弯管流量计在石化行业中的应用

0 引言

    在大型的石油化工企业中，诸如：高压天然气（含双向流）、蒸汽（过热、饱和）、大口径窑炉煤制气（含煤焦油）、高压CO2气液双相流计量等流量测量问题一直困扰着计量管理和技术人员。

    传统的孔板流量计、喷嘴流量计以及旋进漩涡流量计，由于节流装置压损大、磨损严重、不能测双向流、难于拆装清洗等原因，并不是解决这些测量问题的最好选择；涡街流量计、巴类流量计（阿牛巴等）也存在磨损、堵塞、结疤、怕振动、标定困难等难题，使它们在上述应用中受到较大的限制。

    该文通过弯管流量计对上述介质的成功测量案例进行分析，证明弯管流量计是一种新型的具有广阔发展前景的流量计。

    1 弯管流量计在石化行业中的应用效果和节能分析

    1.1　工作原理

    理论研究和大量的实验研究表明[1-3]：流体在流经弯管时，由于弯曲管壁的导流作用，使流体在流进弯管时其内侧流速会逐渐增大，而外侧流速却逐渐减小，这就形成了各个过流断面的近似梯形速度分布，且这种梯形速度分布状态在弯管45°截面处达到极限状态。弯管45°截面各质点流速分布如图1所示。      

图1　弯管45°截面各质点流速分布    

    根据质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律，流体在管道中流动时，在相同过流断面各元流质点的能量不变，但由于各质点流速的变化（内侧大、外侧小）就形成了弯管的内外侧压差Δp。这个压力差在45°截面时达到最大、最稳定。且45°弯管断面的流体平均流速与压差Δp的对应关系符合平方比例关系。深入的理论研究和大量的试验分析证明流体流过弯管形成的差压与流速的严格对应关系同弯管的几何结构尺寸（弯曲半径R和内径D）有密切关系。由以上分析可知弯管传感器的几何结构尺寸确定之后，只要测取流体流经弯管的Δp和流体的密度ρ就可以确定流体的平均流速。其数学表达式为：

    式中　C———实验修正系数；α———综合流量系数；Re———雷诺数；Fr———富鲁德数；Ma———马赫数；R/D，L1/D，L2/D，λ1/D，λ2/D，λ3/D，λ4/D，Δ/D———弯管流量计几何特征量。

    1.2　应用效果和节能分析

    1.2.1　蒸汽计量

    弯管流量计应用于大庆石化化工一厂蒸汽流量的测量，使蒸汽流量测量装置容易泄漏的难题得到根本性的解决；无阻力损失的优点，可获得更好的经济效益；耐磨损、长周期运行不需要进行维护，使运行维修费用降到最低点。

    该厂原蒸汽计量采用标准孔板法兰取压方式，由于S100（10MPa）蒸汽压力高，管径12in（1英寸=25.4mm），每套孔板有2个密封垫片，每次在送与停切换过程中，受热胀冷缩作用，导致孔板泄漏，最终无法使用。

    弯管传感器作为弯管流量计的核心部件是一体一面决定精度，而孔板流量计是靠内孔一条锐角线来保证精度，一条线与一个面相比是一比无穷大的关系。轻度磨损对一条线是致命的，但对一个面来说则微不足道，有效保证了弯管流量计的重复性精度。另外，弯管传感器内表面为弧形结构，无锐角易损件，耐磨损能力进一步加强，可将弯管传感器与工艺管道直接焊接安装，彻底解决跑冒滴漏问题，保证了S100计量表的长期稳定准确运行。

    弯管流量计取压孔相对于进出口是对称结构，因此传感器无特定方向，可测双向流。如果电厂锅炉出现问题，由该厂给外网提供蒸汽动力；反之，由电厂给该厂提供蒸汽动力，保证了该厂辅助锅炉的蒸汽平衡，同时也确保了双方互供蒸汽的计量准确度。

    该厂于2004年4月共投用了14套弯管流量计测量蒸汽，其中4套是蒸汽外网互供能源，用于贸易计量结算，其余用于该厂内蒸汽平衡、计量与控制。投用至今，与外厂蒸汽计量表的瞬时量、累计量进行了比对，完全满足精度要求。

    1.2.2　高压天然气计量

    a）国内外天然气的计量仪表主要有以下几类：孔板流量计、涡轮和腰轮流量计、涡街和旋进旋涡流量计、超声波流量计，在使用上以前两种为主。

    孔板流量计具有标准化程度高、使用简单可靠的优点，但存在着压损大，量程比小，安装要求严格，不耐腐蚀，不可以测双向流、脉动流等缺点；涡轮和腰轮流量计对气质要求较高，遇气质杂质受卡而无法计量；涡街和旋进旋涡流量计量程宽、无可动部件，但其对管网抗干扰能力要求较高，另外旋进旋涡流量计的压损特别大；超声波流量计具有量程比大、双向测量、无压损、无可动部件和高精度等优点，但其标准不完善，干校后仍需实流检定，探头电气特性的稳定性及探头的互换性有待于验证，必须周期送检，从费用和工作量上看，对用户是个极大的负担。    

    大庆油田喇嘛甸地下储气库是目前亚洲最大的储气库。储气库地面注气站（喇二注气站）自2000年7月份全部投产以后，高压天然气计量问题一直困扰着该厂，注气站先后选用了超声波流量计和旋进旋涡流量计进行高压天然气的计量。经过一年多的运行表明旋进旋涡流量计计量严重失准，计量误差在±（10.5～35.5）%。而且该流量计内部有插入部件（旋涡发生体），在应用过程中容易引起气体节流降温，旋涡发生体结霜，使传感部件失去作用，并造成工艺系统憋压；而超声波流量计虽然能满足测量精度要求，但其价格昂贵（每台约需人民币50万元），很难大面积推广使用。

    b）弯管流量计用于高压天然气计量时，安装工艺简单，保持站内原工艺，仅将90°水平弯头切下，然后焊接上弯管传感器即可。安装工艺如图2所示。

图2　弯管流量计的安装方式

    c）应用效果分析，弯管流量计（以气107井为例）与位于天然气计量交接口的超声波流量计比对看出，两种流量计的瞬时流量示值偏差最大仅为-2.15%；累计流量平均比对示值偏差仅为-0.44%。

    d）评价[4-5]。1）低压超声波流量计在2001年5月经过“国家原油大流量计量站成都天然气流量分站（西南油气田分公司天然气计量检测中心）”检定，超声波流量计本身的计量精度达到国家标准，因此以超声波流量计为比对基准是可信的；2）弯管流量计在喇二注气站现场试验中，与超声波流量计比对示值误差小于±2%，计量精度远远高于±5%的精度指标；3）弯管流量计无节流部件（与所连接的管道同径），高压天然气通过弯管流量计时无附加压力损失；4）由于弯管传感器一次焊接在管道上，无可动部件，无须更换，使用寿命与管道等同，没有日常维护工作量。

    e）弯管流量计可双向计量。现场工艺要求冬季将天然气由储气库注入油井，夏季从油井采出输往储气库。弯管流量计由于其特殊的测量原理，无方向性，1台流量计取代其他类型2台流量计，节约了成本又为现场计量提供了方便。弯管流量计在高压天然气计量上的成功应用，解决了石化行业高压天然气难以实现精确计量的难题，为石油化工行业高压气体计量仪表的国产化进行了成功的试验探索。

    1.2.3　高压CO2气液二相流计量

    气液两相流体与单相流体相比，其流量测量技术无论在测量精度、测量范围和可靠性等方面，还不能满足工程实际的需要，分离法一直是气液两相流体在工程上采用的传统测量方法。近年来，随着海上和沙漠油田的开发，分离法因分离设备体积庞大，系统造价昂贵，自动化程度偏低等原因而表现出严重的不适应性，世界各国都在投入巨资竞相开发两（多）相流体流量计，以取代笨重的分离设备。但由于气液两相流体的流动具有强烈的波动性，流型也随流量和组分不断变化，目前研制的各种两相流体流量计在测量精度和可靠性上仍不能完全达到商用仪表的要求（测量精度低于±10%）。

    气液两相流的计量是世界各国流量界面临的共同难题，大多数流量计需要密度参与计算，而临界状态流体有个相变过程，时而气态时而液态，使密度变化无常，无法得到质量流量；低压下采用质量流量计还能得到准确计量，因为它的传感器产生的信号直接与质量成正比，与密度无关。随着压力的提高，问题逐渐突出，高压下的介质会使科氏质量流量计不能产生科氏力，进而无法实现准确计量。

    黄桥CO2气井井口温度20～35℃，压力为5.5～8MPa，CO2相态平衡如图3所示。井口条件下的CO2为液气混相态及超临界状态。在如此高压下，流体热焓的微小变化会造成气态和液态互相转化，密度变化剧烈，传统方法根本不能确定液态比例和密度。图3中右侧为气相，左侧为液相，中间为液汽混相区。不同的线代表不同温度的等压线，以20℃等压线为例，压力较低时分布在右侧气相区，随着压力增高达到气液临界线（虚线），然后向左进入混相区。进入该区后压力恒定不变，随着介质焓值的减小，流体的气相部分由100%逐渐降为0；液相由0升为100%，比容也逐渐减小，即密度逐渐增加，液相达到100%后密度不再增加。根据图3中数据，混相区内相同温度、压力下比容（密度）变化高达几十倍，根本无法通过温压补偿确定密度。

图3　密闭情况下的CO2相态平衡

    曾采用了多种方法解决密度问题，如引入压缩因子计算、先计算干气体密度再加入湿度补偿、采用范德瓦尔方程等，都没有取得理想效果。最后根据伯努力方程原理利用流体流过一段立管时上下二点差压成功测量出流体密度。

    a）根据伯努利方程

    式中　v1=v2；Δp———由状态1到状态2的压力损失。

    上式可简化为

    b）求Δp

    1）工况下的Re：

    已知条件7MPa，30℃时，CO2黏度μ=2.5×10-5Pa·s；

    7MPa，20℃时，CO2黏度μ=7.3×10-5Pa·s；

    管道材质为无缝钢管，内壁粗糙度ε=0.05～0.17mm；

    管道内径d=25mm，流速v=0～2m/s；      

    则Re=dvρ/μ=1.5×105～6×105。

    2）阻力系数λ

    根据流体力学，由雷诺数范围可知，此时λ仅与管道相对粗糙度ε/d有关，查表求得λ=0.03164：

    c）求CO2密度ρ

    d）质量流量。密度计算需要知道当前流速，可以利用弯管流量计的差压值Δp1进行计算。

    式（1）、式（5）联立：通过数学中叠代运算可以准确算出当前流速和密度，进而确定质量流量。

    此双差压测量方案经实验一举获得成功，精度1.5级，为流量界测二相流提供了一种新的测量方法。目前该方案已通过当地技术监督局实流标定，确认精度后应用于CO2贸易计量。经估算，实施计量后每年可为华东石油局回收气费1500多万元，取得了显著的经济效益。

    华东石油局通过国家科技部进行科技查新，证明此种测量流量方法国内未见任何文献报道及现场应用，属于科技创新。

    1.2.4　煤制气计量

    随着燃油价格的居高不下和煤制气设备及工艺技术的日臻成熟，陶瓷业的窑炉燃料已逐步由燃油转为煤制气。虽然煤制气燃料在行业内的使用已有三四年的历史，但一直无法对单台设备的燃料（煤制气）消耗量进行计量。一些企业曾经尝试使用传统的孔板或涡街流量计，但介质含大量煤焦油、大管道直管距离严重不足和压力过低不能有任何压力损失，这些问题严重制约了传统流量计的应用。据了解，目前陶瓷企业对窑炉煤制气燃料消耗的统计，只是将全厂用煤量对各台设备进行摊派摊分，这种方法对车间产品燃料消耗计算的误差很大。因此，选用弯管流量计，对煤制气进行计量，是比较正确的。

    用户实例：广东金牌陶瓷公司使用弯管流量计对单条辊道窑的煤制气现场实施计量，并对其准确度进行校验，测量结果如表1所列。

    流量误差

    对比可知，弯管流量计所显示数据比实际测定值偏低1.21%，满足企业对燃料消耗的计量要求。

    随着陶瓷企业对计量管理、节能降耗、定额考核等的重视，以及窑炉自控技术水平的提高和煤制气燃料的普及应用，弯管流量计有着广泛的应用前景。

    2　弯管流量计在安装使用中应注意的问题

    a）确保前5D后2D的直管段。

    b）在含水量较高的气体测量中，避免水进入导压系统，造成系统无法测量。

    众所周知，在压缩空气和采用水除尘的高、焦炉煤气等很多气体流体中均含有大量的水分，基本是处于饱和状态，有的在管道的下方形成水层，如采用图4所示的常规安装方式，水会流入弯管传感器内侧取压口，进入导压系统，外侧也会有少量的凝结水进入，正负压侧进水量不等，给差压的测量带来不可确定的附加误差，造成无法计量[6-7]。

图4　常规安装方式

    采用图5安装方式，弯管传感器的两侧取压体均向上倾斜，并向上引导压管，连接差压变送器，即避免了管道中的水进入导压系统，又可以使导压系统中凝结的水顺利流回管道中，不会影响计量。

图5　改变后新的安装方式

    如果考虑差压变送器维护的方便等原因，要求差压变送器必须装在管道下方，可采用图6的安装方法，取压体及导压管先向上，避免大量的水流入导压系统，再向下，并在导压系统的最低点加装集液罐，使得导压系统凝结的水流入集液罐中，定期排水，可以保证正常计量。

图6　变送器在管道下安装方式

    c）在含气量较高的液体测量中，避免气体进入导压系统，造成系统无法测量。

    d）差压变送器的安装原则是既要便于液体测量的排气，又要防止气体测量中水进入差压变送器膜合腔中。

    e）在脏污介质的流量测量中，尽可能选用较大的取压孔及较大孔的取压体，延迟堵塞时间。同时建议选用三通根阀，解决在线处理堵塞问题。

    在测量煤气、污水等脏污介质的流量时，差压式流量计最大的缺点是取压系统的堵塞问题，弯管流量计取压孔的堵塞可以采用加大取压孔和取压体孔径（在保证测量精度的前提下）的方法，延迟堵塞时间；同时选用三通根阀作为一次阀，解决在线处理堵塞问题，三通根阀安装时，一定要将丝盖的一端与取压体同轴，堵塞时，转动阀柄，打开丝盖，通开堵塞处，转动阀柄至原测量状态，拧紧丝盖，系统即可正常工作。

    f）蒸汽测量中，选用盘式冷凝器，解决良好的液位平衡问题。

    3　结束语

    实际应用表明：采用弯管流量计替代传统的孔板式流量计和进口流量计，目前已经比较成熟，在计量准确的同时，又大大降低了运行费用，同时在弯管流量计能够双向（相）计量的独有设计原理的保证下，解决了石化行业计量的难题。

    弯管流量计应用前景广阔，发展潜力巨大，为企业节能减排提供了有力的技术支持。

    参考文献：

    [1]　李　志.弯管流量计的研究和应用[J].计量学报，2003，（3）：12215.
    [2]　孙淮清.“流量测量技术与仪表选用”讲座[J].自动化仪表，1998，（9）：8212.
    [3]　王振利.弯管流量计在高压天然气计量中的应用[J].工业计量，2006，（6）：20224.
    [4]　王玉东.弯管流量计安装中应注意的几个问题[J].河北理工学院学报，2004，（5）：17221.
    [5]　何　岳.弯管流量计在蒸汽计量中的应用[J].工业计量，2001，（2）：28232.
    [6]　赵　武.弯管流量计节能效益分析[J].河北理工学院学报，2003，（4）：47249.
    [7]　赵　武.在蒸汽测量中弯管流量计采用水平导压管取代冷凝罐[J].河北理工学院学报，2005，（2）：95297.