雙量程差壓流量計(jì)在火炬控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫魯，王石濤，紀(jì)波峰，紀(jì)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(dòng)化儀表有限公司，上海200070）

1 蒸汽在火炬系統(tǒng)中的作用

在采油平臺(tái)、煉油廠等石化企業(yè)，一般均配有火炬系統(tǒng)，這對(duì)保證工藝裝置安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境和節(jié)能降耗具有重要意義。火炬系統(tǒng)的主要任務(wù)是將可燃的有毒和腐蝕性氣體通過(guò)燃燒變成無(wú)害或毒害較輕的化合物，減少對(duì)環(huán)境的污染。

火炬氣來(lái)源于生產(chǎn)流程的馳放氣以及遍布各處的安全閥，暫時(shí)不能利用的可燃?xì)怏w也送至火炬系統(tǒng)燃燒。各種來(lái)源的火炬氣經(jīng)支管匯集到主管，經(jīng)氣液分離器和水封送火炬系統(tǒng)［1］，在火炬頭用點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃燃燒。為了使火炬氣充分燃燒，理論分析和運(yùn)行實(shí)踐表明，火炬氣在到達(dá)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(tǒng)自控設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是配置一套適用的火炬氣流量計(jì)和一套適用的蒸汽流量計(jì)，并將兩路流量信號(hào)送入DCS（或調(diào)節(jié)儀表）實(shí)現(xiàn)比值調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示［2］。

圖1 消煙蒸汽與火炬氣的比值控制系統(tǒng)示意

在圖1所示的系統(tǒng)中，水蒸氣流量與火炬氣流量保持合適的比例至關(guān)重要，消煙蒸汽不足，火炬氣燃燒不充分，將引起環(huán)境污染。而消煙蒸汽過(guò)量，雖然燃燒充分，但提高了運(yùn)行成本，浪費(fèi)能源。例如某石化公司的地面火炬系統(tǒng)，消煙蒸汽流量計(jì)的最大流量設(shè)計(jì)為45t／h，如果浪費(fèi)的蒸汽達(dá)到滿量程流量的1%，浪費(fèi)的蒸汽可達(dá)3 800t／a。因此，蒸汽流量測(cè)量在火炬氣系統(tǒng)中至關(guān)重要。

2 火炬蒸汽流量測(cè)量的難點(diǎn)

在石化企業(yè)，由于火炬氣來(lái)自各個(gè)裝置的安全閥和若干尾氣排放口，在生產(chǎn)正常進(jìn)行的情況下，安全閥并不開啟，因而火炬氣流量很小，主管內(nèi)火炬氣流速往往低于0.3m／s，而在事故狀態(tài)下，流速可能陡增100倍，甚至短時(shí)間達(dá)到60m／s［3］。因?yàn)闊o(wú)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(nèi)變化，例如某石化公司的地面火炬蒸汽流量計(jì)，工藝專業(yè)要求滿刻度流量為45t／h，而最小流量?jī)H為0.5t／h，按照常規(guī)方法選用的流量計(jì)都不能滿足該要求。如蒸汽流量計(jì)的使用條件是p＝1.0MPa，t＝270℃，管道DN450，如果采用渦街流量計(jì)，利用選型軟件計(jì)算，就應(yīng)選DN250渦街流量計(jì)，在上述工況條件下，下限流量只能達(dá)到約4t／h，與工藝要求相差甚遠(yuǎn)。

3 新的測(cè)量方法及原理

在傳統(tǒng)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(cè)量任務(wù)，即1套大表1套小表，在流量大時(shí)用大表，在流量小時(shí)用小表。2套儀表均覆蓋10倍的量程比，相互配合實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，即可覆蓋100倍的量程比。

儀表制造廠已經(jīng)定型生產(chǎn)的雙量程差壓流量計(jì)，由1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)差壓裝置、1臺(tái)低量程差壓變送器、1臺(tái)高量程差壓變送器和1臺(tái)流量演算器組成，另有1支溫度傳感器和1臺(tái)壓力變送器分別測(cè)量蒸汽溫度和壓力，并將信號(hào)送入流量演算器進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償。其測(cè)量系統(tǒng)圖如圖2所示［4］。

圖2 輸出4～20mA信號(hào)的雙量程差壓流量計(jì)原理

雙量程差壓流量計(jì)擴(kuò)大量程比的核心：增設(shè)低量程流量計(jì)，但從儀表外形看只增加了1臺(tái)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(shè)1臺(tái)低量程差壓變送器，大幅提高了量程低段的差壓測(cè)量精確度，從而提高量程低段的流量測(cè)量精確度，使得流量量程比得到擴(kuò)大。

儀表制造廠提供的技術(shù)數(shù)據(jù)表明，新型雙量程差壓流量計(jì)的不確定度與被測(cè)流體的種類有關(guān)，而且同所配用的差壓變送器精確度等級(jí)有關(guān)。當(dāng)所配用的差壓變送器為0.065級(jí)或優(yōu)于0.065級(jí)并且合理確定低量程上限時(shí)，系統(tǒng)不確定度和量程比如下［5－7］：

被測(cè)流體為液體：±1.0%讀數(shù)值，3%～100%FS區(qū)間；±1.0%低量程上限，1%～3%FS區(qū)間；量程比為100∶1。

被測(cè)流體為氣體、蒸汽：±1.5%讀數(shù)值，3%～100%FS區(qū)間；±1.0%低量程上限，1%～3%FS區(qū)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(cè)量滿管流體流量》和GB／T 21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)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(shí)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(yùn)算在差壓變送器中完成。小信號(hào)切除點(diǎn)一般可取1%FS，當(dāng)被測(cè)流體為干氣體時(shí)，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(duì)應(yīng)關(guān)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(shù)量級(jí)來(lái)看是個(gè)不小的數(shù)值。

圖3 變送器輸出與流量的關(guān)系

系統(tǒng)不確定度與相對(duì)流量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)不確定度與流量的關(guān)系

4 雙量程差壓流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與安裝

儀表制造廠供應(yīng)的雙量程差壓流量計(jì)一般制成一體化結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 雙量程差壓流量計(jì)的典型結(jié)構(gòu)

一體化結(jié)構(gòu)有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）圖5中的各部分由儀表制造廠按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和圖紙組裝，從而避免施工隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)組裝可能引起的差錯(cuò)與缺陷。

2）一體化結(jié)構(gòu)的導(dǎo)壓管很短，從而消除長(zhǎng)引壓管引起的差壓信號(hào)傳遞失真。

3）現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，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(yùn)行情況

雙量程差壓流量計(jì)安裝到地面火炬現(xiàn)場(chǎng)后，流量演算器為導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，安裝在端子箱內(nèi)，經(jīng)各項(xiàng)補(bǔ)償后的代表蒸汽質(zhì)量流量的信號(hào)以4～20mA形式送至DCS顯示進(jìn)而實(shí)現(xiàn)比值控制。

雙量程差壓流量計(jì)的突出優(yōu)勢(shì)是在相對(duì)流量很小時(shí)的測(cè)量能力強(qiáng)。由于火炬氣流量是每時(shí)每刻變化的，所以蒸汽流量也是一直在變化，從趨勢(shì)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(yùn)3a多以來(lái)，一直在穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，未發(fā)生過(guò)故障。至于儀表實(shí)際達(dá)到的測(cè)量精確度，由于不是用于貿(mào)易交接，未申請(qǐng)計(jì)量機(jī)關(guān)檢定與實(shí)流標(biāo)定。

［1］姚桂華.HG／T 20570.12—1995火炬系統(tǒng)設(shè)置［S］.北京：化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1996.

［2］于恩深.火炬氣的質(zhì)量流量測(cè)量［J］.石油化工自動(dòng)化，1999，35（05）：82－84.

［3］紀(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：211－214.

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

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

［6］程建三，紀(jì)綱.雙量程差壓流量計(jì)的新進(jìn)展［J］.石油化工自動(dòng)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(cè)量滿管流體流量［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［8］黃和，宋德琦，游明定，等.GB／T 21446—2008用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［9］紀(jì)綱，紀(jì)波峰.流量測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷集錦［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：264－268.

［10］俞旭波，紀(jì)波峰，紀(jì)綱.一體化差壓流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)與實(shí)施［J］.石油化工自動(dòng)化，2014，50（02）：17－20.