鼓風機防喘振控制中關鍵流量的準確測量

施曉東，吳小明，王余海，李永帥，杜 明

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中國石油撫順石化公司 烯烴廠機動工程部，遼寧 撫順 113001；3.中石化股份有限公司 天津分公司 電儀部儀表科，天津 300000）

0 引言

工業儀表是工廠生產的眼睛，隨著工廠自動化程度越來越高，從以前氣動儀表、電動儀表發展到目前的集散系統，把單回路控制集成到了對整個生產裝置所有控制系統的控制，可以在中央控制室足不出戶就可以控制現場的閥門，能夠及時通過對工藝設備里面的溫度、壓力、流量或液位進行控制，從而達到穩準快的控制效果。如果自動化控制系統出現問題，就會給工藝生產帶來極大傷害，特別是會對工藝產品的質量、產量甚至是安全帶來極大的影響。這對儀表穩定和可靠的運行提出了更高要求，智能化工廠建設需要智能化儀表，具有自檢測、自校準、自修正功能的儀表，可保證測量參數更加可靠和穩定。

通常工廠提供助燃空氣都是通過鼓風機輸送，鼓風機在裝置的運行中起到重要作用。其中，離心式鼓風機由于工作效率比較高被廣泛使用，但離心式鼓風機具有喘振特性，喘振對鼓風機具有嚴重的破壞性，輕則影響裝置平穩運行，重則損壞鼓風機[1,2]。為保證離心式鼓風機以及工藝裝置平穩運行，防喘振控制十分關鍵[3]，通常防喘振控制方案為：在主風機入口設置流量計[4,5]，主風機出口設置帶電磁閥的調節閥，流量計和調節閥在控制系統內組成簡單調節回路，用于控制風機出口流量；在控制系統中繪制喘振曲線和防喘振控制線，并組態調試；喘振曲線與防喘振控制線之間要預留安全閾度，安全閾度設置不僅考慮了安全控制和節約能源，更重要的是防止發生喘振。防喘振控制核心工作是對主風機入口流量準確測量[6,7]，通過實時上傳的流量值與喘振控制線的流量值比較，調節出口調節閥開度，使主風機在喘振控制線安全區域運行。

1 畢托巴流量準確計量解決方案

根據喘振特性和主風機入口的特點，采用具有脈動診斷技術的畢托巴超級智能多流量測量系統。具有獨特的自檢測、自診斷、自校準、自修正一體化體積和質量流量計量功能的畢托巴超級智能多流量測量系統，是畢托巴公司推出的具有技術創新的方案，采用畢托巴“脈動技術”流量計，可有效解決流量測量中在安裝直管段不足等情況下的測量精度問題。在流量計傳感器設計上采用多點取壓，分別采用導管對應各自取壓孔的壓力傳導到各自的多參量流量內形成獨立的流量計量單元，并不是簡單地將多個取壓孔通過一個導壓空腔混合成一路取壓。不同的流量計量單元同時測量同一截面的流量，通過匯總多個流量測量單元的流量，能夠可靠地測量出安裝截面的流量。在流量測量的同時，可動態進行對比不同流量計量單元測量的數據，儀表或系統通過不同流量單元測量的流量做流量平均值或兩兩平均相互比較，可以判別出每個流量測量單元的偏離平均流量超出誤差范圍，可以自動屏蔽，形成自診斷、自校準，以保證測量準確度，具體如圖1、圖2。

圖1 流量計安裝圖Fig.1 Flowmeter installation diagram

圖2 測量原理Fig.2 Measurement principle

1.1 自修正校準原理

在同一傳感器中，插入管道部分傳感器有不同的位置（插入深度不同）、不同的傳壓孔、不同的測量通道，采用不同的變送器進行測量。出廠標定時分別標定不同測量通道的校準數據，獲得每個位置對應的管道流量數據，實際應用中當某一位置流量發生偏離后，通過動態自動診斷、不同通道流量對比功能，及時報警提示偏離正常流量的通道，對于偏離的數據，自動屏蔽該位置計量偏差大的通道的流量數據，輸出正常通道的流量數據。

1.2 管道結垢測量原理

通常管道流動中心流速高，靠近邊界層流速低，如圖3。根據速度剖面分布，距離管道中心的不同位置點對應的差壓值不同，位置與差壓之間具有一種函數關系。與正常管道相比，若管道產生結垢，在同一流量下介質的平均流速會變快，如圖4。但不同的位置點相對距管道邊緣的比例發生變化，對不同位置點的差壓影響不同，通過流量計處理器計算差壓函數的變化比較，判斷管道是否有結垢產生，如圖5。

圖3 通常管道流動速度分布Fig.3 Flow velocity distribution in a typical pipeline

圖4 結垢管道流動速度分布Fig.4 Flow velocity distribution of fouling pipeline

圖5 正常與結垢管道速度分布對比Fig.5 Comparison of velocity distribution of normal and scaled pipelines

1.3 防堵效果

流量探頭以其卓越的背靠背防堵式設計，徹底擺脫了流量探頭易堵塞的弊端，傳感器內部介質只是起到壓縮傳導壓力作用是不流動，探頭前部因介質流動受傳感器阻擋形成高壓區，取壓孔在高壓區處介質不流動，取壓孔側方形成高流速區域，雜質不會進入到高壓區的取壓孔內；雜質受自身重力作用自然下落，會在高流速區域的帶動下流動到傳感器的下游，阻止了顆粒進入取壓孔；傳感器的獨特結構不易受磨損、雜質的影響，沒有可以活動的部件，一體化結構避免了高、低壓腔室之間的信號滲漏。實踐證明，防堵型畢托巴傳感器達到了理想的防堵性能和穩定的取壓功能，長期運行精確度高，計量檢測數據可靠。

1.4 穩定效果

流量計探頭采用開放“V”形結構，正壓迎流孔在斜面中心區域，充分感受介質流動在迎流面的壓力，并且取壓孔能夠有效地遠離邊緣，取壓受介質流動在側方形成的干擾波動影響小；負壓孔在緊靠正負壓腔分割面，能夠第一時間感受到介質流動脫離阻力件形成的流動負壓，且介質流動形成的渦旋在分割面影響最小，流量傳感器會形成穩定的差壓，如圖6。流量計和介質充分接觸位置為金屬機械部件，受工況條件金屬材質只有微量的膨脹系數對測量數據沒有影響，容易受環境影響的電子部件在外部，可以通過外部防護措施使其有較好的運行環境。所以流量計計量時抗干擾能力強，能夠準確地計量介質的流量。

圖6 傳感器形成差壓流場圖Fig.6 The differential pressure flow field diagram formed by the sensor

2 具體應用

鎮海煉化四硫磺主風機K101A/B主風機（圖7）入口流量測量最初采用均速管流量計配單臺高精度微差壓變送器，控制系統如圖8。由于主風機出口直管段很短，流態不穩，流量計測量嚴重失準，實際已進入喘振控制線的數據但系統顯示并未進入喘振區，導致防喘振難以控制，為此該主風機經常發生喘振現象。同時由于該流量測量值波動大，導致系統對主風機出口調節閥輸出隨之波動大，造成該主風機工作點偏移量較大，主風機無法穩定運行，在安全區和喘振區頻繁切換，導致防喘振閥、變頻器等設備的超負荷運行，甚至損壞。

圖7 鎮海煉化四硫磺主風機Fig.7 Four-sulfur main blower of Zhenhai refinery

圖8 控制系統流程圖Fig.8 Control system flow chart

經過現場檢查和核算，發現由于流量計安裝位置管道的直管段長度不足，原采用均速管流量計無法準確測量氣體流量，且輸出流量波動劇烈，對日常工藝運營產生了負面影響。經過與業主單位儀表中心反復論證和比對，證實該均速管流量計無法準確測量主風機入口流量，提出了采用畢托巴“脈動技術”流量計，由3個探頭組合測量實現。通過前期大量實驗標定總結，完成流量制做，并順利完成了流量計安裝，安裝過程如圖9。在試運行調試過程中，發現流量準確性已經得到改善，但測量數據波動仍會出現2000Nm3/h以上的波動情況，具體如圖10。在做了差壓濾波、增大阻尼系數、現場檢漏等多種措施后，波動未得到有效解決。后經畢托巴公司與業主單位儀表中心反復分析原因，現場管道防雨帽影響流場變化較大，通過重新按現場繪制圖紙，采用流場分析軟件，模擬現場流場分布情況，重新分析尋找到相對穩定的流場位置點，重新定位將流量計插入深度由原來的330mm調整為450mm，并根據管道流場分布系數，修正后有效解決了數據不穩定等問題。正式投用后，流量波動在1500Nm3/h以內，DCS顯示的曲線波動情況完全達到工藝控制要求，詳見調試前后實際流量趨勢圖，具體如圖11。

圖9 安裝過程Fig.9 Installation process

圖10 調試前流量波動Fig.10 Fluctuation of flow before commissioning

圖11 調試后流量波動Fig.11 Flow fluctuation after debugging

主風機入口流量計既參與出口流量調節，又參與防喘振控制。因此，該流量計的選型至關重要。本次改造主風機入口流量計選用畢托巴“脈動技術”流量計，該流量計具有壓損小、精度高、重復性好、防堵性和安全性好等特點，十分適合該工況。同時，通過獲得管道介質流場的相對穩定點，降低了差變數值波動幅度，解決了流量數據波動大的問題。

3 結束語

在工業防喘振控制方案中，入口流量的準確測量是重中之重，特別是在直管段很短的大口徑管道中的流量準確測量堪稱技術“瓶頸”。畢托巴“脈動技術”流量計在鎮海煉化四硫磺主風機出口流量測量準確，取得很好的效果，有效避免喘振發生，解決了湍流狀態流體場的測量準確性問題，解決了流量數據波動大的問題。畢托巴公司在喘振控制中既考慮了安全性，又照顧到了可操作性，保證了設備長周期安全運行，提高了裝置經濟效益的產出。

畢托巴公司長期致力于技術先進的流量計量解決方案，尤其在復雜工況流體方面，努力提高流量計量的準確度和穩定性，為我國冶金、鋼鐵、石化等企業動力設備的安全運行和裝置平穩生產起到了關鍵的技術支撐作用。