文/李寶榮

對離心泵進行仿真優(yōu)化設計分析——高溫導波超聲流量計在渣油加氫原料泵出口測量中的應用—為了克服超聲波流量計受所測流體溫度范圍限制的缺點，解決工業(yè)過程重油、高溫介質(zhì)的流量測量難題，本文介紹了基于高溫導波獨立專利技術的超聲波流量計在渣油加氫原料泵出口流量測量中的應用方案。該方案可以在不破管、不停產(chǎn)和不動火的情況下直接在線安裝，且不受高溫、重油氣相等因素影響。該高溫導波超聲波流量計自安裝以來，一直保持著連續(xù)、穩(wěn)定以及準確的測量。

在石油煉制過程中要保持各裝置安全穩(wěn)定運行，必須準確測量液位、壓力、溫度、流量及其他工藝參數(shù)，其中流量是測量難度最大、測量點最多的監(jiān)測參數(shù)。由于工業(yè)領域流量測量技術面臨多種復雜的需求，工業(yè)企業(yè)對測量準確性的要求不斷提高，傳統(tǒng)的工業(yè)測量方法如孔板、楔式、噴嘴以及文丘里等流量計已不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)領域的要求。

企業(yè)生產(chǎn)成本在降低要利潤，在線環(huán)保檢測在增加要嚴控，裝置檢修、儀表維護工作要實現(xiàn)高質(zhì)量、高要求以及高標準，“油不落地、氣不上天”的要求，更加突顯新時代、新形勢下對新工藝、新技術儀表維護量以及可靠性等方面需求?；诟鞣N傳感器技術和電氣技術的新型流量計能很好的滿足用戶對精度、可測量性、維護量以及經(jīng)濟性等方面需求，如使用電磁法、超聲波法以及漩渦法等，引入電子技術、具有導波板結構以及專利WaveInjector技術的FLUXUS系列高溫外夾新型超聲波流量計，其技術應用具有極大地發(fā)展空間。本文結合渣油加氫原料泵出口流量測量中遇到的技術問題進行深入分析，提出探索性解決方案，并付諸實施，以供商榷。

流量測量疑難問題分析

測量方案分析

渣油加氫原料泵出口4臺流量342-FT-10601及ABC是公司級聯(lián)鎖，也是工藝控制極為重要的參數(shù)：

介質(zhì)名稱：原料油（減壓渣油、焦化渣油、蠟油等）。

設備位號：342-FT-10601；

操作溫度：258 ℃ ；

設計溫度： 300 ℃；

操作壓力：20.6 MPa；

設計壓力24.7 MPa；

操作密度：866.04 kg/m3；

動力粘度4.188 MPa.s；

第二天，雨繼續(xù)下，賽馬會上人聲鼎沸，漸漸滲透的寒冷令我的牙齒不知什么時候開始打顫，當剛烤干的衣服再濕透時，賽馬會結束了。我躲在擁擠的大卡車里，不知什么時候，雪花飄落在草原上。一路上車子在緩慢地搖晃，一位老大娘用藏袍裹著我，搓著我冰冷的手，偎依在她懷里的那種溫暖逐漸沉淀到我的記憶里。

管道外徑/內(nèi)徑：273 mm /207 mm；

管道材質(zhì)：P11。

該裝置原設計為原料泵出口選用標準孔板流量計取壓（1個孔板8對取壓口），使用高溫型差壓變送器進行差壓信號的測量采集和轉換變送，利用高壓油系統(tǒng)將32#汽輪機油，從膜盒腔室打入取壓管路，最終流入工藝管道，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定測量。原設計在選型時考慮孔板流量計取壓管路不會堵塞，由于現(xiàn)場空間狹小和高壓沖洗系統(tǒng)復雜，原設計沒有工藝副線且施工安裝受限，造成前后直管段長度和孔板短嘴取壓配管垂直度不足，連續(xù)彎頭較多。

運行情況分析

孔板流量計每次開工投用后，初期運行較為正常，但在運行幾個月之后開始出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)偏差不穩(wěn)定、零點漂移以及注油泵頭油滴流速慢等現(xiàn)象。檢修期間檢查變送器，取壓膜盒表面有焦油和取壓管內(nèi)壁有污油（主引壓管全部焊接，變送器側卡套連接），檢查沖洗油系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)孔板根部取壓短嘴局部堵塞，導致軸承磨損、泵頭注油不暢，經(jīng)過高壓油沖洗車40 MPa極限疏通和變送器膜盒清洗、二次校正后重新安裝投入運行，可以正常使用，但在不久后之前的故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)（儀表取壓高壓彎頭內(nèi)徑6 mm，高壓液體疏通只是在管徑圓面積上開一個小孔，再沖洗時壓力被小孔卸掉，無法實現(xiàn)圓面積整體沖洗），并有逐漸嚴重的趨勢，甚至旁路公司級聯(lián)鎖直到生產(chǎn)周期結束。

渣油加氫檢修周期為1.5年，換劑時間15 天，高壓系統(tǒng)沒有工藝副線，不停工不能夠疏通取壓管線（停工后管線存油，工藝系統(tǒng)無法切除不能動火），在正常生產(chǎn)周期中，基本上沒有機會對該位置的流量儀表進行檢修，所以該流量儀表一旦故障只能帶病工作且單點停高壓注油、主要參考其原料泵前入口流量趨勢（泵前后流量聯(lián)鎖值不同，泵后至反應爐之間無流量計顯示），給裝置的穩(wěn)定運行帶來隱患。

測量難點分析

該套裝置的渣油加氫原料組成較為復雜多變，其中含有溶解氣、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)以及焦化物等多相雜質(zhì)，雖然經(jīng)過原料過濾系統(tǒng)的處理，但是過濾效果不甚理想；加之儀表取壓高壓彎頭內(nèi)徑細，孔板取壓配管連續(xù)彎頭多等，都是導致該流量測點經(jīng)常發(fā)生堵塞的根源所在。

超聲波流量計的測量原理與技術優(yōu)勢

超聲波流量計的原理介紹

超聲波流量計大多采用時差式測量原理，設超聲波傳播速度為C，超聲波順流時從傳感器A到B的傳播時間為t1，逆流時間為t2，聲波在流體中傳播相同距離時存在時間差，如圖1所示。

圖1 時差法工作原理圖

一個探頭發(fā)射信號穿過管壁、介質(zhì)、到達另一側管壁后，被另一個探頭接收到，同時，第二個探頭同樣發(fā)射信號被第一個探頭接收到。由于受到介質(zhì)流速的影響，二者存在時間差Δt，根據(jù)推算可以得出流速V和時間差Δt之間的換算關系, 乘以管道內(nèi)橫截面積，并乘以雷諾數(shù)修正系數(shù)，進而可以得到體積流量值，即：

A- 管道內(nèi)截面積；

KRe- 流體力學修正系數(shù)；

Ka- 聲學修正系數(shù)；

t- 時間差；

tf- 流體中的傳輸時間。

超聲波流量計的技術優(yōu)勢

時差法的原理和結構，決定了其具有以下優(yōu)點：

全通徑設計，無任何壓損和能力損失，無擾流件，無需縮徑，節(jié)能方面優(yōu)勢明顯。

測量范圍大，測量結果不受導電率、壓力、溫度及粘度的影響。

與介質(zhì)不接觸，對粘稠液體無掛壁影響，尤其適用于腐蝕性介質(zhì)的測量。

結構相對簡單，可維護性好，安裝簡單，無需切斷工藝管道，費用低。

渣油加氫原料泵出口流量測量疑難問題的解決

超聲波流量計的選用

為解決原料泵出口流量測量問題，立足裝置深入挖掘問題根源，對幾種常用流量計從測量的工藝介質(zhì)、管道的壓損、安裝及維護要求等多方面比較篩選，見表1所列；

通過反復篩選，初步確定采用高溫導波超聲波流量計的技術方案。

技術方案的制定

為進一步驗證高溫導波技術的數(shù)據(jù)可靠性，考慮裝置聯(lián)鎖動作的及時性，特別選在裝置運行半年后，結焦達到比較嚴重的階段開展測試工作，直至裝置運轉的末期，以期獲得典型的應用測試數(shù)據(jù)。

經(jīng)過多方調(diào)研，我們最終選擇了德國FLEXIM公司的高溫外夾式超聲波流量計作為替代解決方案，并進行了為期7個月的現(xiàn)場連續(xù)測試。選擇該測試方案的原因如下：

（1）非接觸的測量方式。超聲波流量計采用外夾式安裝，非接觸測量，無需在管道上開孔，也無需停產(chǎn)，非常適合在裝置運轉過程中進行安裝測試。同時，由于流量傳感器不與被測量介質(zhì)接觸，所以不受介質(zhì)腐蝕性、磨損性以及由于壓降所引起的加速結垢的影響。

表1 幾種常用流量儀表比較

圖2 FLEXIM公司的高溫超聲波典型安裝

圖3.5 12月效果比對圖

（2）高溫適用性。常規(guī)的超聲波流量計只能耐受200 ℃左右溫度，不能承受介質(zhì)高溫，無法滿足300 ℃的設計溫度。我們選擇的超聲波流量計采用了專利的WaveInjector技術，通過高溫導波結構，使得該流量計可以耐受400～600 ℃的高溫，結構圖如圖2所示：

（3）介質(zhì)耐受性。渣油加氫原料屬于非牛頓流體，測量點介質(zhì)中氣液固三相共存，導致在測量位置的管道表面發(fā)生強烈的噪聲干擾。FLEXIM采用了專利的高溫降噪材料，在管道表面形成耐高溫網(wǎng)狀高分子保護層，利用該材料的特殊物理特性，有效吸收和降低噪聲干擾，從而確保了正確的超聲波信號被變送器準確識別。

流量測試的應用效果

測試數(shù)據(jù)

2018年05月23日安裝一臺超聲波流量計，測試數(shù)據(jù)，2018年06月30日現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)引入DCS系統(tǒng)，趨勢穩(wěn)定、示值準確，2018年12月14日,渣油加氫裝置按照計劃停工檢修，生命周期典型效果依次6～7月，8月，10月，11月，12月。如圖3（3.1～3.5）所示，綠色為測試數(shù)據(jù)，其他為比對數(shù)據(jù)。

圖3.1 6～7月效果比對圖

圖3.2 8月效果比對圖

圖3.3 10月效果比對圖

圖3.4 11月效果比對圖

聯(lián)鎖和PID控制投用

依據(jù)測試數(shù)據(jù)結果，2019年5月11日4臺超聲波（342-FT-10601及ABC）正式安裝投用，7月將3臺測量信號引入SIS回路，9月通過調(diào)整合適的PID參數(shù)，F(xiàn)T-10601投用控制回路。從5月到9月流量觀察穩(wěn)定、總體趨勢正常（比較參照泵入口流量），已將聯(lián)鎖回路正常投用，2019年9月通過調(diào)整合適的PID參數(shù)，F(xiàn)T-10601投用控制回路。

結束語

FLUXUS系列高溫外夾新型超聲波流量計，利用其獨特的技術特點，克服了常規(guī)超聲波流量計無法測量高溫流體的限制，解決了工業(yè)過程中高溫、氣相多組分介質(zhì)流量測量的難題。同時，該流量計不接觸被測介質(zhì)，可以方便地實現(xiàn)強腐蝕性、非導電以及易燃易爆型等流體測量，沒有壓力損失，對于較大管徑的流體測量儀表安裝和運行節(jié)能優(yōu)勢尤為明顯。