朱琳

(中國昆侖工程有限公司 遼寧分公司 ,遼寧 遼陽 111000)

渣油加氫處理就是在高溫、高壓和催化劑存在的條件下，使渣油和氫氣發(fā)生化學反應，剔除渣油中的硫、氮、重金屬等有害雜質，將渣油部分轉化為汽油和柴油，剩余的部分可以通過催化、液化進行加工處理，全部轉化為汽油和柴油[1]。但渣油是石油經蒸餾加工后剩余的殘渣，其比率約占石油加工前的50%。由于渣油質量差，雜質和非理想組分含量高，傳統(tǒng)的流量計受其影響易產生堵塞和嚴重磨損，造成無法正常使用或測量，致使生產效率降低。

本文采用某公司研制的矩形流量計并結合計算流體力學CFD(computational fluid dynamics)數(shù)值模擬技術，對渣油輸送管道進行三維模擬計算。對比流量測試數(shù)據，驗證了矩形流量計在該類系統(tǒng)中的準確性、穩(wěn)定性與可靠性，為矩形流量計在渣油加氫系統(tǒng)中應用提供參考。

1 矩形流量計

矩形流量計是在楔形流量計與文丘里流量計的基礎上開發(fā)出來的一種新型差壓式流量測量儀表，其結構如圖1所示。矩形流量計既結合了楔形流量計和文丘里流量計的設計優(yōu)點，又在關鍵結構上作了實質改進，用平緩收縮和擴張的階梯矩形代替頂端尖銳的楔塊，從而在測量臟污磨損性流體時更加耐磨、穩(wěn)定和準確[2]。

圖1 矩形流量計結構示意

矩形流量計無可動部件、耐磨損，測量精度可保持長期不變，這是孔板流量計、楔形流量計等達不到的，解決了許多其他流量計無法解決或效果不佳的流量測量問題，尤其是高黏度介質、強腐蝕性介質和重摩擦性介質流量的高精度測量問題[3]。矩形流量計采用的流量計算方法如式(1)～式(2)所示[4]：

(1)

(2)

式中：qV——體積流量；C——流出系數(shù)；ε——可膨脹系數(shù)；β——節(jié)流面積比，即流通面積與管道截面積之比；D——管道內徑，mm；Δp——差壓，Pa；ρ——介質密度，kg/m3。

2 渣油輸送基本參數(shù)及要求

某渣油輸送管道水平安裝，尺寸為DN150。渣油密度為877 kg/m3，黏度為12 mPa·s。正常生產狀況下體積流量為141.39 m3/h，最大體積流量為177.88 m3/h，最小體積流量為70.69 m3/h，壓力為1 MPa，溫度為167 ℃。加裝流量測量儀表后，允許壓力損失為20 kPa，要求精度為±0.5%。

3 流體力學數(shù)值模擬分析

按照正常體積流量141.39 m3/h分析矩形流量計所在管道內的流場。圖2為矩形流量計的管道壓力云圖，從圖中的壓力坐標可以看出，矩形流量計前端取壓點和喉部取壓點的壓力相對平穩(wěn)，且差壓值較大，在8 kPa左右，非常適合該類差壓式流量計的取壓和計算。

圖2 矩形流量計管道壓力云示意(數(shù)值單位： kPa)

圖3為矩形流量計的管道截面速度云圖，根據圖3可知，管道中渣油的流速變化幅度相對不大。根據伯努利方程可知，流速越高，壓力越小，所以可定性分析出矩形流量計的壓力損失相對較小。

圖3 矩形流量計管道速度云示意(數(shù)值單位： m/s)

圖4 矩形流量計管道速度矢量圖示意

矩形流量計的管道截面的局部速度矢量圖如圖4所示，通過圖4較為流暢的箭頭可以發(fā)現(xiàn)，加裝矩形流量計之后管道中基本不存在渦流區(qū)域，這是由于矩形流量計采用流線型節(jié)流通道，具有一個適當長度的喉管，該喉管起到整流的作用，有效地平抑了流體的波動，再加上后部的壓力恢復段，延伸了該流線型流道，使得整個流量計內部不會產生渦流和震動，避免了因渦流產生的磨損。矩形流量計可以連續(xù)使用3 a且測量精度不變，其使用壽命是楔形流量計的4倍以上[6]。上述現(xiàn)象也可表明矩形流量計的壓力損失相對較小，同時精度較高。

差壓流量計的體積流量均可根據式(1)簡化為式(3)所示的形式：

(3)

式中：k——儀表系數(shù)。

根據式(3)采用數(shù)字化技術對矩形流量計所在管道進行多種工況下的數(shù)字化標定，結果見表1所列。

從表1中可以看出，在最小流量70.69 m3/h下，差壓值為2.16 kPa，滿足工程中最低測量差壓要求；常用流量141.39 m3/h下差壓值為8.53 kPa；最大流量177.88 m3/h下差壓值為13.45 kPa，差壓和體積流量呈良好的對應關系。儀表系數(shù)為45.266 62，精度等級為0.5級，線性度也滿足要求，并且永久壓力損失為0.57～2.72 kPa。

4 結束語

綜上所述，渣油加氫系統(tǒng)中渣油管道通過加裝矩形流量計，利用數(shù)字化技術對該流量計所在工況進行流場分析和數(shù)字化標定后，可得出如下結論：

表1 矩形流量計工況標定結果

1)矩形流量計在該管道中前端取壓點和喉部取壓點的壓力相對平穩(wěn)，且差壓值較大，非常適合取壓和計算。

2)矩形流量計在該管道中精度為0.5級，測量準確度高，并且永久壓力損失最高為2 718.57 Pa，符合工藝設計要求。

3)矩形流量計在結構上較傳統(tǒng)楔形流量計具有一根適當長度的喉管，該喉管起到整流的作用，使其更耐磨損且壽命增加，可靠性大幅提升。