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          淺析孔板流量計在煉油廠中的應用及日常維護

          來源: 中海油惠州石化有限公司 煉油七部,廣東 惠州 作者:歐發甫 發布日期:2020-06-24

          [摘 要]主要介紹標準孔板流量計在煉油廠中的應用情況,以及孔板流量計的測量原理及安裝要求,探討孔板流量計測量誤差產生的原因及應對措施,淺談孔板流量計日常維護及注意事項,提高孔板測量的準確性,降低流量計故障率,給生產操作和工藝控制提供可靠依據。

                  孔板流量計因其穩定的性能、制造成本低、結構易懂、操作簡單、維護量少等特點,在煉油廠、化工廠中得到廣泛的應用。相對于其他流量計,雖然孔板流量計壓損比較大,精度偏低,但是其測量范圍廣、故障率低,智能型變送器更是能完善其診斷、補償等功能,使得孔板流量計能夠對各煉油裝置的介質進行有效測量。

           
          1 孔板流量計在惠州石化的應用情況
          1.1 惠州石化煉油裝置特點
          惠州石化煉油一期 1200 萬噸以加工高酸重質原油為主,煉油二期 1000 萬噸主要加工高硫中質原油,煉油裝置反應器反應后基本上都會產生少量的硫化氫、氨氮、氯化氫、酸性水等腐蝕性氣、液混合物;或為達到某些生產目的,加注緩蝕劑、磷酸三鈉等三劑,對管線或儀表設備存在一定的腐蝕;而加氫裝置進料普遍帶水,介質凝點低,為滿足儀表測量要求,儀表維護人員針對性提
          出一些解決措施。
           
          1.2 孔板流量計在各煉油裝置的應用情況
          孔板流量計是各煉油裝置中使用非常多的一種流量計,約占全部流量計的 50 %,個別裝置能達到 70 %以上。主要用于石腦油、汽油、液化氣、燃料氣、高壓蒸汽等介質的測量。例如:煉油二期連續重整裝置孔板流量計有 126 臺,其中內藏式孔板 13 臺,其他類型流量計 38 臺,孔板流量計應用率達到 76 %?装迦悍绞骄鶠榻墙尤。各煉油裝置孔板應用情況主要有以下幾種:
          (1)灌注隔離液。某加氫裝置進料帶水較多,導致孔板引壓管積液,造成流量計經常波動,儀表專業反復排液校準,通過在高低壓側引壓管平衡灌注隔離液的方式,降低測量誤差,保證儀表測量穩定。
          (2)加冷凝裝置。中、高壓蒸汽等溫度較高介質的測量,通過冷凝罐分別與介質、差壓變送器相接,利用冷凝罐中的冷卻水隔開高溫介質和傳感器,從而避免高溫損壞變送器(電容式差壓傳感器允許溫度范圍為-40~104 ℃)。
          (3)使用智能型儀表。標準孔板與智能型差壓變送器配套使用,可以克服因介質參數變化引起孔板流量計測量出現偏差,智
          能型變送器可以在線監測介質的壓力、溫度等變化并自動進行補償,變送器顯示器可以滾動顯示差壓、溫度、體積流量、瞬時流量等,測量精度提高,還可在線診斷。
          (4)投用伴熱及保溫。某加氫裝置的產品介質為蠟油,蠟油凝點較低,南方冬季足以使該介質冷凝從而堵塞引壓管,在引壓管上增設伴熱和保溫措施,再輔助抗乳化的 60 N 基礎油作為隔離液,避免因引壓管堵塞導致儀表測量不準。
           
          2 孔板流量計的原理及安裝要求
          2.1 孔板流量計基本原理
          充滿管道的介質,當它流經管道內的節流孔板時,流速將在孔板處形成局部收縮,使得流速增加,靜壓力降低,孔板前后產生壓差,結構原理如圖 1 所示。介質流量越大,孔板前后的壓差就越大,通過測量壓差來計算流量的大小。
          孔板流量計基本原理
          根據流體力學中的伯努利方程和流體連續性方程式可推導標 準孔板的流量與壓差之間定量關系的基本流量公式,如圖 2 所示。
          孔板基本流量公式
          2.2 孔板流量計的組成及適用范圍
          孔板流量計測量系統主要由標準孔板、引壓管、三閥組、差壓變送器、控制器等組成,如圖 3 所示,附加裝置有隔離器、冷凝罐等?装甯叩蛪簜纫龎汗軠y定的差壓值經差壓變送器轉換為4~20 mA 標準電信號傳送到機柜間和中控室;按取壓方式標準孔板有角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓三種方式,按孔板類型有標準孔板、內藏孔板、限流孔板、環形孔板等。標準孔板流量計適用范圍有公稱直徑:15 mm≤DN≤1200 mm;公稱壓力:PN≤40MPa;工作溫度:-50 ℃≤DN≤550 ℃;適用量程比:4︰1~3︰1;測量精度:0.5 級、1.0 級。
           
          2.3 標準孔板流量計的安裝要求
          (1)取壓孔角度。測量介質為氣體時,取壓孔設在管道上半部,與管道垂直中心線成 0°~45°夾角,可以避免引壓管積液;測量介質為液體時,開孔在管道下半部,與水平中心線成 0°~45°夾角;測量介質為蒸汽時,開孔在管道上半部,與管道水平中心線成0°~45°夾角,如圖 4 所示。
          取壓孔位置
          (2)引壓管敷設。根據物料的特性及測量要求,坡度應不小于1︰12,材質需要耐腐蝕,測量粘度高的介質時需增大引壓管的傾斜度,其傾斜角度應能保證能排凈管內氣體或積液。引壓管長度盡可能短,高低壓引壓管高度要一樣,容易冷凝、結晶的介質還需要增加伴熱和保溫措施。
          (3)取壓孔要求。取壓孔中心線與孔板上下游端面的距離為25.4±0.8 mm;取壓孔的中心線和孔板上下游 2D 內圓柱的中心線垂直,孔板兩端面和取壓孔軸線向外傾斜夾角應小于 3 度。取壓孔直徑應小于 0.08D。
          (4)孔板方向。根據介質流動方向,孔板有正反面安裝要求,孔板裝反儀表輸出會偏;而且被測介質應充滿全部管道并且連續流動,且在通過孔板時時應不發生相變;節流孔板安裝前,要用蒸汽對介質管道進行吹掃,避免焊渣、鐵屑等高速流動撞擊損傷節流孔板。
          (5)直管段要求。任何局部阻力均會引起流速在截面上重新分布,使得流量系數變化,所以在節流裝置的上、下游必須配置一定長度的直管段,一般要求前 10D,后 5D,如條件不滿足,需安裝整流器;在孔板前后距離為兩倍于管徑的管道內壁上,不應有凸出物和明顯的粗糙或不平,如介質溫度計非常好安裝在孔板后面,否則會對測量產生影響。
           
          3 孔板流量計測量誤差的影響因素
          3.1 儀表選型或使用條件的影響
          在儀表選型設計階段,沒有充分考慮到工藝日常操作中各種工況的影響,導致孔板流量計在使用過程中,工藝操作的非常低流量在孔板設計量程的 30 %及以下或者工藝操作的非常高流量大于孔板的設計流量,從而使流量顯示出現極大偏差,影響到工藝人員的生產操作。以 1.0 級精度的孔板流量計來為例,在流量為量程的 10 %時,差壓值只為差壓量程的 1 %,根據 GB/T2624-93 中不確定度估算方法,差壓測量的不確定度由變送器的精度等級決定,該測量點差壓測量的不確定度為:
          δp/ΔP=1/3*ξ*ΔPmax/Δ =1/3×1.0 %×100 %/1 %=33.3 %
          式中,δp-不確定度;ΔP-實測差壓值;ξ-精度等級;ΔPmax-差壓非常大值 [1] 。
           
          根據上述公式還可推算出當測量流量為設計量程的 30 %時,不確定度為 3.7 %?梢园l現,在 30 %量程以下,孔板的測量有很大誤差,甚至在 10 %量程以下時,會對變送器進行小流量切除,避免造成流量測量不準,給工藝操作員造成參考偏差,一般孔板流量計使用條件會在量程的 30 %~90 %之間比較好。
           
          3.2 孔板前后直管段或孔板本身腐蝕影響
          孔板流量計在長期受到高溫、高壓氣體或液體的持續沖刷,特別是帶腐蝕性廢氣或油品的侵蝕后,會導致孔板的直管段內壁或孔板直角邊緣腐蝕,入口邊緣尖銳度變鈍、直角垂直度、直管段管壁粗糙度變差。而流量系數與孔板入口邊緣銳度、管壁粗糙度等因素有關,在相等流量的介質通過該孔板時產生的前后壓差變小,儀表輸出偏小 [2] ?装迦肟谶吘壞p越嚴重,測量誤差就
          越大。因此,需要對孔板進行修正(不劃算),或更換相同型號的
          孔板。
          3.3 孔板安裝不規范的影響
          孔板施工安裝不規范,如孔板裝反導致流量測量偏小,孔板露出的部分標記“+”號的為介質入口方向;孔板安裝時孔板的中心線要和前后直管段中心線重合,避免孔板偏心,孔板偏心引起的測量誤差大約在 2 %以左右。還有引壓管的插入位置、敷設坡度過大都對測量產生很大影響。而節流裝置(孔板)密封墊片沒有按照環室尺寸加工,使得墊片伸入到管內,干擾流體穩定流動;或直管段前后過短等更是會造成流量測量不準,流量測量線性度也達不到相關要求
           
          3.4 差壓變送器零點漂移的影響
          受環境溫度、濕度及介質溫度等的影響,可能會引起差壓變送器中某些參數發生細微改變,從而影響儀表的測量準確度。比如,差壓變送器在長時間運行后,零點會一定程度上發生漂移,正漂移引起差壓偏大,儀表輸出偏大,反之則偏小。零點校零時,要確認三閥組正負壓側手閥完全關閉,平衡打開,正負壓側排空絲堵打開,連通大氣后再校零。
          3.5 操作失誤的影響
          操作員不按操作規程啟用或投用三閥組,易造成差壓變送器單向受壓,有時會讓儀表測量產生附加誤差,嚴重時會讓差壓變送器損壞。測量蒸汽的孔板流量計沒有等冷凝罐冷凝后就投用或冷凝罐液位高低不等;測量液體的流量計沒有完全排盡系統內殘氣就開始投用或者沒有正確校零,原始參數輸入不準確,均會導致流量測量不準。
           
          3.6 工藝介質變化的影響
          孔板測量數值不只是與差壓有關,還與介質的密度、壓力、溫度等參數有關,因為雷諾數受流體的速度、流束定型尺寸、粘度等影響,而流量系數又與雷諾數有很大的關系。流量系數 α 與節流孔板的幾何形狀、安裝方式、流體條件、管道條件等多種因素有關,當雷諾數低于界限雷諾數時,α 將隨著流量的減小而增大,如果忽略其他參數的影響,流量輸出將偏小 [3] 。大量實驗表明,只有流體接近充分湍流時 α 才是與流動狀態無關的常數,流量系數 α 只有在雷諾數大于某一界限值時才保持常數 [4] 。因此,孔板測量條件非常好在高雷諾數環境下測量。而使用智能型差壓變送器,里面的壓力傳感器、溫度傳感器等單元會及時完成各種參數的自動補償,降低測量誤差
           
          4 孔板流量計的日常維護及注意事項
          (1)儀表檢修后投用,對于測量氣體的孔板流量計,要排掉引壓管、差壓變送器內積液;對于測量油品的,要排掉測量系統內的水、氣體,并使得介質充滿管道;同時檢查各附屬接頭、閥門、卡套有無泄露,零點是否漂移。
          (2)孔板差壓變送器、現場接線箱等部位定期做防水檢查,特別是南方雨季、臺風來臨前,防止接線端子、電路板進水引起儀表故障或出現波動,還有對差壓變送器定期檢查零點是否漂移。
          (3)重要孔板流量計,配合工藝做好排液、排氣等工作,如分餾塔回流帶水,儀表專業要在工藝操作穩定后及時排液、排氣,校驗流量是否符合當前物料平衡要求。
          (4)針對引壓管經常帶水或測量介質帶腐蝕性的情況,儀表專業可通過打壓泵給高低壓引壓管平衡灌隔離液(選擇合適比重的隔離液)的方式,避免因引壓管帶水導致流量計測量或介質腐蝕變送器。對需要灌隔離液的流量計,要控制好打壓壓力,并注意排除氣泡,調校好儀表零位,并按規范步驟投用儀表。
          (5)加強儀表維護人員技能培訓,在投用過程中要避免變送器單向受壓、或變送器泄漏,不能讓導壓管內凝結水或隔離液流失;不可使變送器單受熱,對于蒸汽,待導壓管充滿凝結水后方可啟動變送器。
          (6)在冬季,特別是在北方,對于凝點比較低的介質,儀表專業與工藝專業要配合做好引壓管線保溫、伴熱工作,避免因天氣溫度過低導致介質在引壓管處冷凝,引起儀表測量不準。
          (7)停工檢修時,蒸汽吹掃要提前隔離變送器避免高溫損壞,對長期使用或經常波動偏差的孔板進行下線檢查,檢查直管段堵塞情況、孔板直角入口邊緣光潔度和銳利度、孔板表面垂直度、平行度等是否符合要求,如有超出設計標準,要及時對孔板進行修正或更換。
          (8)定期檢查孔板設計參數與實際參數是否一致,使得孔板流量計的測量范圍滿足精度要求,如因生產條件變化導致孔板測量不準,儀表維護人員不可隨意更改變送器參數。
           
          結束語:在日常生產操作過程中,孔板流量計出現異;蚱顣r,儀表維護人員要及時排除是否由工藝工況改變造成,然后再進一步排除是否由差壓變送器、三閥組或孔板本身引起等故障,及時排查出產生偏差的原因并解決,為生產操作提供可靠性參考,這就要求維護人員對本裝置工藝流程及介質特性有一個相對深入的了解,為快速判斷儀表故障及與工藝操作員有效溝通奠定基礎。

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