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

蒸汽流量計作為煉油企業(yè)重要的計量用流量計，它的準(zhǔn)確性和可靠性對全廠蒸汽系統(tǒng)的平衡、節(jié)能降耗具有重要的作用。同時作為企業(yè)貿(mào)易交接用流量計，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，年需支付費用大約5 億元。由于對苯二甲酸行業(yè)工藝成熟，增潛挖效的主要途徑就是降低能耗成本。巨大的蒸汽消耗費用的開支占能耗費用比例較大。因此，準(zhǔn)確的計量蒸汽數(shù)量對企業(yè)效益具有重要意義[1]。

高壓蒸汽從A 公司動力站管輸?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)。平衡式孔板流量計對汽液兩相態(tài)蒸汽無法準(zhǔn)確測量，給結(jié)算計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，每個壓力等級的蒸汽從系統(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)荷變化都不會影響B(tài) 公司的用汽穩(wěn)定性。現(xiàn)由于B 公司實際工況用汽量與設(shè)計工況下用汽量差異較大，以及設(shè)計安裝不合理，對蒸汽的測量范圍、量程提出了更高的考驗。

下面從蒸汽的品質(zhì)、汽液兩相流、雙方界區(qū)流量計的安裝、節(jié)流元件的設(shè)計、管線設(shè)計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，對于技術(shù)無法解決的，通過建立管理機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)手段對蒸汽狀態(tài)實時作出明確判斷，蒸汽按照過熱蒸汽進(jìn)行質(zhì)量計算。

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，溫壓補償查出的密度和蒸汽實際密度是相符合的，不會因為進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)導(dǎo)致流量計的測量誤差增大。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)確計算[2]。

界區(qū)某個計量時間點雙方流量計的溫度和壓力如表1 所示。

表1 某個計量時間點A 公司計量表和B 公司計量表的溫度和壓力

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，從而造成下游計量儀表的測量值小于上游計量儀表的測量值。這種因為熱損的存在產(chǎn)生的雙方流量計計量差異技術(shù)上無法完全消除。雙方加強儀表維護(hù)、巡檢，做好計量儀表之間的管線保溫，從管理上的提升減小雙方計量儀表的差異是可行的。

在A 公司流量計后，B 公司流量計前，因管道高度差較大，管道有低點排凝疏水，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)行計量，排凝對雙方計量差異的影響無法準(zhǔn)確計算。但是，因考慮到排凝是工藝安全設(shè)計必須存在的，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，流量計實際工況下的流量小于測量范圍的1/3，不在流量計的最佳運行范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致流量測量值不夠精確。從而引起雙方流量計測量誤差較大。

表2 B 公司設(shè)計工況和實際工況

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

表3 采購流量計參數(shù)

因生產(chǎn)工藝需要，新采購流量計在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)有流量計的比對依據(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為平衡式流量計，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)高壓蒸汽流量計的計算原理：

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。

溫壓補償輸出原理：

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

4.1 雙方溫壓補償設(shè)置不同對測量帶來的影響及解決措施

流量計投入初期，B 公司流量計參數(shù)配置溫度和壓力為儀表計算書上的設(shè)計溫度330 ℃，設(shè)計壓力9.4 MPa，A 公司流量計參數(shù)配置為實際工況下測得的實時溫度、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(同時降低)而降低。

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

基于此判斷，B 公司溫壓補償更改為實際工況下的動態(tài)溫度、壓力進(jìn)行補償計算。運行一段時間后，經(jīng)比對雙方流量計差異減小。高壓蒸汽計量偏差率如圖1所示。

圖1 高壓蒸汽計量偏差率

4.2 雙方流量計壁厚不同對測量帶來的影響及解決措施

雙方流量計壁的測量如表4 所示。

表4 雙方流量計壁的測量

依據(jù)公式(1)：雙方界區(qū)流量計直徑不同的情況下，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)算計量的重要性，雙方認(rèn)可待新流量計投用后進(jìn)行。

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

差壓式流量計差壓信號管路的安裝：為保證節(jié)流裝置的輸出差壓可靠，準(zhǔn)確度傳遞到差壓計或差壓變送器上，差壓信號管路應(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：

(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)差壓信號傳送距離大于30 mm 時，導(dǎo)壓管應(yīng)分段傾斜，并在各最高點和最低點分別裝設(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，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：流量計處增加操作平臺，將流量變送器由地面改至操作平臺，降低引壓管長度引起的計量誤差。

6 蒸汽流量計閥門選材不當(dāng)和計量器具維護(hù)管理不到位對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，閥門泄漏對計量引起的影響導(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，在用四臺正負(fù)壓側(cè)全部更換為鉻鉬材質(zhì)閥門，更換后運行半年以來未發(fā)生漏氣。因此，高壓蒸汽管道的閥門選材會對計量造成影響，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格進(jìn)行適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的選材選型。

高壓蒸汽計量器具的維護(hù)管理方面。投用初期因雙方流量計之間的保溫棉未安裝，導(dǎo)致溫?fù)p壓損較大，計量差異量大。結(jié)算用蒸汽流量計量器具從出廠到報廢的全壽命周期良好的管理是保障計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時性的基礎(chǔ)。從設(shè)計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)計選型選材的把關(guān)，避免考慮不周引起的計量問題。

結(jié)算用計量器具的巡檢方面，儀表部門安排每個月對每臺計量器具巡檢一次。單位計量周期的巡檢頻次較低，對于現(xiàn)場發(fā)生問題的流量計和閥門不能及時發(fā)現(xiàn)和處理。專業(yè)部門應(yīng)當(dāng)加強貿(mào)易結(jié)算用計量器具和管線的巡檢頻次。

高壓蒸汽計量器具應(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，實行一線一表送料制，原則上在送料方安裝計量表，以送料方流量計作為結(jié)算依據(jù)。做好管線、計量器具的保溫、維護(hù)。高壓蒸汽計量器具配備應(yīng)滿足或優(yōu)于GB 17167—2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》、GB/T 20901—2007 《石油石化行業(yè)能源計量器具配備和管理要求》的要求；新購置的高壓蒸汽計量器具必須具有齊全的標(biāo)志和說明書，包括出廠編號、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)算用高壓蒸汽計量流量計的數(shù)據(jù)采集應(yīng)具有計量數(shù)據(jù)趨勢查詢、流量計狀態(tài)檢測和故障報警等功能。

對于常規(guī)的設(shè)備，判斷其運行狀況，可以通過實時監(jiān)測流量、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、振動等參數(shù)進(jìn)行判斷，但是對于高壓蒸汽計量用器具，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。各級管理層通過管理軟件對現(xiàn)場儀表、管線運行狀態(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，定期對管線的保溫進(jìn)行檢測評估，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測量準(zhǔn)確，尤其對于企業(yè)之間進(jìn)行互供的貿(mào)易結(jié)算用流量計，必須嚴(yán)格執(zhí)行企業(yè)制度《計量儀表及標(biāo)準(zhǔn)儀器管理辦法》和《計量管理規(guī)定》，按制度要求進(jìn)行選型選材設(shè)計、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)運行。

7 結(jié)語

綜上所述，在高壓蒸汽計量過程中，流量計、管道、閥門的選材選型是否標(biāo)準(zhǔn)，流量計的安裝是否符合規(guī)范要求，蒸汽流量計管線的日常維護(hù)管理是否及時都會對蒸汽測量結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。因此，在流量計的設(shè)計、選型、安裝、維護(hù)及使用過程中，必須考慮到各項影響因素，貿(mào)易雙方前期對每個環(huán)節(jié)進(jìn)行充分的信息溝通，對出現(xiàn)的問題和不一致進(jìn)行及時消除解決，主動去消除影響流量計準(zhǔn)確計量的因素，對貿(mào)易結(jié)算的公平公正具有重要作用。同時也能夠為企業(yè)能源統(tǒng)計提供準(zhǔn)確、及時、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。