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          楔式流量计在油品加工装置的应用与优化

          来源: 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油仪表管理中心 作者:宋兆季,张国民,王 喜,蹇令强 发布日期:2020-04-29

                  摘要:楔式流量计在使用中相对于孔板流量计来说,对于同一种介质的静压损失要减小较多,楔式流量计+双法兰变送器的检测方式,省掉了引压管的铺设,从而节省了伴热源的铺设和伴热蒸汽的消耗,对于装置整体能耗的降低有一定的提高。但在实际运用中,若生搬硬套安装规范,则有可能因取压方式选取不适合工况而导致仪表示值不准,如介质是液态时,按照规范取压口安装在管线低部或水平45°以下,楔块与取压口一般保持同侧,也在管线的水平45°以下部位,这样当介质通过时其内部包含的杂质颗粒便会因为楔块的阻抑,逐渐在楔式流量计底部内腔中沉淀,容易堵塞取压口,导致测量失真,因此现场安装一定要结合实际工况优化调整。

           
          引言
                 楔式流量计非常适合测量黏稠、含颗粒物的介质,某煤化工企业油品加工装置的重柴油和含蜡介质管线计量均采用楔式流量计来测流量,但在开车过程中经常发生计量不准问题,严重时甚至DCS无指示,导致工艺人员无法监控,很大程度影响对油品质量的控制和产量调整。作者通过对楔式流量计测量原理和所测介质特性进行分析,发现取压口的选择对楔式流量计测量准确性影响较大,并随之进行了优化。
           
          1楔式流量计
                 楔式流量计是20世纪80年代开始应用的一种新型节流装置。它具有结构简单、坚固耐用、操作简便、适用性强等特点,而且具有高的精度和可靠性,特别适用于高黏度、低雷诺数流体;对于介质清洁、或者黏度高、腐蚀性的介质,以及蒸气、料浆、气体/空气等介质均能保持流量与差压的平方根成正比的关系。介质黏度达到3000厘泊也不会影响楔式流量计的测量精度。以往使用的节流装置如孔板、喷嘴和文丘里管等,当雷诺数小于10000以下时,流量与差压平方根就无法保持线性,而且随着雷诺数降低,正比关系的偏差会越来越大,致使测量精度受到严重的影响,而楔式流量计雷诺数非常低可达300厘泊,在这样极宽的范围内流量和差压始终成正比关系,流量系数呈线性状态。因此楔式流量计与传统流量计相比更适合测量一些黏稠和含杂质较多的介质流量,如油品装置的蜡、石脑油、油浆、原油,煤化工装置的气化黑水、灰水、碳黑溶液以及两相流体等。
           
          1.1楔式流量计测量原理
                 楔式流量计是利用帕努利原理,将截面成V形的楔块放入工艺管道中而构成的一种新型节流装置,通过楔块产生差压,当流体通过楔式流量计时,由于楔块的节流作用,在楔块前、后侧会产生了一个与体积流量值成平方关系的差压,该差压正比于质量或体积流量[2]。此差压信号通过膜盒传送到差压变送器,差压变送器通过计算就会得出与差压成平方关系的4~20mA信号,经显示屏或DCS即可显示出流量值。楔块一般安装在管道的上部,它的圆滑顶角朝下,这样有利于含悬浮颗粒的液体或黏稠液体及脏污介质顺利通过,不会在节流件上游侧产生滞流。对同一管径,不同的楔比H/D(楔块开口高度H和管道直径D之比)可得到不同的典型流量范围。楔式流量计工作原理如图1所示。
          楔式流量计工作原理图
          1.2楔式流量计特点
                 楔式流量计结构简单、可靠、无可移动部件与易损部件,耐磨性好,长期运行精度高。经标定的楔式流量计流量系数基本误差在±0.05%以内,重复性好、稳定性好、可靠性高、寿命长、成本低及安装维护方便;结构独特,无沉积、不堵塞,适用范围广,除应用于常规的气体、液体、蒸汽外,特别适用于黏度高、混合液易结晶、高含尘气体及含固体颗粒液体、浆状液体,如水煤浆、蜡、渣油、油浆、黑水、废水等的流体测量,具有自清洁能力,无滞流区。
                 另外楔式流量计+双法兰变送器的检测方式,省掉了引压管的铺设,从而节省了伴热源的铺设和伴热蒸汽的消耗,楔式流量计的取压接口可与表体和工艺管线进行整体保温,通过流体本身的热源保证楔式流量计冬季的防冻措施,节省了装置的蒸汽能源消耗和冷凝水排放,对于装置整体能耗的降低有一定的提高。
           
          2油品加工介质
                 油品加工装置是以费托合成装置稳定重质油和合格蜡、低温油洗单元的油洗石脑油为原料,在高温高压、氢气以及催化剂的作用下进行烯烃饱和以及含氧化物的脱出反应,生产柴油组分、精制重柴油、精制粗石脑油、精制尾油等产品。其中重质油的凝点30℃左右、压力2.7MPa、密度682kg/m3、温度125℃,重质油中有少量催化剂粉末;合格蜡的介质温度180℃、压力0.6MPa、密度870~900kg/m3、凝点在57~63℃;油洗石脑油的介质密度780~970kg/m3、压力0.64MPa、温度52℃、沸点20~160℃;精制尾油的介质密度729kg/m3、温度210℃、压力0.5MPa;重柴油的介质密度636kg/m3、温度266℃、压力0.5MPa;柴油组分的介质密度720kg/m3、压力0.5MPa;精制粗石脑油的介质压力1MPa、温度30℃。
           
          3原因分析
          根据对油品加工装置介质和工况的综合分析,流量计不准的可能因素有4点:
                 1)重质油/蜡中携带的少量催化剂固体颗粒,装置长周期运行一段时间后,催化剂颗粒会逐渐沉积到流量计的取压口,从而堵塞取压口,造成无法正常检测压力,致使流量计测量失真;同时还会冲刷磨损楔块,改变前后压差,造成测量不准。
                 2)由于重质油/蜡的凝点较高,每次检修后再次投运时因管道中的重质油流速较慢,伴热管线温度较低等因素,重质油经常有部分凝固的情况发生,凝固块经过取压口时就会堵塞取压口或者将楔块包裹,导致流量计无法准确测量。
                 3)由于介质中含有氢元素(氢离子),流量计的膜盒材质是不锈钢,膜盒长时间与带氢介质接触,带氢介质会不断稀释出氢离子,氢离子会逐渐渗透到膜片背面,并在背后慢慢聚集成氢气,这些氢气反向渗透速度慢于整箱速度,非常终会把膜片鼓起导致远传密封件的报废。
                 4)差压取样位置有问题,也是非常关键问题,原始安装时按照《自动化仪表工程施工及验收规范》等通用性仪表安装规范进行安装,即测量气体介质的取压口在管道的水平45°以上,测量液体介质的取压口在管道的水平45°以下,测量脏污介质的取压口在管道的中部位置。油品加工装置的产品基本都是液体,因此楔式流量计取压口都在水平45°以下部位安装,但是因楔式流量计的楔块在表体内腔分布不是均匀的,取压口一般都是按设计固定在楔块焊接处的前后上方,测量液体时,如果取压口在管道的水平45°以下,那么楔块也在管线的水平45°以下,这样会造成流体要从楔块的上方流过。这种测量方式下流体内介质杂质颗粒会因楔块的阻抑而逐渐在楔式流量计的下部表体内腔沉积,时间久了就有堵塞楔块前方取压口的可能性,易造成流量计测量失真。另外,部分油品中本身就含有催化剂颗粒,因此容易堵塞,造成测量失真;部分油品虽然是液态,但是轻质组分(如氢气)很容易稀释出气体,会在取压口聚集从而隔绝测量膜盒,同样会造成测量失真。
           
          4优化方案
                 1)因重质油和蜡中含有催化剂颗粒,且此催化剂颗粒无法根本消除,长期随着介质流动对楔块有一定的磨损,因此对楔块进行硬化处理,表面喷涂0.1~0.3mm厚的碳化钨材料,将硬度提高至HC55以上。
                 2)针对变送器膜盒氢渗问题,将所有含氢介质的变送器膜盒接液材质全部更换为黄金膜片或金刚膜片,防止氢离子渗透进膜盒里面,避免膜盒鼓包,消除变送器零漂或者假值问题;同时将硅油更换为耐高温(-30~315℃)硅油,防止硅油受热膨胀或蒸发。
                 3)仪表伴热与工艺伴热分开,以便伴热总站单独设立,悬挂禁动牌,防止工艺人员误关伴热,确保伴热质量,并在根部阀处增加带温控器的电伴热,确保装置异常情况时伴热不间断,防止蜡介质凝固。
                 4)根据实际情况,选择合适的取压口,重质油和合格蜡等含有少量催化剂的19台单对楔式流量计取压口设计之初为斜向下取压,运行时容易沉淀杂物堵塞取压口,尝试向上取压,但是容易集气,非常终选取为水平取压;油洗石脑油和精制尾油、柴油等介质的24台双对楔式流量计设计取压口朝上,运行时经常集气,维护时需要经常排气,排气存在介质外漏风险,外漏的介质滴到保温棉易引起火灾,非常终选为调向为斜下45°取压,确保介质流过时能与膜盒充分接触,保证测量的准确性,排污时用桶接液防止介质滴到可燃物上引起着火。
                 5)在取压阀与双法兰连接部件之间设置排污泄压(放空)阀,要求仪表人员定期排污或排气。排污阀出口再加一段带弯头排污管(防止喷溅),排污泄压(放空)阀还可以在流量计校准过程中保证正负双法兰之间的受压一致,确保校准可靠,同时保证维修人员的安全;另外若双法兰变送器损坏需要更换,通过排污泄压阀门能够判断取压一次阀门是否渗漏。
           
          5优化效果
                 1)优化前加氢精制减压塔加热炉8路进料流量在2017年7月某一天24h的测量折线图如图2所示。
          优化前测量趋势图
                 2)优化后加氢精制减压塔加热炉8路进料流量在2017年12月某一天24h的测量折线图如图3所示。
          优化后测量趋势图
                 3)优化前由于43台楔式流量计测量不稳定性,导致油品加工装置加氢精制、加氢裂化单元部分二级联锁及自动控制回路无法投用,严重影响工艺操作。通过一系列优化措施的实施,油品加工装置的楔式流量计已经测量稳定,联锁及自动控制回路全部具备投用条件,有效保证了工艺精准操作和紧急状态下的联锁可靠动作。
           
          6结论
                 楔式流量计在装置运行中相对于孔板流量计,抗脏污、可自清洁、运行精度高、差压值稳定、压损小、量程比宽、直管段要求小,能够测量双向流,性能好维护,维修工作量大大减少,符合目前企业高效环保节能的要求。但是,任何测量仪表都不是万能的,即使国家规范也不一定适合所有工况,对于测量过程出现的具体问题要根据实际情况针对性进行优化,因此当在装置运行过程中发现测量仪表不准时,不可直接否定某一类测量仪表,应综合考虑材质、取压方式、介质成分、温度和压力等多方因素,并借鉴类似装置使用经验,进行改造优化,提高仪表适应性,确保计量准确性。

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