán)重的趨勢，甚至旁路公司級聯(lián)鎖直到生產(chǎn)周期結(jié)束。

渣油加氫檢修周期為1.5年，換劑時間15 天，高壓系統(tǒng)沒有工藝副線，不停工不能夠疏通取壓管線（停工后管線存油，工藝系統(tǒng)無法切除不能動火），在正常生產(chǎn)周期中，基本上沒有機(jī)會對該位置的流量儀表進(jìn)行檢修，所以該流量儀表一旦故障只能帶病工作且單點(diǎn)停高壓注油、主要參考其原料泵前入口流量趨勢（泵前后流量聯(lián)鎖值不同，泵后至反應(yīng)爐之間無流量計顯示），給裝置的穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。

測量難點(diǎn)分析

該套裝置的渣油加氫原料組成較為復(fù)雜多變，其中含有溶解氣、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)以及焦化物等多相雜質(zhì)，雖然經(jīng)過原料過濾系統(tǒng)的處理，但是過濾效果不甚理想；加之儀表取壓高壓彎頭內(nèi)徑細(xì)，孔板取壓配管連續(xù)彎頭多等，都是導(dǎo)致該流量測點(diǎn)經(jīng)常發(fā)生堵塞的根源所在。

超聲波流量計的測量原理與技術(shù)優(yōu)勢

超聲波流量計的原理介紹

超聲波流量計大多采用時差式測量原理，設(shè)超聲波傳播速度為C，超聲波順流時從傳感器A到B的傳播時間為t1，逆流時間為t2，聲波在流體中傳播相同距離時存在時間差，如圖1所示。

圖1 時差法工作原理圖

一個探頭發(fā)射信號穿過管壁、介質(zhì)、到達(dá)另一側(cè)管壁后，被另一個探頭接收到，同時，第二個探頭同樣發(fā)射信號被第一個探頭接收到。由于受到介質(zhì)流速的影響，二者存在時間差Δt，根據(jù)推算可以得出流速V和時間差Δt之間的換算關(guān)系, 乘以管道內(nèi)橫截面積，并乘以雷諾數(shù)修正系數(shù)，進(jìn)而可以得到體積流量值，即：

A- 管道內(nèi)截面積；

KRe- 流體力學(xué)修正系數(shù)；

Ka- 聲學(xué)修正系數(shù)；

t- 時間差；

tf- 流體中的傳輸時間。

超聲波流量計的技術(shù)優(yōu)勢

時差法的原理和結(jié)構(gòu)，決定了其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

全通徑設(shè)計，無任何壓損和能力損失，無擾流件，無需縮徑，節(jié)能方面優(yōu)勢明顯。

測量范圍大，測量結(jié)果不受導(dǎo)電率、壓力、溫度及粘度的影響。

與介質(zhì)不接觸，對粘稠液體無掛壁影響，尤其適用于腐蝕性介質(zhì)的測量。

結(jié)構(gòu)相對簡單，可維護(hù)性好，安裝簡單，無需切斷工藝管道，費(fèi)用低。

渣油加氫原料泵出口流量測量疑難問題的解決

超聲波流量計的選用

為解決原料泵出口流量測量問題，立足裝置深入挖掘問題根源，對幾種常用流量計從測量的工藝介質(zhì)、管道的壓損、安裝及維護(hù)要求等多方面比較篩選，見表1所列；

通過反復(fù)篩選，初步確定采用高溫導(dǎo)波超聲波流量計的技術(shù)方案。

技術(shù)方案的制定

為進(jìn)一步驗(yàn)證高溫導(dǎo)波技術(shù)的數(shù)據(jù)可靠性，考慮裝置聯(lián)鎖動作的及時性，特別選在裝置運(yùn)行半年后，結(jié)焦達(dá)到比較嚴(yán)重的階段開展測試工作，直至裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的末期，以期獲得典型的應(yīng)用測試數(shù)據(jù)。

經(jīng)過多方調(diào)研，我們最終選擇了德國FLEXIM公司的高溫外夾式超聲波流量計作為替代解決方案，并進(jìn)行了為期7個月的現(xiàn)場連續(xù)測試。選擇該測試方案的原因如下：

（1）非接觸的測量方式。超聲波流量計采用外夾式安裝，非接觸測量，無需在管道上開孔，也無需停產(chǎn)，非常適合在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行安裝測試。同時，由于流量傳感器不與被測量介質(zhì)接觸，所以不受介質(zhì)腐蝕性、磨損性以及由于壓降所引起的加速結(jié)垢的影響。

表1 幾種常用流量儀表比較

圖2 FLEXIM公司的高溫超聲波典型安裝

圖3.5 12月效果比對圖

（2）高溫適用性。常規(guī)的超聲波流量計只能耐受200 ℃左右溫度，不能承受介質(zhì)高溫，無法滿足300 ℃的設(shè)計溫度。我們選擇的超聲波流量計采用了專利的WaveInjector技術(shù)，通過高溫導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，使得該流量計可以耐受400～600 ℃的高溫，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

（3）介質(zhì)耐受性。渣油加氫原料屬于非牛頓流體，測量點(diǎn)介質(zhì)中氣液固三相共存，導(dǎo)致在測量位置的管道表面發(fā)生強(qiáng)烈的噪聲干擾。FLEXIM采用了專利的高溫降噪材料，在管道表面形成耐高溫網(wǎng)狀高分子保護(hù)層，利用該材料的特殊物理特性，有效吸收和降低噪聲干擾，從而確保了正確的超聲波信號被變送器準(zhǔn)確識別。

流量測試的應(yīng)用效果

測試數(shù)據(jù)

2018年05月23日安裝一臺超聲波流量計，測試數(shù)據(jù)，2018年06月30日現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)引入DCS系統(tǒng)，趨勢穩(wěn)定、示值準(zhǔn)確，2018年12月14日,渣油加氫裝置按照計劃停工檢修，生命周期典型效果依次6～7月，8月，10月，11月，12月。如圖3（3.1～3.5）所示，綠色為測試數(shù)據(jù)，其他為比對數(shù)據(jù)。

圖3.1 6～7月效果比對圖

圖3.2 8月效果比對圖

圖3.3 10月效果比對圖

圖3.4 11月效果比對圖

聯(lián)鎖和PID控制投用

依據(jù)測試數(shù)據(jù)結(jié)果，2019年5月11日4臺超聲波（342-FT-10601及ABC）正式安裝投用，7月將3臺測量信號引入SIS回路，9月通過調(diào)整合適的PID參數(shù)，F(xiàn)T-10601投用控制回路。從5月到9月流量觀察穩(wěn)定、總體趨勢正常（比較參照泵入口流量），已將聯(lián)鎖回路正常投用，2019年9月通過調(diào)整合適的PID參數(shù)，F(xiàn)T-10601投用控制回路。

結(jié)束語

FLUXUS系列高溫外夾新型超聲波流量計，利用其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，克服了常規(guī)超聲波流量計無法測量高溫流體的限制，解決了工業(yè)過程中高溫、氣相多組分介質(zhì)流量測量的難題。同時，該流量計不接觸被測介質(zhì)，可以方便地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電以及易燃易爆型等流體測量，沒有壓力損失，對于較大管徑的流體測量儀表安裝和運(yùn)行節(jié)能優(yōu)勢尤為明顯。