雙量程差壓流量計在火炬控制系統中的應用

孫魯，王石濤，紀波峰，紀綱

（1.中石化上海工程有限公司，上海200120；2.中石化上海高橋分公司，上海200137；3.上海同欣自動化儀表有限公司，上海200070）

1 蒸汽在火炬系統中的作用

在采油平臺、煉油廠等石化企業，一般均配有火炬系統，這對保證工藝裝置安全生產、保護環境和節能降耗具有重要意義。火炬系統的主要任務是將可燃的有毒和腐蝕性氣體通過燃燒變成無害或毒害較輕的化合物，減少對環境的污染。

火炬氣來源于生產流程的馳放氣以及遍布各處的安全閥，暫時不能利用的可燃氣體也送至火炬系統燃燒。各種來源的火炬氣經支管匯集到主管，經氣液分離器和水封送火炬系統［1］，在火炬頭用點火裝置點燃燃燒。為了使火炬氣充分燃燒，理論分析和運行實踐表明，火炬氣在到達火炬頭之前須用合適比例的水蒸氣稀釋（此處的水蒸氣又叫消煙蒸汽），因而火炬系統自控設計的重點是配置一套適用的火炬氣流量計和一套適用的蒸汽流量計，并將兩路流量信號送入DCS（或調節儀表）實現比值調節，調節系統如圖1所示［2］。

圖1 消煙蒸汽與火炬氣的比值控制系統示意

在圖1所示的系統中，水蒸氣流量與火炬氣流量保持合適的比例至關重要，消煙蒸汽不足，火炬氣燃燒不充分，將引起環境污染。而消煙蒸汽過量，雖然燃燒充分，但提高了運行成本，浪費能源。例如某石化公司的地面火炬系統，消煙蒸汽流量計的最大流量設計為45t／h，如果浪費的蒸汽達到滿量程流量的1%，浪費的蒸汽可達3 800t／a。因此，蒸汽流量測量在火炬氣系統中至關重要。

2 火炬蒸汽流量測量的難點

在石化企業，由于火炬氣來自各個裝置的安全閥和若干尾氣排放口，在生產正常進行的情況下，安全閥并不開啟，因而火炬氣流量很小，主管內火炬氣流速往往低于0.3m／s，而在事故狀態下，流速可能陡增100倍，甚至短時間達到60m／s［3］。因為無煙燃燒要求蒸汽流量與火炬氣流量保持一定的比值，所以蒸汽流量要求在較寬的范圍內變化，例如某石化公司的地面火炬蒸汽流量計，工藝專業要求滿刻度流量為45t／h，而最小流量僅為0.5t／h，按照常規方法選用的流量計都不能滿足該要求。如蒸汽流量計的使用條件是p＝1.0MPa，t＝270℃，管道DN450，如果采用渦街流量計，利用選型軟件計算，就應選DN250渦街流量計，在上述工況條件下，下限流量只能達到約4t／h，與工藝要求相差甚遠。

3 新的測量方法及原理

在傳統方法不能滿足工藝要求的情況下，考慮采用2套儀表配合完成測量任務，即1套大表1套小表，在流量大時用大表，在流量小時用小表。2套儀表均覆蓋10倍的量程比，相互配合實現無縫連接，即可覆蓋100倍的量程比。

儀表制造廠已經定型生產的雙量程差壓流量計，由1臺標準差壓裝置、1臺低量程差壓變送器、1臺高量程差壓變送器和1臺流量演算器組成，另有1支溫度傳感器和1臺壓力變送器分別測量蒸汽溫度和壓力，并將信號送入流量演算器進行溫度壓力補償。其測量系統圖如圖2所示［4］。

圖2 輸出4～20mA信號的雙量程差壓流量計原理

雙量程差壓流量計擴大量程比的核心：增設低量程流量計，但從儀表外形看只增加了1臺差壓變送器，而差壓裝置、溫度傳感器、壓力變送器和流量演算器是借用高量程的。由于增設1臺低量程差壓變送器，大幅提高了量程低段的差壓測量精確度，從而提高量程低段的流量測量精確度，使得流量量程比得到擴大。

儀表制造廠提供的技術數據表明，新型雙量程差壓流量計的不確定度與被測流體的種類有關，而且同所配用的差壓變送器精確度等級有關。當所配用的差壓變送器為0.065級或優于0.065級并且合理確定低量程上限時，系統不確定度和量程比如下［5－7］：

被測流體為液體：±1.0%讀數值，3%～100%FS區間；±1.0%低量程上限，1%～3%FS區間；量程比為100∶1。

被測流體為氣體、蒸汽：±1.5%讀數值，3%～100%FS區間；±1.0%低量程上限，1%～3%FS區間；量程比為100∶1。

不確定度估算符合GB／T 2624—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》和GB／T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》［8－9］。

低量程差壓上限一般取高量程上限FS的17.321%［10］。這時低量程變送器差壓上限值為高量程變送器差壓上限值的3%，開平方運算在差壓變送器中完成。小信號切除點一般可取1%FS，當被測流體為干氣體時，可更小一些。低量程差壓變送器和高量程差壓變送器的輸出與流量之間的對應關系如圖3所示。從中可看出，低量程差壓變送器最小輸出為4.92mA，從數量級來看是個不小的數值。

圖3 變送器輸出與流量的關系

系統不確定度與相對流量的關系如圖4所示。

圖4 系統不確定度與流量的關系

4 雙量程差壓流量計的結構與安裝

儀表制造廠供應的雙量程差壓流量計一般制成一體化結構，如圖5所示。

圖5 雙量程差壓流量計的典型結構

一體化結構有以下四個優點：

1）圖5中的各部分由儀表制造廠按相關標準和圖紙組裝，從而避免施工隊現場組裝可能引起的差錯與缺陷。

2）一體化結構的導壓管很短，從而消除長引壓管引起的差壓信號傳遞失真。

3）現場安裝時，只需將工藝管道截去一段，將帶有前后直管段的儀表焊接好即可，安裝方便。

4）安裝工作量小，縮短工期。

以上安裝方式中，儀表與工藝管之間可采用法蘭連接，也可采用直接焊接。

5 儀表運行情況

雙量程差壓流量計安裝到地面火炬現場后，流量演算器為導軌式結構，安裝在端子箱內，經各項補償后的代表蒸汽質量流量的信號以4～20mA形式送至DCS顯示進而實現比值控制。

雙量程差壓流量計的突出優勢是在相對流量很小時的測量能力強。由于火炬氣流量是每時每刻變化的，所以蒸汽流量也是一直在變化，從趨勢圖記錄到的最小流量為500kg／h，從而滿足了工藝要求，儀表投運3a多以來，一直在穩定可靠地運行，未發生過故障。至于儀表實際達到的測量精確度，由于不是用于貿易交接，未申請計量機關檢定與實流標定。

［1］姚桂華.HG／T 20570.12—1995火炬系統設置［S］.北京：化工部工程建設標準編輯中心，1996.

［2］于恩深.火炬氣的質量流量測量［J］.石油化工自動化，1999，35（05）：82－84.

［3］紀綱.流量測量儀表應用技巧［M］.北京：化學工業出版社，2009：211－214.

［4］陳勇，馬璐文，陳新亮，等.雙量程差壓流量計不確定度和量程比［J］.石油化工自動化，2013，49（05）：52－56.

［5］魏崢，謝林，紀波峰，等.雙量程差壓流量不確定度和量程比的驗證［J］.石油化工自動化，2013，49（06）：54－57.

［6］程建三，紀綱.雙量程差壓流量計的新進展［J］.石油化工自動化，2009，45（02）：54－57.

［7］李明華，彭淑琴，龍竹霖，等.GB／T 2624—2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［8］黃和，宋德琦，游明定，等.GB／T 21446—2008用標準孔板流量計測量天然氣流量［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［9］紀綱，紀波峰.流量測量系統遠程診斷集錦［M］.北京：化學工業出版社，2012：264－268.

［10］俞旭波，紀波峰，紀綱.一體化差壓流量計的優勢與實施［J］.石油化工自動化，2014，50（02）：17－20.