施曉東，吳小明，王余海，李永帥，杜 明

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中國石油撫順石化公司 烯烴廠機(jī)動(dòng)工程部，遼寧 撫順 113001；3.中石化股份有限公司 天津分公司 電儀部儀表科，天津 300000）

0 引言

工業(yè)儀表是工廠生產(chǎn)的眼睛，隨著工廠自動(dòng)化程度越來越高，從以前氣動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表發(fā)展到目前的集散系統(tǒng)，把單回路控制集成到了對(duì)整個(gè)生產(chǎn)裝置所有控制系統(tǒng)的控制，可以在中央控制室足不出戶就可以控制現(xiàn)場(chǎng)的閥門，能夠及時(shí)通過對(duì)工藝設(shè)備里面的溫度、壓力、流量或液位進(jìn)行控制，從而達(dá)到穩(wěn)準(zhǔn)快的控制效果。如果自動(dòng)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，就會(huì)給工藝生產(chǎn)帶來極大傷害，特別是會(huì)對(duì)工藝產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量甚至是安全帶來極大的影響。這對(duì)儀表穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行提出了更高要求，智能化工廠建設(shè)需要智能化儀表，具有自檢測(cè)、自校準(zhǔn)、自修正功能的儀表，可保證測(cè)量參數(shù)更加可靠和穩(wěn)定。

通常工廠提供助燃空氣都是通過鼓風(fēng)機(jī)輸送，鼓風(fēng)機(jī)在裝置的運(yùn)行中起到重要作用。其中，離心式鼓風(fēng)機(jī)由于工作效率比較高被廣泛使用，但離心式鼓風(fēng)機(jī)具有喘振特性，喘振對(duì)鼓風(fēng)機(jī)具有嚴(yán)重的破壞性，輕則影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行，重則損壞鼓風(fēng)機(jī)[1,2]。為保證離心式鼓風(fēng)機(jī)以及工藝裝置平穩(wěn)運(yùn)行，防喘振控制十分關(guān)鍵[3]，通常防喘振控制方案為：在主風(fēng)機(jī)入口設(shè)置流量計(jì)[4,5]，主風(fēng)機(jī)出口設(shè)置帶電磁閥的調(diào)節(jié)閥，流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)內(nèi)組成簡單調(diào)節(jié)回路，用于控制風(fēng)機(jī)出口流量；在控制系統(tǒng)中繪制喘振曲線和防喘振控制線，并組態(tài)調(diào)試；喘振曲線與防喘振控制線之間要預(yù)留安全閾度，安全閾度設(shè)置不僅考慮了安全控制和節(jié)約能源，更重要的是防止發(fā)生喘振。防喘振控制核心工作是對(duì)主風(fēng)機(jī)入口流量準(zhǔn)確測(cè)量[6,7]，通過實(shí)時(shí)上傳的流量值與喘振控制線的流量值比較，調(diào)節(jié)出口調(diào)節(jié)閥開度，使主風(fēng)機(jī)在喘振控制線安全區(qū)域運(yùn)行。

1 畢托巴流量準(zhǔn)確計(jì)量解決方案

根據(jù)喘振特性和主風(fēng)機(jī)入口的特點(diǎn)，采用具有脈動(dòng)診斷技術(shù)的畢托巴超級(jí)智能多流量測(cè)量系統(tǒng)。具有獨(dú)特的自檢測(cè)、自診斷、自校準(zhǔn)、自修正一體化體積和質(zhì)量流量計(jì)量功能的畢托巴超級(jí)智能多流量測(cè)量系統(tǒng)，是畢托巴公司推出的具有技術(shù)創(chuàng)新的方案，采用畢托巴“脈動(dòng)技術(shù)”流量計(jì)，可有效解決流量測(cè)量中在安裝直管段不足等情況下的測(cè)量精度問題。在流量計(jì)傳感器設(shè)計(jì)上采用多點(diǎn)取壓，分別采用導(dǎo)管對(duì)應(yīng)各自取壓孔的壓力傳導(dǎo)到各自的多參量流量內(nèi)形成獨(dú)立的流量計(jì)量單元，并不是簡單地將多個(gè)取壓孔通過一個(gè)導(dǎo)壓空腔混合成一路取壓。不同的流量計(jì)量單元同時(shí)測(cè)量同一截面的流量，通過匯總多個(gè)流量測(cè)量單元的流量，能夠可靠地測(cè)量出安裝截面的流量。在流量測(cè)量的同時(shí)，可動(dòng)態(tài)進(jìn)行對(duì)比不同流量計(jì)量單元測(cè)量的數(shù)據(jù)，儀表或系統(tǒng)通過不同流量單元測(cè)量的流量做流量平均值或兩兩平均相互比較，可以判別出每個(gè)流量測(cè)量單元的偏離平均流量超出誤差范圍，可以自動(dòng)屏蔽，形成自診斷、自校準(zhǔn)，以保證測(cè)量準(zhǔn)確度，具體如圖1、圖2。

圖1 流量計(jì)安裝圖Fig.1 Flowmeter installation diagram

圖2 測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle

1.1 自修正校準(zhǔn)原理

在同一傳感器中，插入管道部分傳感器有不同的位置（插入深度不同）、不同的傳壓孔、不同的測(cè)量通道，采用不同的變送器進(jìn)行測(cè)量。出廠標(biāo)定時(shí)分別標(biāo)定不同測(cè)量通道的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，獲得每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的管道流量數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)某一位置流量發(fā)生偏離后，通過動(dòng)態(tài)自動(dòng)診斷、不同通道流量對(duì)比功能，及時(shí)報(bào)警提示偏離正常流量的通道，對(duì)于偏離的數(shù)據(jù)，自動(dòng)屏蔽該位置計(jì)量偏差大的通道的流量數(shù)據(jù)，輸出正常通道的流量數(shù)據(jù)。

1.2 管道結(jié)垢測(cè)量原理

通常管道流動(dòng)中心流速高，靠近邊界層流速低，如圖3。根據(jù)速度剖面分布，距離管道中心的不同位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的差壓值不同，位置與差壓之間具有一種函數(shù)關(guān)系。與正常管道相比，若管道產(chǎn)生結(jié)垢，在同一流量下介質(zhì)的平均流速會(huì)變快，如圖4。但不同的位置點(diǎn)相對(duì)距管道邊緣的比例發(fā)生變化，對(duì)不同位置點(diǎn)的差壓影響不同，通過流量計(jì)處理器計(jì)算差壓函數(shù)的變化比較，判斷管道是否有結(jié)垢產(chǎn)生，如圖5。

圖3 通常管道流動(dòng)速度分布Fig.3 Flow velocity distribution in a typical pipeline

圖4 結(jié)垢管道流動(dòng)速度分布Fig.4 Flow velocity distribution of fouling pipeline

圖5 正常與結(jié)垢管道速度分布對(duì)比Fig.5 Comparison of velocity distribution of normal and scaled pipelines

1.3 防堵效果

流量探頭以其卓越的背靠背防堵式設(shè)計(jì)，徹底擺脫了流量探頭易堵塞的弊端，傳感器內(nèi)部介質(zhì)只是起到壓縮傳導(dǎo)壓力作用是不流動(dòng)，探頭前部因介質(zhì)流動(dòng)受傳感器阻擋形成高壓區(qū)，取壓孔在高壓區(qū)處介質(zhì)不流動(dòng)，取壓孔側(cè)方形成高流速區(qū)域，雜質(zhì)不會(huì)進(jìn)入到高壓區(qū)的取壓孔內(nèi)；雜質(zhì)受自身重力作用自然下落，會(huì)在高流速區(qū)域的帶動(dòng)下流動(dòng)到傳感器的下游，阻止了顆粒進(jìn)入取壓孔；傳感器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)不易受磨損、雜質(zhì)的影響，沒有可以活動(dòng)的部件，一體化結(jié)構(gòu)避免了高、低壓腔室之間的信號(hào)滲漏。實(shí)踐證明，防堵型畢托巴傳感器達(dá)到了理想的防堵性能和穩(wěn)定的取壓功能，長期運(yùn)行精確度高，計(jì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

1.4 穩(wěn)定效果

流量計(jì)探頭采用開放“V”形結(jié)構(gòu)，正壓迎流孔在斜面中心區(qū)域，充分感受介質(zhì)流動(dòng)在迎流面的壓力，并且取壓孔能夠有效地遠(yuǎn)離邊緣，取壓受介質(zhì)流動(dòng)在側(cè)方形成的干擾波動(dòng)影響?。回?fù)壓孔在緊靠正負(fù)壓腔分割面，能夠第一時(shí)間感受到介質(zhì)流動(dòng)脫離阻力件形成的流動(dòng)負(fù)壓，且介質(zhì)流動(dòng)形成的渦旋在分割面影響最小，流量傳感器會(huì)形成穩(wěn)定的差壓，如圖6。流量計(jì)和介質(zhì)充分接觸位置為金屬機(jī)械部件，受工況條件金屬材質(zhì)只有微量的膨脹系數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)沒有影響，容易受環(huán)境影響的電子部件在外部，可以通過外部防護(hù)措施使其有較好的運(yùn)行環(huán)境。所以流量計(jì)計(jì)量時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確地計(jì)量介質(zhì)的流量。

圖6 傳感器形成差壓流場(chǎng)圖Fig.6 The differential pressure flow field diagram formed by the sensor

2 具體應(yīng)用

鎮(zhèn)海煉化四硫磺主風(fēng)機(jī)K101A/B主風(fēng)機(jī)（圖7）入口流量測(cè)量最初采用均速管流量計(jì)配單臺(tái)高精度微差壓變送器，控制系統(tǒng)如圖8。由于主風(fēng)機(jī)出口直管段很短，流態(tài)不穩(wěn)，流量計(jì)測(cè)量嚴(yán)重失準(zhǔn)，實(shí)際已進(jìn)入喘振控制線的數(shù)據(jù)但系統(tǒng)顯示并未進(jìn)入喘振區(qū)，導(dǎo)致防喘振難以控制，為此該主風(fēng)機(jī)經(jīng)常發(fā)生喘振現(xiàn)象。同時(shí)由于該流量測(cè)量值波動(dòng)大，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)主風(fēng)機(jī)出口調(diào)節(jié)閥輸出隨之波動(dòng)大，造成該主風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)偏移量較大，主風(fēng)機(jī)無法穩(wěn)定運(yùn)行，在安全區(qū)和喘振區(qū)頻繁切換，導(dǎo)致防喘振閥、變頻器等設(shè)備的超負(fù)荷運(yùn)行，甚至損壞。

圖7 鎮(zhèn)海煉化四硫磺主風(fēng)機(jī)Fig.7 Four-sulfur main blower of Zhenhai refinery

圖8 控制系統(tǒng)流程圖Fig.8 Control system flow chart

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢查和核算，發(fā)現(xiàn)由于流量計(jì)安裝位置管道的直管段長度不足，原采用均速管流量計(jì)無法準(zhǔn)確測(cè)量氣體流量，且輸出流量波動(dòng)劇烈，對(duì)日常工藝運(yùn)營產(chǎn)生了負(fù)面影響。經(jīng)過與業(yè)主單位儀表中心反復(fù)論證和比對(duì)，證實(shí)該均速管流量計(jì)無法準(zhǔn)確測(cè)量主風(fēng)機(jī)入口流量，提出了采用畢托巴“脈動(dòng)技術(shù)”流量計(jì)，由3個(gè)探頭組合測(cè)量實(shí)現(xiàn)。通過前期大量實(shí)驗(yàn)標(biāo)定總結(jié)，完成流量制做，并順利完成了流量計(jì)安裝，安裝過程如圖9。在試運(yùn)行調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)流量準(zhǔn)確性已經(jīng)得到改善，但測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)仍會(huì)出現(xiàn)2000Nm3/h以上的波動(dòng)情況，具體如圖10。在做了差壓濾波、增大阻尼系數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)檢漏等多種措施后，波動(dòng)未得到有效解決。后經(jīng)畢托巴公司與業(yè)主單位儀表中心反復(fù)分析原因，現(xiàn)場(chǎng)管道防雨帽影響流場(chǎng)變化較大，通過重新按現(xiàn)場(chǎng)繪制圖紙，采用流場(chǎng)分析軟件，模擬現(xiàn)場(chǎng)流場(chǎng)分布情況，重新分析尋找到相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)位置點(diǎn)，重新定位將流量計(jì)插入深度由原來的330mm調(diào)整為450mm，并根據(jù)管道流場(chǎng)分布系數(shù)，修正后有效解決了數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題。正式投用后，流量波動(dòng)在1500Nm3/h以內(nèi)，DCS顯示的曲線波動(dòng)情況完全達(dá)到工藝控制要求，詳見調(diào)試前后實(shí)際流量趨勢(shì)圖，具體如圖11。

圖9 安裝過程Fig.9 Installation process

圖10 調(diào)試前流量波動(dòng)Fig.10 Fluctuation of flow before commissioning

圖11 調(diào)試后流量波動(dòng)Fig.11 Flow fluctuation after debugging

主風(fēng)機(jī)入口流量計(jì)既參與出口流量調(diào)節(jié)，又參與防喘振控制。因此，該流量計(jì)的選型至關(guān)重要。本次改造主風(fēng)機(jī)入口流量計(jì)選用畢托巴“脈動(dòng)技術(shù)”流量計(jì)，該流量計(jì)具有壓損小、精度高、重復(fù)性好、防堵性和安全性好等特點(diǎn)，十分適合該工況。同時(shí)，通過獲得管道介質(zhì)流場(chǎng)的相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)，降低了差變數(shù)值波動(dòng)幅度，解決了流量數(shù)據(jù)波動(dòng)大的問題。

3 結(jié)束語

在工業(yè)防喘振控制方案中，入口流量的準(zhǔn)確測(cè)量是重中之重，特別是在直管段很短的大口徑管道中的流量準(zhǔn)確測(cè)量堪稱技術(shù)“瓶頸”。畢托巴“脈動(dòng)技術(shù)”流量計(jì)在鎮(zhèn)海煉化四硫磺主風(fēng)機(jī)出口流量測(cè)量準(zhǔn)確，取得很好的效果，有效避免喘振發(fā)生，解決了湍流狀態(tài)流體場(chǎng)的測(cè)量準(zhǔn)確性問題，解決了流量數(shù)據(jù)波動(dòng)大的問題。畢托巴公司在喘振控制中既考慮了安全性，又照顧到了可操作性，保證了設(shè)備長周期安全運(yùn)行，提高了裝置經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)出。

畢托巴公司長期致力于技術(shù)先進(jìn)的流量計(jì)量解決方案，尤其在復(fù)雜工況流體方面，努力提高流量計(jì)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，為我國冶金、鋼鐵、石化等企業(yè)動(dòng)力設(shè)備的安全運(yùn)行和裝置平穩(wěn)生產(chǎn)起到了關(guān)鍵的技術(shù)支撐作用。