高壓蒸汽流量測量誤差分析及改進(jìn)措施

王秋芳，王曰林，夏兵華，郭宏偉

(1.寧波中金石化有限公司，浙江 寧波 315200；2.中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司，寧夏 銀川 750409)

1 概述

蒸汽流量計(jì)作為煉油企業(yè)重要的計(jì)量用流量計(jì)，它的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)全廠蒸汽系統(tǒng)的平衡、節(jié)能降耗具有重要的作用。同時(shí)作為企業(yè)貿(mào)易交接用流量計(jì)，是貿(mào)易公平公正的基礎(chǔ)。

B 公司高壓蒸汽的主要用途是：

(1)精制單元的開車；

(2)正常生產(chǎn)時(shí)通過高壓蒸汽加熱CTA 漿料，溶解后進(jìn)入加氫反應(yīng)器與氫氣進(jìn)行反應(yīng)；

(3)薄膜蒸發(fā)器連續(xù)加熱使用。作為連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)，為保障正常生產(chǎn)工況，高壓蒸汽需要連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。B 公司未自備動(dòng)力站，高壓蒸汽需從A 公司購入。年平均購入量達(dá)257 萬噸，年需支付費(fèi)用大約5 億元。由于對(duì)苯二甲酸行業(yè)工藝成熟，增潛挖效的主要途徑就是降低能耗成本。巨大的蒸汽消耗費(fèi)用的開支占能耗費(fèi)用比例較大。因此，準(zhǔn)確的計(jì)量蒸汽數(shù)量對(duì)企業(yè)效益具有重要意義[1]。

高壓蒸汽從A 公司動(dòng)力站管輸?shù)紹 公司界區(qū)，管線長度約2 km，長距離的管輸可能改變高壓蒸汽品質(zhì)，使蒸汽出現(xiàn)汽液兩相狀態(tài)。平衡式孔板流量計(jì)對(duì)汽液兩相態(tài)蒸汽無法準(zhǔn)確測量，給結(jié)算計(jì)量帶來無法確定和測量的誤差。

A 公司的用汽裝置有20 多套，每個(gè)壓力等級(jí)的蒸汽從系統(tǒng)管網(wǎng)供出，供B 公司的高壓蒸汽由專線進(jìn)行供應(yīng)，所以A 公司的裝置檢修、停工、生產(chǎn)負(fù)荷變化都不會(huì)影響B(tài) 公司的用汽穩(wěn)定性。現(xiàn)由于B 公司實(shí)際工況用汽量與設(shè)計(jì)工況下用汽量差異較大，以及設(shè)計(jì)安裝不合理，對(duì)蒸汽的測量范圍、量程提出了更高的考驗(yàn)。

下面從蒸汽的品質(zhì)、汽液兩相流、雙方界區(qū)流量計(jì)的安裝、節(jié)流元件的設(shè)計(jì)、管線設(shè)計(jì)等給高壓蒸汽測量帶來的誤差，提出可行的技術(shù)解決方案，對(duì)于技術(shù)無法解決的，通過建立管理機(jī)制將雙方儀表測量差異盡可能減小，以保障各方利益。

2 蒸汽管輸過程中的兩相流、熱損帶來的影響及解決措施

A 公司所供高壓蒸汽由動(dòng)力站鍋爐專線供給B 公司，不因其他用汽裝置負(fù)荷的變化而變化，管線溫度、壓力穩(wěn)定。高壓蒸汽在長距離輸送后，可能出現(xiàn)過熱蒸汽、臨界飽和蒸汽和過飽和蒸汽相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。這種熱量損失、壓力損失和溫度降低引起的蒸汽狀態(tài)改變由于當(dāng)前雙方公司沒有技術(shù)手段對(duì)蒸汽狀態(tài)實(shí)時(shí)作出明確判斷，蒸汽按照過熱蒸汽進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算。

進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)或進(jìn)入過飽和狀態(tài)是過熱蒸汽熱量損失而脫離過熱狀態(tài)后可能出現(xiàn)的兩種狀態(tài)。從理論上講，溫壓補(bǔ)償查出的密度和蒸汽實(shí)際密度是相符合的，不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入臨界飽和狀態(tài)導(dǎo)致流量計(jì)的測量誤差增大。但是，由于目前蒸汽管道并未安裝測量干度的儀表，蒸汽如果進(jìn)入過飽和狀態(tài)，測量結(jié)果偏低多少無法準(zhǔn)確計(jì)算[2]。

界區(qū)某個(gè)計(jì)量時(shí)間點(diǎn)雙方流量計(jì)的溫度和壓力如表1 所示。

表1 某個(gè)計(jì)量時(shí)間點(diǎn)A 公司計(jì)量表和B 公司計(jì)量表的溫度和壓力

據(jù)上推斷，B 公司一線高壓蒸汽由于熱損的存在極有可能使蒸汽的狀態(tài)發(fā)生變化，從而造成下游計(jì)量儀表的測量值小于上游計(jì)量儀表的測量值。這種因?yàn)闊釗p的存在產(chǎn)生的雙方流量計(jì)計(jì)量差異技術(shù)上無法完全消除。雙方加強(qiáng)儀表維護(hù)、巡檢，做好計(jì)量儀表之間的管線保溫，從管理上的提升減小雙方計(jì)量儀表的差異是可行的。

在A 公司流量計(jì)后，B 公司流量計(jì)前，因管道高度差較大，管道有低點(diǎn)排凝疏水，這部分排凝疏水未經(jīng)回收，直接流入雨水溝。在冬天可以明顯地看到比較大的排凝量，這部分排凝量無法進(jìn)行計(jì)量，排凝對(duì)雙方計(jì)量差異的影響無法準(zhǔn)確計(jì)算。但是，因考慮到排凝是工藝安全設(shè)計(jì)必須存在的，考慮將排凝水量進(jìn)行工藝改造回收。

3 蒸汽的現(xiàn)有工況和設(shè)計(jì)工況不一致給測量準(zhǔn)確度帶來的影響及解決措施

由表2 可知，流量計(jì)實(shí)際工況下的流量小于測量范圍的1/3，不在流量計(jì)的最佳運(yùn)行范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致流量測量值不夠精確。從而引起雙方流量計(jì)測量誤差較大。

表2 B 公司設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況

解決措施：根據(jù)正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)際用量，采購一臺(tái)符合B 公司正常蒸汽用量且能夠滿足最大蒸汽流量的流量計(jì)，采購流量計(jì)參數(shù)如表3 所示。

表3 采購流量計(jì)參數(shù)

因生產(chǎn)工藝需要，新采購流量計(jì)在B 公司停工檢修期間施工安裝在B 公司界區(qū)，作為雙方現(xiàn)有流量計(jì)的比對(duì)依據(jù)。

4 管道設(shè)備材質(zhì)差異和節(jié)流元件參數(shù)差異對(duì)測量帶來的影響及解決措施

A 公司供B 公司高壓蒸汽流量計(jì)為平衡式流量計(jì)，直接測得的是差壓，然后輸出介質(zhì)的體積，蒸汽的結(jié)算業(yè)內(nèi)普遍按噸進(jìn)行計(jì)量結(jié)算，蒸汽的質(zhì)量流量等于體積流量乘以密度。因此，要得到準(zhǔn)確的質(zhì)量流量，需要得到準(zhǔn)確性較高的蒸汽密度[3]。

以下是雙方界區(qū)高壓蒸汽流量計(jì)的計(jì)算原理：

式中：Qm為質(zhì)量流量；C為流出系數(shù)；β為直徑比；ε為流束膨脹性系數(shù)；ΔP為差壓；ρ為流體密度；d為工作條件下節(jié)流件的孔徑。

溫壓補(bǔ)償輸出原理：

式中：ρ2為溫壓補(bǔ)償后的密度輸出；ρ1為根據(jù)實(shí)際壓力和實(shí)際溫度，通過查表法得到焓值與比容u，ρ1=1/u；ρ0為設(shè)計(jì)密度(查詢計(jì)算書雙方設(shè)計(jì)密度一致)；S為溫壓補(bǔ)償前的密度輸入。

4.1 雙方溫壓補(bǔ)償設(shè)置不同對(duì)測量帶來的影響及解決措施

流量計(jì)投入初期，B 公司流量計(jì)參數(shù)配置溫度和壓力為儀表計(jì)算書上的設(shè)計(jì)溫度330 ℃，設(shè)計(jì)壓力9.4 MPa，A 公司流量計(jì)參數(shù)配置為實(shí)際工況下測得的實(shí)時(shí)溫度、壓力，即B 公司密度為定量，A 公司密度為工況下隨溫度壓力而變的變量。

查表得，焓值與比容隨溫度和壓力的降低(同時(shí)降低)而降低。

代入式(2) 可知，對(duì)B 公司流量計(jì)：實(shí)際工況(328.6 ℃、9.33 MPa)與設(shè)計(jì)工況(330 ℃、9.4 MPa)相比較，實(shí)際工況下的輸出大于設(shè)計(jì)工況下的輸出。因此，雙方判斷，用設(shè)計(jì)密度進(jìn)行測量輸出會(huì)導(dǎo)致測量輸出結(jié)果偏小。

基于此判斷，B 公司溫壓補(bǔ)償更改為實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)溫度、壓力進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)比對(duì)雙方流量計(jì)差異減小。高壓蒸汽計(jì)量偏差率如圖1所示。

圖1 高壓蒸汽計(jì)量偏差率

4.2 雙方流量計(jì)壁厚不同對(duì)測量帶來的影響及解決措施

雙方流量計(jì)壁的測量如表4 所示。

表4 雙方流量計(jì)壁的測量

依據(jù)公式(1)：雙方界區(qū)流量計(jì)直徑不同的情況下，在相同的差壓下，測量結(jié)果輸出不一致。

解決方法：由于結(jié)算計(jì)量的重要性，雙方認(rèn)可待新流量計(jì)投用后進(jìn)行。

5 界區(qū)流量計(jì)引壓管設(shè)計(jì)長度和安裝對(duì)測量帶來的影響及解決措施

差壓式流量計(jì)差壓信號(hào)管路的安裝：為保證節(jié)流裝置的輸出差壓可靠，準(zhǔn)確度傳遞到差壓計(jì)或差壓變送器上，差壓信號(hào)管路應(yīng)按規(guī)定的技術(shù)要求進(jìn)行敷設(shè)。

引壓管的安裝應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)導(dǎo)壓管的材質(zhì)應(yīng)按被測流體的性質(zhì)和參數(shù)選用，其內(nèi)徑不得小于6 mm，其長度最好在16 m 以內(nèi)，可視被測流體的性質(zhì)而定。

(2)導(dǎo)壓管應(yīng)垂直或傾斜敷設(shè)，其傾斜程度不得小于1∶12，黏度較高的流體，其傾斜度還應(yīng)增大。當(dāng)差壓信號(hào)傳送距離大于30 mm 時(shí)，導(dǎo)壓管應(yīng)分段傾斜，并在各最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別裝設(shè)集氣器(或排氣閥)和沉降器(或排污閥)。

(3)為了避免差壓傳送失真，正、負(fù)壓導(dǎo)壓管應(yīng)盡量靠近敷設(shè)。嚴(yán)寒地區(qū)的導(dǎo)壓管應(yīng)有伴熱保溫措施。加熱保溫時(shí)，要防止過熱而產(chǎn)生汽化。導(dǎo)壓管直徑8 mm，長度26 000 mm，引壓管較長，降低了輸出差壓的可靠度。

解決措施：流量計(jì)處增加操作平臺(tái)，將流量變送器由地面改至操作平臺(tái)，降低引壓管長度引起的計(jì)量誤差。

6 蒸汽流量計(jì)閥門選材不當(dāng)和計(jì)量器具維護(hù)管理不到位對(duì)測量帶來的影響和解決措施

B 公司高壓蒸汽管道正負(fù)壓閥門經(jīng)常發(fā)生泄漏，閥門泄漏對(duì)計(jì)量引起的影響導(dǎo)致貿(mào)易結(jié)算異議。經(jīng)設(shè)備部門、儀表部門原因分析，設(shè)計(jì)采用的普通鑄鐵閥門不適用高壓蒸汽管道安裝。在裝置檢維修期間，在用四臺(tái)正負(fù)壓側(cè)全部更換為鉻鉬材質(zhì)閥門，更換后運(yùn)行半年以來未發(fā)生漏氣。因此，高壓蒸汽管道的閥門選材會(huì)對(duì)計(jì)量造成影響，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格進(jìn)行適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的選材選型。

高壓蒸汽計(jì)量器具的維護(hù)管理方面。投用初期因雙方流量計(jì)之間的保溫棉未安裝，導(dǎo)致溫?fù)p壓損較大，計(jì)量差異量大。結(jié)算用蒸汽流量計(jì)量器具從出廠到報(bào)廢的全壽命周期良好的管理是保障計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性的基礎(chǔ)。從設(shè)計(jì)初期就需要儀表專業(yè)、設(shè)備專業(yè)、工藝專業(yè)等各專業(yè)聯(lián)合進(jìn)行設(shè)計(jì)選型選材的把關(guān)，避免考慮不周引起的計(jì)量問題。

結(jié)算用計(jì)量器具的巡檢方面，儀表部門安排每個(gè)月對(duì)每臺(tái)計(jì)量器具巡檢一次。單位計(jì)量周期的巡檢頻次較低，對(duì)于現(xiàn)場發(fā)生問題的流量計(jì)和閥門不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。專業(yè)部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)貿(mào)易結(jié)算用計(jì)量器具和管線的巡檢頻次。

高壓蒸汽計(jì)量器具應(yīng)遵循“專業(yè)聯(lián)合管理、合理布局、按需配備”的原則：上下游互供蒸汽，實(shí)行一線一表送料制，原則上在送料方安裝計(jì)量表，以送料方流量計(jì)作為結(jié)算依據(jù)。做好管線、計(jì)量器具的保溫、維護(hù)。高壓蒸汽計(jì)量器具配備應(yīng)滿足或優(yōu)于GB 17167—2006《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》、GB/T 20901—2007 《石油石化行業(yè)能源計(jì)量器具配備和管理要求》的要求；新購置的高壓蒸汽計(jì)量器具必須具有齊全的標(biāo)志和說明書，包括出廠編號(hào)、產(chǎn)品合格證、檢定校準(zhǔn)證書、使用說明書、鉛封等；貿(mào)易結(jié)算用高壓蒸汽計(jì)量流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)具有計(jì)量數(shù)據(jù)趨勢查詢、流量計(jì)狀態(tài)檢測和故障報(bào)警等功能。

對(duì)于常規(guī)的設(shè)備，判斷其運(yùn)行狀況，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測流量、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行判斷，但是對(duì)于高壓蒸汽計(jì)量用器具，在各儀表參數(shù)都正常的情況下，測量輸出也未必準(zhǔn)確。因此，數(shù)據(jù)管理專業(yè)、工藝管理專業(yè)、系統(tǒng)管理專業(yè)、儀表管理專業(yè)、設(shè)備管理專業(yè)聯(lián)合進(jìn)行故障診斷和排查顯得尤為重要。各級(jí)管理層通過管理軟件對(duì)現(xiàn)場儀表、管線運(yùn)行狀態(tài)、儀表工程師站的管理進(jìn)行日監(jiān)控，能夠保障計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。提高管線的保溫效果，定期對(duì)管線的保溫進(jìn)行檢測評(píng)估，保證管線保溫效果符合國家標(biāo)準(zhǔn)，減少輸轉(zhuǎn)途中的熱損。

為了保證蒸汽流量計(jì)測量準(zhǔn)確，尤其對(duì)于企業(yè)之間進(jìn)行互供的貿(mào)易結(jié)算用流量計(jì)，必須嚴(yán)格執(zhí)行企業(yè)制度《計(jì)量儀表及標(biāo)準(zhǔn)儀器管理辦法》和《計(jì)量管理規(guī)定》，按制度要求進(jìn)行選型選材設(shè)計(jì)、管線保溫、周期檢定、巡檢維護(hù)和數(shù)據(jù)清零，確保其合法合規(guī)運(yùn)行。

7 結(jié)語

綜上所述，在高壓蒸汽計(jì)量過程中，流量計(jì)、管道、閥門的選材選型是否標(biāo)準(zhǔn)，流量計(jì)的安裝是否符合規(guī)范要求，蒸汽流量計(jì)管線的日常維護(hù)管理是否及時(shí)都會(huì)對(duì)蒸汽測量結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。因此，在流量計(jì)的設(shè)計(jì)、選型、安裝、維護(hù)及使用過程中，必須考慮到各項(xiàng)影響因素，貿(mào)易雙方前期對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行充分的信息溝通，對(duì)出現(xiàn)的問題和不一致進(jìn)行及時(shí)消除解決，主動(dòng)去消除影響流量計(jì)準(zhǔn)確計(jì)量的因素，對(duì)貿(mào)易結(jié)算的公平公正具有重要作用。同時(shí)也能夠?yàn)槠髽I(yè)能源統(tǒng)計(jì)提供準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的能耗數(shù)據(jù)，為企業(yè)的節(jié)能降耗舉措提供有效的數(shù)據(jù)支撐。