摘要: 文章針對中國石油蘭州石化分公司煉化生產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)計量檢測率偏低、計量損失率偏高等方面存在的瓶頸和難點，就如何提高蒸汽計量檢測率和準確性的優(yōu)化方案進行了研究，提出了適用于蒸汽計量實際狀況的雙量程差壓式蒸汽計量解決方案、多參量雙向流蒸汽計量檢測方法、一體化引壓實時溫壓補償集成化方案等蒸汽計量優(yōu)化方案，并對蒸汽計量優(yōu)化方案的實際應(yīng)用效果進行了介紹。
中國石油蘭州石化分公司煉化生產(chǎn)裝置每年蒸汽消耗量超過千萬噸，蒸汽的準確無損計量對于節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟效益有重要意義，同時也是能源管控精細化管理的重要保障。目前在蒸汽計量檢測率偏低、計量損失率偏高方面存在的主要技術(shù)瓶頸和難點問題，一是如何實現(xiàn)普遍存在的大管徑、寬量程、小流量以及大范圍波動蒸汽流量的準確測量難題; 二是如何實現(xiàn)同一管道中雙向流蒸汽的實時準確測量難題; 三是如何對近年來工業(yè)流量測量領(lǐng)域的新技術(shù)自主性研究和創(chuàng)新性應(yīng)用，避免生產(chǎn)現(xiàn)場蒸汽計量手段單一、測
量精度偏低、技術(shù)水平減趨落后且與能源管控工作要求不適應(yīng)的問題。
針對以上瓶頸問題，本文在對外購、自產(chǎn)、消耗、外供蒸汽計量方法、手段及技術(shù)水平進行總體調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對公司蒸汽管網(wǎng)龐大、供汽系統(tǒng)復(fù)雜、用汽計量形式多樣的實際狀況，綜合分析評價現(xiàn)有蒸汽計量設(shè)施的實際應(yīng)用情況，以實現(xiàn)煉化生產(chǎn)現(xiàn)場蒸汽準確無損計量、提高蒸汽計量檢測率、降低蒸汽系統(tǒng)損耗為根本目的，研究提高蒸汽計量檢測率和準確性的優(yōu)化計量方案，以期通過蒸汽計量方式方法優(yōu)化，創(chuàng)新應(yīng)用蒸汽流量測量新技術(shù)，進一步提高蒸汽計量精度，解決目前存在的蒸汽計量檢測率低系統(tǒng)損失偏高的問題。
1 蒸汽計量優(yōu)化方案研究思路
1. 1 雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案
公司煉油區(qū)蒸汽管線縱橫交錯遍布全廠，由于季節(jié)性、間歇性用汽等原因，管網(wǎng)蒸汽負荷波動較大，經(jīng)常發(fā)生計量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、不準確、不合理的情況，給系統(tǒng)平衡、計量核算造成困惑。如何實現(xiàn)公司蒸汽管網(wǎng)中普遍存在的大管徑、寬量程、小流量蒸汽以及大范圍波動蒸汽流量的準確測量，一直是一個較難解決的蒸汽測量難題。本文在研究分析寬量程蒸汽測量不準確的主要原因的基礎(chǔ)上，提出了一種實現(xiàn)寬量程蒸汽流量準確測量的計量解決方案，即雙量程
差壓式蒸汽流量計量技術(shù)方案。
雙量程差壓式蒸汽流量計量系統(tǒng)，即一個
節(jié)流裝置配備兩臺
差壓變送器，其中一臺為大量程差壓變送器，差壓測量量程上限較高，另一臺為小量程差壓變送器，差壓測量量程上限較小 ( 一般只有 10 kPa 或更小) ，從而使低量程段差壓測量精確度得到提高，兩路信號同時送入流量演算器進行計算、判斷和自動切換，同時進行流量參數(shù)補償和溫壓補償，得到補償后的蒸汽流量值。雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案系統(tǒng)構(gòu)成如圖 1所示。
雙量程差壓式
蒸汽流量計量解決方案在煉油區(qū)動 力 鍋 爐 裝 置 減 溫 減 壓 外 排 1. 0 MPa 蒸 汽DN350 母管上進行了實踐。該蒸汽計量點工藝流量量程范圍很寬，存在 6 ～ 100 t / h 流量波動，如果只采用一臺 1 ～ 100 kPa 量程的差壓變送器，其只能保證工藝流瞬時流量≥20 t / h 時，流量計的準確度在 1. 0% 以內(nèi)，工藝瞬時流量越接近下限，流量計誤差越大，6 t / h 時流量計的不確定度可高達8. 347 6% ( 在實時逐點運算補償?shù)那闆r下) ，遠遠超出了計量儀表允許的不確定度。為此，考慮增加一 臺 L 膜 盒 的 差 壓 變 送 器，測 量 量 程 0. 5 ～ 10 kPa，通過引入一臺低量程差壓變送器，可大幅度提高量程低段的差壓測量精度，進而提高量程低段的流量測量精度。在該計量點采用的雙量程差壓式蒸汽計量解決方案后節(jié)流裝置計算結(jié)果見表 1。
該計量解決方案實施后，從 2017 年 11 月冬季至 2018 年 7 月夏季期間，動力鍋爐裝置減溫減壓外排低壓蒸汽瞬時流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表 2。
分析表 2 數(shù)據(jù): 從月平均瞬時流量看，冬季蒸汽流量在 49 ～ 69 t /h 之間波動，夏季蒸汽流量在 16 ～ 28 t /h 之間波動; 從日平均瞬時流量看，冬夏不同時間段用戶熱負荷波動不同，蒸汽流量變化范圍較寬，即使在蒸汽管網(wǎng)冬、夏熱負荷波動極大的情況下，也能準確檢測到低于 6 t /h 的蒸汽流量。雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案，使整個系統(tǒng)的測量量程比達到 20∶1，且保證全量程測量不確定度優(yōu)于 1. 0% ，克服了低差壓信號（有時無法測得差壓信號) 所引起的誤差，這樣就解決了大量程情況下小流量測量不準確的問題，保證其全量程的計量準確度在 ± 1. 0% 以內(nèi)，實現(xiàn)寬量程、高精度測量，解決了由于季節(jié)性、間歇性用汽等原因管網(wǎng)蒸汽負荷波動大情況下的準確測量難題，實現(xiàn)了 “大管徑、寬量程、小流量”蒸汽的準確測量。
該計量解決方案實施前后三年煉油區(qū)低壓蒸汽系統(tǒng)計量平衡差率情況見表 3。
表 3 數(shù)據(jù)表明，雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案的實施，使公司低壓蒸汽管網(wǎng)平衡差率得到有效下降。
1. 2 多參量雙向流蒸汽計量檢測方法
公司催化裂化、延遲焦化、連續(xù)重整等裝置蒸汽母管與系統(tǒng)管網(wǎng)之間呈互供狀態(tài)，蒸汽單管雙向互供，客觀上造成了計量和能耗核算的困難。常規(guī)解決辦法是在同一條管線上安裝正、反兩套標準孔板進行測量，但往往直管段難于保證，壓力損失也成倍增加，造成裝置能耗額外增加，特別是進、出裝置蒸汽流向發(fā)生改變后很難及時準確判斷和計量檢測，不利于生產(chǎn)運行控制和節(jié)能降耗。針對如何實現(xiàn)公司蒸汽管網(wǎng)同一管道中雙向流蒸汽的實時準確測量，以避免只計量裝置外排蒸汽量 ( 產(chǎn) 汽 量) 而不計量裝置消耗蒸汽量( 用汽量) 導(dǎo)致整個蒸汽系統(tǒng)損失率偏高問題，本文研究創(chuàng)新應(yīng)用多參量雙向流蒸汽計量檢測方法，經(jīng)濟合理低成本實現(xiàn)了公司部分生產(chǎn)裝置存在的雙向流蒸汽實時準確計量難題。
多參量雙向流蒸汽計量優(yōu)化方案的研究應(yīng)用以公司 120 萬噸/年重油催化裂化裝置蒸汽計量為例。進、出裝置3. 5 MPa 蒸汽和1. 0 MPa 雙向流蒸汽計量檢測方法應(yīng)用示意如圖 2 所示。
本文對該裝置在 2017 年 6 月 15 日至 8 月 2 日從開車狀態(tài)過渡到正常生產(chǎn)期間，對進、出裝置兩個方向1. 0 MPa 蒸汽和3. 5 MPa 蒸汽的日累計流量進行了跟蹤觀察。開工期間進、出裝置兩個方向的流量趨勢見圖 3。
圖 3 顯示，在 7 月 8 日開工期間，裝置低壓蒸汽流量由進裝置輸入方式徹底轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲅b置輸出方式的 “零”間隔; 下面右圖為進出裝置中壓蒸的流量趨勢圖，曲線清晰顯示了裝置由開工初期，完全引入系統(tǒng)中壓蒸汽，轉(zhuǎn)變?yōu)檠b置開工鍋爐產(chǎn)汽后出現(xiàn)富余部分中壓蒸汽外排系統(tǒng)管網(wǎng)的情況。開工期間裝置消耗、外排 3. 5 MPa 和 1. 0 MPa蒸汽量統(tǒng)計情況見圖 4 所示。
圖 4 表明，在裝置開工初期，從 6 月 15 日 ～ 7 月 5 日期間，裝置大量引入系統(tǒng)低壓蒸汽和中壓蒸汽，此時裝置蒸汽流向全部為進裝置方向。從 7 月 6 日開始，裝置開車趨于正常，鍋爐開始產(chǎn)汽，從系統(tǒng)管網(wǎng)引入的中壓蒸汽量明顯減少，并且有富余中壓蒸汽外排，裝置已停止從系統(tǒng)管網(wǎng)引入低壓蒸汽，轉(zhuǎn)為外排低壓蒸汽。
多參量雙向流蒸汽計量檢測方法，簡化了計量流程、減少了蒸汽壓損，避免了人工切換操作造成的蒸汽損失及工藝風險。同時采取集成化設(shè)計安裝，將節(jié)流裝置和差壓變送器做成一體，儀表整體組裝，解決了因儀表引壓系統(tǒng)復(fù)雜無法保證安裝精度容易產(chǎn)生各種附加測量誤差的問題，使儀表的動態(tài)性能得到提高。該優(yōu)化計量方案，解決了長期困擾生產(chǎn)裝置的進、出裝置兩個方向蒸汽的計量檢測和能耗結(jié)算難題，既能滿足計量精度要求，又能滿足裝置節(jié)能要求，是一種經(jīng)濟合理值得推廣的計量檢測方法。
1. 3 一體化引壓實時溫壓補償集成化方案
近年來公司在蒸汽計量領(lǐng)域，整體缺乏對流量測量新技術(shù)、新設(shè)備的自主性研究和創(chuàng)新性應(yīng)用，導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場蒸汽計量手段單一、測量精度偏低、技術(shù)水平減趨落后，與能源管控工作要求不適應(yīng)的問題。為此，本文探索研究在公司部分蒸汽交接計量點的流量計選型設(shè)計中，優(yōu)先選用新一代
差壓式流量計等新設(shè)備，并綜合運用一體化引壓、多參量測量組態(tài)、智能化運算模塊、在線實時溫壓補償、HAＲT 通訊協(xié)議、集成化安裝等新技術(shù)，以提高蒸汽測量精度，減少蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)損耗。
一體化引壓實時溫壓補償集成化方案，解決了節(jié)流裝置復(fù)雜取壓管安裝工藝問題，將節(jié)流裝置和差壓變送器做成一體，不僅縮短了引壓管線，保證了節(jié)流裝置的安裝精度，而且結(jié)構(gòu)簡化，由于采用了特殊的防凍結(jié)構(gòu)，在測量蒸汽時，不需伴熱、保溫及冷凝器，使結(jié)構(gòu)大為簡化，便于現(xiàn)場安裝。同時集成化技術(shù)實現(xiàn)了對現(xiàn)場差壓、溫 度、壓力數(shù)據(jù)的自動實時采集，可以對節(jié)流件的流出系數(shù) C、流束可膨脹系數(shù) ε 等參數(shù)實時逐點運算，并遵循 IAPWS-IF1997 公式實時計算蒸汽 密度，保證全量程測量不確定度滿足蒸汽計量精度要求。一體化引壓集成方式與傳統(tǒng)引壓方式安裝方案對比如圖 5 所示。
綜合運用一體化引壓實時溫壓補償集成化方案，在公司化工區(qū)外接電廠 4. 5 MPa 蒸汽總線、化肥廠送化工區(qū)次高壓蒸汽管網(wǎng) 3. 8 MPa 蒸汽總線、化肥廠送化工區(qū)次高壓蒸汽管網(wǎng) 4. 1 MPa 蒸汽總線、乙烯廠接化工區(qū)次高壓系統(tǒng)蒸汽總線、石化廠接化工區(qū)次高壓系統(tǒng)蒸汽兩條蒸汽總線上共計 6 個計量點，將原來的 6 臺
威力巴及
孔板流量計，更新改造為 6 臺
多孔平衡流量計 ( BFM) 新一代差壓式流量計，并將一體化引壓、集成化設(shè)計、智能化運算、多參量組態(tài)、實時補償、HAＲT通訊等新技術(shù)綜合運用到 A + K 平衡流量計進行一體化引壓集成安裝。應(yīng)用實踐表明，以 A + K 平衡流量計為節(jié)流裝置，綜合運用一體化引壓集成安裝方案，具有極高的適合性和較高的經(jīng)濟性。公司化工區(qū) 4. 0 MPa 次高壓蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)的yongjiu壓力損失降低了 1 /3，節(jié)流件前后直管段減少 10% 至 20% ，蒸汽流量測量精度提高到 0. 5% ，蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)的計量檢測平衡率大幅提高，蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)損失明顯降低，由改造前的 20% 左右大幅降低至10% 左右，既滿足蒸汽貿(mào)易交接計量精度的要求，也大幅降低蒸汽損耗，產(chǎn)生明顯的節(jié)能降耗和降本增效的效果。
2 蒸汽計量優(yōu)化方案應(yīng)用效果
依托近年來公司計量儀表完善項目計劃的實施，本文研究提出的雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案、多參量雙向流蒸汽計量檢測方法、一體化引壓實時溫壓補償集成化方案，在蒸汽計量領(lǐng)域進行了綜合運用和具體實踐。蒸汽計量優(yōu)化方案在公司關(guān)鍵蒸汽計量點應(yīng)用推廣情況見表 4。
公司蒸汽計量優(yōu)化方案應(yīng)用推廣實施前后的技術(shù)水平、應(yīng)用效果對比見表 5
本文研究提出的蒸汽計量優(yōu)化方案推廣應(yīng)用，使公司蒸汽計量精度明顯提高，蒸汽計量檢測率得到進一步提升，蒸汽計量損失率明顯降低，在應(yīng)用實踐中產(chǎn)生了良好的應(yīng)用效果，也得到了用戶好評。
( 1) 蒸汽計量難題有效解決。一是創(chuàng)新應(yīng)用雙量程差壓式蒸汽流量計量技術(shù)方案，成功實現(xiàn)了蒸汽流量大范圍波動情況下的準確計量問題，解決了煉油動力鍋爐外排低壓蒸汽南線、北線兩條總線，存在的大管徑、寬量程、小流量以及大范圍波動情況下的準確測量問題，使蒸汽計量數(shù)據(jù)檢測率得到有效改善。二是創(chuàng)新應(yīng)用多參量雙向流蒸汽計量檢測方法，成功實現(xiàn)了特殊情況下雙向流蒸汽實時準確計量問題，經(jīng)濟合理、以非常低成本解決了公司 120 萬噸/年重催裝置、80 萬噸/年連續(xù)重整裝置、120 萬噸/年延遲焦化裝置等 5條蒸汽線存在的困擾生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)整和計量檢測的“雙向流蒸汽的實時準確測量問題”。
( 2) 蒸汽計量精度明顯提高。蒸汽計量優(yōu)化方案實施后，公司近年來更新改造或新配備的蒸汽計量設(shè)備，yongjiu壓力損失比傳統(tǒng)差壓式流量計降低了 1 /3，單臺計量設(shè)備的計量精度提高了0. 5% ，由流量、溫度、壓力、差壓所組成的整個蒸汽計量系統(tǒng)，其合成測量不確定度提高了 2% ，計量系統(tǒng)誤差達到并超過石油石化行業(yè)蒸汽貿(mào)易交接計量精度標準。
( 3) 蒸汽損失率明顯降低。蒸汽計量優(yōu)化方案實施前，煉油區(qū)1. 0 MPa 和3. 5 MPa 蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)損失年均 15% 左右，每月較大的蒸汽損失分攤量影響裝置能耗達標，也對煉油綜合能耗指標影響較大，不利于能源精細化管控; 化工區(qū) 4. 0 MPa蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)損失每月高達 20% 左右，公司生產(chǎn)、計量管理部門和相關(guān)單位對該蒸汽管網(wǎng)多次組織排查問題并整改，均無法徹底解決，給乙烯廠各生產(chǎn)裝置、石化廠 40 萬噸/年芳烴抽提裝置的蒸汽總量控制和能耗核算造成一定影響，月底能源計量結(jié)算時對損失量分配爭議較大，不利于全要素成本管控。
蒸汽計量優(yōu)化方案實施后，根據(jù)實際情況綜合運用多種計量優(yōu)化手段，在部分計量點創(chuàng)新采用雙差變寬量程計量方案，部分計量點創(chuàng)新應(yīng)用多參量雙向流計量檢測方法，部分計量點創(chuàng)新運用一體化引壓集成安裝方案的平衡流量計 ( BFM) 新技術(shù)，并在所有具備更新改造時機的蒸汽計量點，優(yōu)先考慮綜合運用一體化引壓、多參量測量組態(tài)、智能化運算模塊、在線實時溫壓補償、HAＲT 通訊協(xié)議、集成化安裝等新技術(shù)，極大提高了蒸汽測量精度，減少了蒸汽管網(wǎng)損失，使煉油區(qū)蒸汽系統(tǒng)損失率降低了 4% ，化工區(qū)次高壓蒸汽系統(tǒng)損失率降低了 10% 。
3 結(jié)論
以雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案、多參量雙向流蒸汽計量檢測方法、一體化引壓實時溫壓補償集成化方案為主要技術(shù)思路，研究提出的提高蒸汽計量檢測率和準確性的計量優(yōu)化方案，在公司蒸汽計量方案確定、儀表選型設(shè)計、安裝調(diào)試投用中進行了成功實踐和推廣應(yīng)用。有效解決了在蒸汽準確計量方面存在的一些問題，極大地提高了生產(chǎn)現(xiàn)場蒸汽計量檢測率，有力地指揮了能源管控。同時蒸汽計量方案的優(yōu)化，也極大地提升了計量保障能力，保證蒸汽貿(mào)易結(jié)算的公平公正，維護蒸汽供需雙方合法權(quán)益; 提高蒸汽計量整體技術(shù)水平，進一步提高了蒸汽計量準確性，降低了蒸汽系統(tǒng)損失，對降低生產(chǎn)裝置蒸汽單耗、提高經(jīng)濟效益起到了明顯效果，節(jié)能減排挖潛增效明顯。本文提出的蒸汽計量優(yōu)化方案，今后在各類工程項目、新建裝置及改擴建裝置、節(jié)能改造項目的蒸汽計量方案確定、計量儀表選型、儀表安裝調(diào)試投用中，可以進一步推廣和應(yīng)用，并對工業(yè)空氣、氮氣等其它氣體介質(zhì)的計量方式方法的改進和優(yōu)化也具有一定的借鑒意義。
