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 烯烴廠機動工程部，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，隨著工廠自動化程度越來越高，從以前氣動儀表、電動儀表發(fā)展到目前的集散系統(tǒng)，把單回路控制集成到了對整個生產(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)場的閥門，能夠及時通過對工藝設備里面的溫度、壓力、流量或液位進行控制，從而達到穩(wěn)準快的控制效果。如果自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，就會給工藝生產(chǎn)帶來極大傷害，特別是會對工藝產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量甚至是安全帶來極大的影響。這對儀表穩(wěn)定和可靠的運行提出了更高要求，智能化工廠建設需要智能化儀表，具有自檢測、自校準、自修正功能的儀表，可保證測量參數(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機輸送，鼓風機在裝置的運行中起到重要作用。其中，離心式鼓風機由于工作效率比較高被廣泛使用，但離心式鼓風機具有喘振特性，喘振對鼓風機具有嚴重的破壞性，輕則影響裝置平穩(wěn)運行，重則損壞鼓風機[1,2]。為保證離心式鼓風機以及工藝裝置平穩(wěn)運行，防喘振控制十分關(guān)鍵[3]，通常防喘振控制方案為：在主風機入口設置流量計[4,5]，主風機出口設置帶電磁閥的調(diào)節(jié)閥，流量計和調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)內(nèi)組成簡單調(diào)節(jié)回路，用于控制風機出口流量；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留安全閾度，安全閾度設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主風機入口流量準確測量[6,7]，通過實時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，使主風機在喘振控制線安全區(qū)域運行。

1 畢托巴流量準確計量解決方案

根據(jù)喘振特性和主風機入口的特點，采用具有脈動診斷技術(shù)的畢托巴超級智能多流量測量系統(tǒng)。具有獨特的自檢測、自診斷、自校準、自修正一體化體積和質(zhì)量流量計量功能的畢托巴超級智能多流量測量系統(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“脈動技術(shù)”流量計，可有效解決流量測量中在安裝直管段不足等情況下的測量精度問題。在流量計傳感器設計上采用多點取壓，分別采用導管對應各自取壓孔的壓力傳導到各自的多參量流量內(nèi)形成獨立的流量計量單元，并不是簡單地將多個取壓孔通過一個導壓空腔混合成一路取壓。不同的流量計量單元同時測量同一截面的流量，通過匯總多個流量測量單元的流量，能夠可靠地測量出安裝截面的流量。在流量測量的同時，可動態(tài)進行對比不同流量計量單元測量的數(shù)據(jù)，儀表或系統(tǒng)通過不同流量單元測量的流量做流量平均值或兩兩平均相互比較，可以判別出每個流量測量單元的偏離平均流量超出誤差范圍，可以自動屏蔽，形成自診斷、自校準，以保證測量準確度，具體如圖1、圖2。

圖1 流量計安裝圖Fig.1 Flowmeter installation diagram

圖2 測量原理Fig.2 Measurement principle

1.1 自修正校準原理

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、不同的測量通道，采用不同的變送器進行測量。出廠標定時分別標定不同測量通道的校準數(shù)據(jù)，獲得每個位置對應的管道流量數(shù)據(jù)，實際應用中當某一位置流量發(fā)生偏離后，通過動態(tài)自動診斷、不同通道流量對比功能，及時報警提示偏離正常流量的通道，對于偏離的數(shù)據(jù)，自動屏蔽該位置計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)垢測量原理

通常管道流動中心流速高，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對應的差壓值不同，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)的平均流速會變快，如圖4。但不同的位置點相對距管道邊緣的比例發(fā)生變化，對不同位置點的差壓影響不同，通過流量計處理器計算差壓函數(shù)的變化比較，判斷管道是否有結(jié)垢產(chǎn)生，如圖5。

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

圖4 結(jié)垢管道流動速度分布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計，徹底擺脫了流量探頭易堵塞的弊端，傳感器內(nèi)部介質(zhì)只是起到壓縮傳導壓力作用是不流動，探頭前部因介質(zhì)流動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，取壓孔側(cè)方形成高流速區(qū)域，雜質(zhì)不會進入到高壓區(qū)的取壓孔內(nèi)；雜質(zhì)受自身重力作用自然下落，會在高流速區(qū)域的帶動下流動到傳感器的下游，阻止了顆粒進入取壓孔；傳感器的獨特結(jié)構(gòu)不易受磨損、雜質(zhì)的影響，沒有可以活動的部件，一體化結(jié)構(gòu)避免了高、低壓腔室之間的信號滲漏。實踐證明，防堵型畢托巴傳感器達到了理想的防堵性能和穩(wěn)定的取壓功能，長期運行精確度高，計量檢測數(shù)據(jù)可靠。

1.4 穩(wěn)定效果

流量計探頭采用開放“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)流動在迎流面的壓力，并且取壓孔能夠有效地遠離邊緣，取壓受介質(zhì)流動在側(cè)方形成的干擾波動影響小；負壓孔在緊靠正負壓腔分割面，能夠第一時間感受到介質(zhì)流動脫離阻力件形成的流動負壓，且介質(zhì)流動形成的渦旋在分割面影響最小，流量傳感器會形成穩(wěn)定的差壓，如圖6。流量計和介質(zhì)充分接觸位置為金屬機械部件，受工況條件金屬材質(zhì)只有微量的膨脹系數(shù)對測量數(shù)據(jù)沒有影響，容易受環(huán)境影響的電子部件在外部，可以通過外部防護措施使其有較好的運行環(huán)境。所以流量計計量時抗干擾能力強，能夠準確地計量介質(zhì)的流量。

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

2 具體應用

鎮(zhèn)海煉化四硫磺主風機K101A/B主風機（圖7）入口流量測量最初采用均速管流量計配單臺高精度微差壓變送器，控制系統(tǒng)如圖8。由于主風機出口直管段很短，流態(tài)不穩(wěn)，流量計測量嚴重失準，實際已進入喘振控制線的數(shù)據(jù)但系統(tǒng)顯示并未進入喘振區(qū)，導致防喘振難以控制，為此該主風機經(jīng)常發(fā)生喘振現(xiàn)象。同時由于該流量測量值波動大，導致系統(tǒng)對主風機出口調(diào)節(jié)閥輸出隨之波動大，造成該主風機工作點偏移量較大，主風機無法穩(wěn)定運行，在安全區(qū)和喘振區(qū)頻繁切換，導致防喘振閥、變頻器等設備的超負荷運行，甚至損壞。

圖7 鎮(zhèn)海煉化四硫磺主風機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)場檢查和核算，發(fā)現(xiàn)由于流量計安裝位置管道的直管段長度不足，原采用均速管流量計無法準確測量氣體流量，且輸出流量波動劇烈，對日常工藝運營產(chǎn)生了負面影響。經(jīng)過與業(yè)主單位儀表中心反復論證和比對，證實該均速管流量計無法準確測量主風機入口流量，提出了采用畢托巴“脈動技術(shù)”流量計，由3個探頭組合測量實現(xiàn)。通過前期大量實驗標定總結(jié)，完成流量制做，并順利完成了流量計安裝，安裝過程如圖9。在試運行調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)流量準確性已經(jīng)得到改善，但測量數(shù)據(jù)波動仍會出現(xiàn)2000Nm3/h以上的波動情況，具體如圖10。在做了差壓濾波、增大阻尼系數(shù)、現(xiàn)場檢漏等多種措施后，波動未得到有效解決。后經(jīng)畢托巴公司與業(yè)主單位儀表中心反復分析原因，現(xiàn)場管道防雨帽影響流場變化較大，通過重新按現(xiàn)場繪制圖紙，采用流場分析軟件，模擬現(xiàn)場流場分布情況，重新分析尋找到相對穩(wěn)定的流場位置點，重新定位將流量計插入深度由原來的330mm調(diào)整為450mm，并根據(jù)管道流場分布系數(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，流量波動在1500Nm3/h以內(nèi)，DCS顯示的曲線波動情況完全達到工藝控制要求，詳見調(diào)試前后實際流量趨勢圖，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Fig.10 Fluctuation of flow before commissioning

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

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

3 結(jié)束語

在工業(yè)防喘振控制方案中，入口流量的準確測量是重中之重，特別是在直管段很短的大口徑管道中的流量準確測量堪稱技術(shù)“瓶頸”。畢托巴“脈動技術(shù)”流量計在鎮(zhèn)海煉化四硫磺主風機出口流量測量準確，取得很好的效果，有效避免喘振發(fā)生，解決了湍流狀態(tài)流體場的測量準確性問題，解決了流量數(shù)據(jù)波動大的問題。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，保證了設備長周期安全運行，提高了裝置經(jīng)濟效益的產(chǎn)出。

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