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              孔板流量計

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              孔板流量計在合成氣流量監測中的應用及算法優化

              作者: 來源: 發布時間:2019-12-31 16:30:29

                  摘 要:本文介紹了畢托巴流量計在煤制乙二醇合成系統中的應用。從多組分合成氣在計量儀表選用的實際經驗出發,系統分析了畢托巴流量計的工作方式及效果,并對畢托巴流量計的流量補正算法進行優化,為類似應用場景提供借鑒。

                  1 引言
                  煤制乙二醇是近年來國內新研發的一項擁有自主知識產權的世界首創技術。由于采用了有機化工生產工藝,其合成循環氣系統具有組分復雜、溫度高、控制參數要求精細的特點。因此,對于合成氣系統的總管、各反應器入口流量的實時監測,有著較高的精度要求。

                  本合成氣系統原設計的各主要管路流量計量均采用了孔板流量計,在裝置實際運行過程中,發現了如下不足。孔板流量計由于其節流元件造成的壓損,對系統負荷產生較大阻力。系統管徑粗,孔板密封墊片易泄漏,對于乙二醇合成系統易燃易爆的環境尤其危險。測量不夠準確,尤其在低負荷工況下存在無讀數、指示頻繁波動的現象。易導致聯鎖系統誤動作。

                  經過對各種類型的流量計量儀表比較和探討,本項目zui終選取了畢托巴流量計對合成系統的重要孔板流量計進行了替換改造。

                  2 畢托巴流量計
                  2.1 工作原理
                  畢托巴流量計(圖1)是采用皮托管原理的一種差壓式流量測量儀表。畢托巴傳感器(探針)由一對取壓孔組成,插入管道中心??倝嚎讓φ黧w的來流方向取總壓P1,靜壓孔對正流體的去流方向取靜壓P2,兩者的差壓△P 即為管道中心的實測差壓。再由該探針的風洞標定曲線擬合出該處管道截面的平均差壓,將此平均壓差信號引入DCS控制系統,配合溫壓補償程序計算出該管道截面的瞬時流量。

               

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                  2.2 工作優點
                  相比于孔板流量計,畢托巴流量計具有如下優點:
                  (1)測量范圍廣,對低流速、小流量、大管徑測量效果尤佳。
                  (2)安裝方便,插入式安裝僅需在管道上打孔;流量計僅需定期標定零點,維護量少。
                  (3)節能:由于一次測量裝置為不銹鋼制成的細小探針,在介質管道中幾乎無壓力損失,使運行成本大大減小,與孔板等節流裝置相比較具有明顯的節能效果。
                  (4)可靠性高:因探針的構造非常簡單,結構設計合理,導壓管內介質不流動,雜物不容易進去,所以能長時間保持測量精度。

                  3 工程應用
                  3.1 工程應用
                  合成氣系統的這幾處重點流量監測信號,均作為聯鎖條件參與SIS安全儀表系統的聯鎖邏輯。同時也要在DCS系統中實時顯示,供工藝人員進行工況監控。我們根據上述需求制定改造方案:選用BTB-M高溫高壓型畢托巴流量計;采取傳感器與管道打孔焊接安裝方式;在畢托巴流量計所處管道位置的附近安裝溫度、壓力傳感器,一同引入DCS系統,對被測介質進行溫、壓補償,以確保測量精度。

                  改造之前,每臺流量變送器均直接接入SIS系統,再將實時工程值跨系統通訊給DCS系統。由于DCS、SIS兩系統通訊有實測1秒左右延遲,且DCS的歷史趨勢對于通訊接入的變量記錄精度低,導致工藝人員操作不便。因此,本次改造將每個畢托巴流量計的變送器傳輸給主控室的模擬信號,先接入倍加福的STC4-EX1.20一分二安全柵。安全柵隔離后傳出的兩路相同的4~20mA信號,一路進SIS系統,另一路進DCS系統。在SIS、DCS系統中分別組態和編寫流量計算程序。這樣就提高了系統的安全性和實時性。

                  對于差壓式流量計的一次測量裝置,根據流量測量原理,都需要明確流量系數。流量系數的大小和線性,與一次測量裝置的形狀、幾何尺寸、工藝條件、使用管徑等因素有關。由于畢托巴流量計的檢測件形狀、尺寸沒有國際標準化,其流量系數必須經過實驗方式測定。因此,畢托巴流量計在出廠前均用流量標準裝置進行了逐臺檢定,將差壓變送器輸出的4~20mA標準直流電流信號分n 段,進行微積分計算得到n 個流量修正系數Ai,從而保證畢托巴流量計在全量程范圍內的準確度。

                  對于本項目選用的這些畢托巴流量計,廠家隨機提供的“流量補正參數表”均為五個分段,對應五個修正系數。

                  并要求在流量計算時,每個分段內的流量修正系數固定不變(如圖2所示)。

               

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                  根據畢托巴流量計的標況流量計算公式,編寫程序,得出檢測點的實時標況流量。

               

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                  Q—瞬時流量,T—工作溫度(℃),P—工作壓力(kPa)。

                  3.2 運行評估
                  項目改造完畢、畢托巴流量計投用后,原孔板流量計的弊端確實有很大改善:

                  (1)合成氣系統的壓損減少了16%,生產裝置的能耗顯著降低。

                  (2)各反應釜的進出流量加和均能與分支管道、總管道準確對應,平均偏差<2%。

                  (3)SIS系統與DCS系統分別計算出的標況流量指示值也能準確對應,消除了主控系統的安全風險。

                  3.3 存在問題
                  投入運行不久發現,在流量補正算法的各分段點附近會出現流量示值的頻繁波動。尤其系統負荷恰好穩定在某分段點時,從DCS的歷史趨勢上可觀察到長時間、明顯的高頻尖峰波形。工藝操作人員由于對該型流量計測量、計算原理不了解,多次質疑這種流量指示的劇烈波動,并且導致合成系統工況難以準確操控。對于SIS聯鎖系統,這種不能真實反映循環氣系統的流量值偏差,也是需要極力避免的。對此,我們又對流量算法實施了一些改進工作。

                  4 算法優化
                  首先,我們要求畢托巴流量計廠家根據每臺流量計出廠前的檢定數據,分別提供一份設置有十個分段的“流量補正參數表”。但得到反饋后,發現廠家只是簡單地對原有的A1~A5五個流量修正系數進行中間數插值,擬算成十個流量系數。也無法得到廠家的進一步技術支持。

                  在重新編寫計算程序、再次投用后,先前的分段點波動現象,有一定的緩解,但仍未達到我們對測量準確度的要求。繼而,我們通過對畢托巴流量計的資料進行深入研究,并征求到廠家同意,提出了對A1~A5五個流量修正系數采取折線過渡的算法改進:每個分段區間內用一次函數計算出實時變動的流量補正系數Ai,再參與溫壓補償計算。根據優化后的程序,實現了如圖3所示的流量修正系數Ai在全量程內的無跳變銜接。經過對流量補正算法的優化,完全消除了流量指示的異常波動現象。

               

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                  生產工藝方面,也增加了合成氣系統組分的化驗分析頻次,盡可能的在不同生產負荷下都將合成氣系統的各氣體組分的比例控制穩定,從而保持管道內介質的總密度恒定。這樣也將畢托巴流量計的測量誤差進一步減小。經過長期的使用驗證,改造后畢托巴流量計各項技術指標均達到滿意效果。

                  5 故障對策
                  畢托巴流量計結構簡單,在管道中沒有電子元件和可動部件,因此很少出現故障。在使用過程中,偶爾出現過瞬時流量由某一穩定值掉落至另一穩定值的現象。由于本項目采用的畢托巴流量計沒有設計安裝導淋,通過關閉三閥組的平衡閥,打開壓差室的排污絲堵,可發現有液體溢出。經分析判斷,是因為合成循環氣中偶有極少量的醇類氣體凝結在傳感器內所致。因此,畢托巴流量計在日常維護中,應注意伴熱保溫的效果。

                  6 結束語
                  通過選用畢托巴流量計對合成循環氣系統的原有孔板流量計進行替換改造,并對應用過程中出現的不足進行了分析。進而對流量補正算法進行優化,對流量補正系數采取折線函數的線性過渡方法,zui終實現了流量監測準確性、穩定性方面的提升;減小了系統壓損,使乙二醇生產裝置的能效提升,長期穩定在高負荷運行。本項目的研究經驗,可供類似包含多種氣體組分,高溫、高壓,且易燃易爆的生產裝置提供選擇參考。

              下一篇:氧化鋁生產過程中一體化孔板流量計的選擇和應用

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