提高蒸汽計量準確性的方法研究

李智慧

摘 要：根據(jù)中國石化洛陽石化公司蒸汽差率大產(chǎn)生的原因，本文提出了計量器具全過程管理的具體做法和使用雙向流量計消除蒸汽系統(tǒng)工藝盲點的思路，探討了節(jié)能減排新形勢下企業(yè)蒸汽計量管理再上新臺階的設想。

關鍵詞：蒸汽;差率;計量;準確性

中圖分類號：TH814文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0123-04

Research on Methods of Improving the Accuracy of Steam Measurement

LI Zhihui

（Sinopec Luoyang Petrochemical Company，Luoyang Henan 471012）

Abstract： According to the reason for the large steam difference of Sinopec Luoyang Petrochemical Company， this paper proposed the specific method of the whole process management of measuring instruments and the idea of using two-way flowmeter to eliminate the blind spots of the steam system， and discussed the idea of enterprise steam metering management to a new level under the new situation of energy saving and emission reduction.

Keywords： steam;difference rate;measure;veracity

中國石化洛陽石化公司（簡稱洛陽石化）低壓蒸汽供汽方共有10個界區(qū)，用汽方共有20個界區(qū)（冬季采暖用汽單位不計），共有99塊蒸汽計量表。中壓蒸汽供汽方共有6個界區(qū)，用汽方共有18個界區(qū)，共有58塊蒸汽計量表。

1 企業(yè)蒸汽能源計量現(xiàn)狀

蒸汽計量由各單位提報數(shù)據(jù)到MES系統(tǒng)，檢驗計量中心數(shù)據(jù)管理崗位進行合理還原后，每月發(fā)布一次用能情況。2020年1—7月，洛陽石化中低壓蒸汽綜合差率情況如表1所示。

從表1可以看出，洛陽石化蒸汽綜合差率為5%左右，隨著節(jié)能減排工作的深入開展，人們需要進一步提高計量準確性，減少差量，降低差率。

2 提高蒸汽計量準確性的辦法

蒸汽差率大的原因主要有兩點，一是蒸汽計量器具測量誤差大，二是蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)計量存在盲點[1-2]。

2.1 加強計量器具全過程管理，提高計量準確性

2.1.1 做好計量器具選型，減小測量誤差。流量計的初步選型要根據(jù)工藝參數(shù)、運行環(huán)境、所測介質等情況綜合考慮，使配置的流量計準確度、穩(wěn)定性、測量范圍及分辨率滿足測量點的要求，并且設備性能可靠，易于維修，安裝方便[3]。選擇合適的計量器具是提高計量準確性的前提，幾種常用蒸汽流量計的特點如表2所示。

2.1.2 保證計量器具在適當?shù)墓r條件下運行，提高蒸汽測量的準確性。不合適的工況條件主要是指工藝參數(shù)提報得不準確或工藝條件變化后新的工藝條件不能滿足原流量計的計量要求和計量器具參數(shù)不合適，這兩種情況會使蒸汽計量表測量不到數(shù)據(jù)或者測得的數(shù)據(jù)不準確。

工藝條件不能滿足原流量計的計量要求時，平時比較常見的是計量不準確、超程或無流量，2015年大檢修期間，某裝置新上水表計量確認時，流量計無流量顯示，對流量計進行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，就對裝置提報的工藝參數(shù)重新核對，結果發(fā)現(xiàn)，提報的工藝流量是120 t/h，設計部門據(jù)此進行計量器具的選型。實際上，大檢修后，由于工藝線路變化，該管線只有8～10 t/h的流量，流速太小造成流量計測量不到流量，僅此一項，對全廠新鮮水的差率影響約為0.6%。

計量器具參數(shù)不合適對準確度的影響很大，下面對節(jié)流式蒸汽流量計進行分析。節(jié)流式流量計用于蒸汽計算的實用公式為：

[qm=C1-β4επ4d22ΔPρ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[qm]為質量流量，kg/s;[C]為流出系數(shù);[β]為直徑比，即[d/D];[ε]為流束膨脹性系數(shù);[ΔP]為差壓，Pa;[ρ]為流體密度，kg/m3;[d]為工作條件下節(jié)流件的孔徑，mm;[D]為工作條件下上下游管道內(nèi)徑，mm。

這里的流出系數(shù)指的是通過節(jié)流裝置的實際流量值與理論流量值的比值，將它應用到理論流量方程中以獲得實際的流量。對于給定的節(jié)流裝置，流出系數(shù)是雷諾數(shù)的函數(shù)，在一定的工藝條件下，[C]值是一個固定值。在大多數(shù)智能二次儀表或DCS中，人們都將流出系數(shù)按常數(shù)進行流量計算，但圖1中（以法蘭取壓孔板為例），雷諾數(shù)[ReD]≥104時，流出系數(shù)[C]和雷諾數(shù)[ReD]的關系才進入線性區(qū)，才能將流出系數(shù)[C]視為常數(shù)。當雷諾數(shù)[ReD]<104時，誤差是顯而易見的。這將造成蒸汽計量測量的較大誤差。這種誤差隱蔽性很強，差量小時不太容易發(fā)現(xiàn)，往往在差量變大或進行計量確認時被發(fā)現(xiàn)。

2.1.3 優(yōu)選具有溫壓補償?shù)牧髁坑?，提高蒸汽計量準確性。無論是差壓式蒸汽流量計還是渦街蒸汽流量計，都是速度式流量計，測的都是介質的體積，中國石油化工集團有限公司蒸汽默認按噸進行計量，蒸汽的質量流量等于體積流量乘以密度，因此，人們需要得到準確性較高的蒸汽密度。

蒸汽是比較特殊的介質，沒有固定的密度，其密度隨壓力和溫度而變化，壓力越大，蒸汽的密度越大，溫度越高，蒸汽密度越小。

經(jīng)過查尋相關表格，同樣是0.3 MPa的蒸汽，150 ℃時的密度為2.12 kg/m3，180 ℃時為1.96 kg/m3，其差率為（2.12-1.96）/2.12×100%=7.55%;同樣是220 ℃的蒸汽，1.15 MPa時的密度為5.84 kg/m3，0.90 MPa時為4.61 kg/m3，其差率為（5.84-4.61）/5.84×100%=21.06%。

由此可知，對于確定的蒸汽流量計，蒸汽密度準確性直接決定著蒸汽計量的準確性，在蒸汽壓力和溫度經(jīng)常變化的條件下工作，采取合適的溫度壓力補償措施，是準確測量蒸汽質量流量的關鍵影響因素。

2016年，洛陽石化對內(nèi)部蒸汽計量器具進行排查，7月份給36臺蒸汽表增加了溫壓補償。一是對原計量表帶有溫度壓力測點的表計，在組態(tài)中將溫度壓力補償加入進來;二是對原計量表未帶有溫度壓力測點，但有工程師站或流量計算器的表計，抽取能代表其工況的溫度壓力參數(shù)進行組態(tài)，作為權宜之計;三是對不具備加入溫壓補償?shù)谋碛?，?nèi)置合適的工藝參數(shù)。還有小部分早期的表計，如發(fā)變電5#機的中壓蒸汽流量計，現(xiàn)場只有一塊老舊的孔板流量計，既沒有接入DCS，也沒有流量計算器，不具備組態(tài)條件，仍然處于沒有溫壓補償?shù)臓顟B(tài)。

經(jīng)過上述工作后，流量計顯示流量有一定變化，某裝置原產(chǎn)汽計量表無溫壓補償，產(chǎn)汽量未14 t/h左右，增加溫壓補償后，產(chǎn)汽量降至12 t/h，合每月減少差量1 000多噸，對蒸汽差率貢獻0.2%左右。

洛陽石化整體蒸汽差率也有一定幅度下降，具體情況如表3所示，低壓蒸汽差率下降2%左右，高壓蒸汽差率下降1%左右。

2.1.4 按規(guī)范安裝計量器具，提高蒸汽測量的準確度。渦街式蒸汽流量計或差壓式蒸汽流量計主要針對的是上下游直管段的要求，一般是前10[D]（[D]為上下游管道內(nèi)徑）后5[D]，或遵循廠家提供的要求，有閥門彎管變徑時，另有要求。若直管段不足，則會導致流體中存在旋渦和剖面畸變，造成計量不準確。另外，安裝要對中，沒有扭力。渦街式蒸汽流量計不安裝在震動或強電磁環(huán)境中。上述情況造成的計量誤差不容易發(fā)現(xiàn)，也不容易定量驗證，所以，要嚴格按規(guī)范要求執(zhí)行。

2.1.5 加強多專業(yè)聯(lián)合巡查，確保計量器具穩(wěn)定運行。計量器具是一種特殊的設備，其巡查應遵從其內(nèi)在的規(guī)律。對于常規(guī)的設備，人們可以通過流量、轉速、溫度、壓力、壓差和震動等參數(shù)，大致判斷出其運行工況，而對于計量器具來說，在其各項參數(shù)都正常的情況下，輸出的數(shù)據(jù)未必是準確的。比如，雖然水表計量器具完好，但是工藝條件變化會造成測量數(shù)據(jù)失準。

2020年5月15日，洛陽石化中壓蒸汽消耗突然增大，如圖2所示。經(jīng)了解，工藝上并未做大的調整，器具管理人員進行現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)下雨造成引壓管積液，這使測得的壓差增大，從而造成測量值增大。

排積液后計量正常，后對該流量計增加雨棚處理（見圖3），以防同類故障再次發(fā)生。

這些故障會造成計量不準確，單一專業(yè)人員也不容易發(fā)現(xiàn)處理，若數(shù)據(jù)管理、器具管理、工藝管理多專業(yè)聯(lián)合檢查，則利于故障的發(fā)現(xiàn)和排除，使計量器具運行在合適的工況，以保證計量準確可靠。

2.2 加強蒸汽系統(tǒng)動態(tài)管理，減小蒸汽系統(tǒng)差量

通過2015年和2019年兩次大檢修增上（或更新）了一部分蒸汽計量表，目前，蒸汽計量均配有計量器具，但仍存在幾處計量盲點，這里所說的盲點主要指生產(chǎn)情況變化形成的無法計量或無法準確計量的測點。比如，洛陽石化某裝置正常生產(chǎn)時，裝置需要消耗1.0 MPa蒸汽，同時，其汽輪機背壓也產(chǎn)生1.0 MPa蒸汽，這樣，裝置所用1.0 MPa蒸汽由汽輪機背壓供給，多余蒸汽送入1.0 MPa蒸汽管網(wǎng)，若裝置用蒸汽量（1.0 MPa）大于產(chǎn)汽量，則由管網(wǎng)補入。該蒸汽計量表只能計量送入蒸汽管網(wǎng)的蒸汽量，無法計量管網(wǎng)補入的量，這就形成了計量盲點。

下面分析計量盲點測量現(xiàn)狀。計量盲點的數(shù)據(jù)處理方面，洛陽石化一般根據(jù)生產(chǎn)情況或相關計量表進行估算，此外還有如下測量方法。

2.2.1 流量計并聯(lián)進行雙向測量。洛陽石化某裝置的蒸汽計量示意圖如圖4所示，當蒸汽從左往右由管網(wǎng)進入裝置時，閥V1關閉，V2打開，流量計FIQ01進行計量;蒸汽從右往左進入管網(wǎng)時，閥V2關閉，V1打開，流量計FIQ02進行計量。這樣在切換閥門的配合下實現(xiàn)雙向流量測量。

這樣的設計并不理想。原因有兩個，一是投資成本增加，二是當存在蒸汽雙向流時，往往是開停工階段或生產(chǎn)不正常的情況，這時，蒸汽流動方向不確定，而且現(xiàn)場是DN350的管線，閥門位于在數(shù)米高的管廊上，閥門較大，再加入生產(chǎn)異常情況下人手較緊，實現(xiàn)準確的雙向計量不太現(xiàn)實。

2.2.2 串聯(lián)流量計進行雙向測量。洛陽石化某裝置的蒸汽計量示意圖如圖5所示，兩個孔板流量計結構采用反向串聯(lián)連接。它不需要切換閥門，管路也很簡化，當蒸汽從左側由管網(wǎng)進入裝置時，F(xiàn)IQ01進行計量，當蒸汽從右側由裝置送入管網(wǎng)時，F(xiàn)IQ02計量。

這樣的設計仍不理想，一是同樣存在投資成本增加的問題，二是蒸汽經(jīng)過兩次節(jié)流的壓力損失成倍增加，而壓力損失實際上就是能量損失，三是該方案是兩套獨立的流量計，當FIQ01正常測量時，F(xiàn)IQ02則顯示值，反之亦然，且兩臺流量計算器之間缺少協(xié)調，需要手工進行數(shù)據(jù)處理，計量準確度不可靠，目前處于停用狀態(tài)。

2.2.3 雙向測量流量計測量雙向流效果好。雙向測量流量計采用特殊的孔板（或差壓單元），在正反兩個方向各設置一個差壓變送器，測量正、反向蒸汽流量，正反向流量測量各配置一臺流量計算機（流量計算轉換單元）實現(xiàn)蒸汽流量的雙向測量。

這種測量方式實現(xiàn)雙向準確測量的同時，避開了切換閥門的不便，也避開了壓力損失，資料顯示，其在兄弟廠家使用效果較好。

圖6、圖7為某單位重油催化裝置開工趨于正常時1.0 MPa蒸汽管路上雙向測量流量計的流量趨勢。圖片顯示，時間為17：10：05時，蒸汽流量由輸入方式轉變?yōu)檩敵龇绞綍r的自由切換，這是人為切換無法實現(xiàn)的，它有效解決了雙向流蒸汽準確計量的問題。

目前，洛陽石化2#重整裝置低壓蒸汽計量雙向測量流量計正處于采購階段。

3 結論

做好計量器具從選型、安裝、計量確認到報廢的全過程的管理是提高蒸汽計量準確性和降低差率的基礎。同時，使用雙向流量計是解決洛陽石化蒸汽系統(tǒng)工藝盲點的有效辦法。目前，洛陽石化蒸汽采用質量（單位為t或kg）計量，急需加強蒸汽計量管理。比如，因各種原因，中壓蒸汽供到各單位時，其溫度壓力不盡相同，而人們均按質量和統(tǒng)一的能耗系數(shù)進行核算，實際上，等質量不同狀態(tài)下的蒸汽含有的熱能相差很大。例如，在壓力為3.6 MPa、溫度為450 ℃的條件下，每千克過熱蒸汽所含的熱能為3 336.6 kJ;在壓力3.3 MPa、溫度為390 ℃的條件下，每千克過熱蒸汽所含的熱能為3 204.6 kJ，二者相差4.1%。也就是說，一臺汽輪機在消耗相同質量的蒸汽時，如果蒸汽狀態(tài)變化，它消耗的能量就不相等，現(xiàn)在實際使用蒸汽時，溫度和壓力都有一定的變化，其焓值也會有差別，僅用消耗蒸汽質量來評價用能單位或用能設備的耗能，不夠客觀，忽略了蒸汽本身質量好壞的因素。蒸汽按熱能計量，并不需要太大的投資，依托洛陽石化目前已配備的計量器具，投入較小資金即可完成。對于洛陽石化近幾年增上或更新的計量器具，后臺增加計算軟件即可，老一些的計量表需要增加溫度計量和計量計算器。

目前，冬季供暖方面，洛陽石化供應的熱水已經(jīng)采用熱能表進行計量，該計量表可以同時顯示供水量、供水溫度、回水溫度和所供熱能，2019—2020年冬季的使用表明，其應用效果較好。

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