双量程差压流量计在火炬控制系统中的应用

孙鲁，王石涛，纪波峰，纪纲

（1.中石化上海工程有限公司，上海200120；2.中石化上海高桥分公司，上海200137；3.上海同欣自动化仪表有限公司，上海200070）

1 蒸汽在火炬系统中的作用

在采油平台、炼油厂等石化企业，一般均配有火炬系统，这对保证工艺装置安全生产、保护环境和节能降耗具有重要意义。火炬系统的主要任务是将可燃的有毒和腐蚀性气体通过燃烧变成无害或毒害较轻的化合物，减少对环境的污染。

火炬气来源于生产流程的驰放气以及遍布各处的安全阀，暂时不能利用的可燃气体也送至火炬系统燃烧。各种来源的火炬气经支管汇集到主管，经气液分离器和水封送火炬系统［1］，在火炬头用点火装置点燃燃烧。为了使火炬气充分燃烧，理论分析和运行实践表明，火炬气在到达火炬头之前须用合适比例的水蒸气稀释（此处的水蒸气又叫消烟蒸汽），因而火炬系统自控设计的重点是配置一套适用的火炬气流量计和一套适用的蒸汽流量计，并将两路流量信号送入DCS（或调节仪表）实现比值调节，调节系统如图1所示［2］。

图1 消烟蒸汽与火炬气的比值控制系统示意

在图1所示的系统中，水蒸气流量与火炬气流量保持合适的比例至关重要，消烟蒸汽不足，火炬气燃烧不充分，将引起环境污染。而消烟蒸汽过量，虽然燃烧充分，但提高了运行成本，浪费能源。例如某石化公司的地面火炬系统，消烟蒸汽流量计的最大流量设计为45t／h，如果浪费的蒸汽达到满量程流量的1%，浪费的蒸汽可达3 800t／a。因此，蒸汽流量测量在火炬气系统中至关重要。

2 火炬蒸汽流量测量的难点

在石化企业，由于火炬气来自各个装置的安全阀和若干尾气排放口，在生产正常进行的情况下，安全阀并不开启，因而火炬气流量很小，主管内火炬气流速往往低于0.3m／s，而在事故状态下，流速可能陡增100倍，甚至短时间达到60m／s［3］。因为无烟燃烧要求蒸汽流量与火炬气流量保持一定的比值，所以蒸汽流量要求在较宽的范围内变化，例如某石化公司的地面火炬蒸汽流量计，工艺专业要求满刻度流量为45t／h，而最小流量仅为0.5t／h，按照常规方法选用的流量计都不能满足该要求。如蒸汽流量计的使用条件是p＝1.0MPa，t＝270℃，管道DN450，如果采用涡街流量计，利用选型软件计算，就应选DN250涡街流量计，在上述工况条件下，下限流量只能达到约4t／h，与工艺要求相差甚远。

3 新的测量方法及原理

在传统方法不能满足工艺要求的情况下，考虑采用2套仪表配合完成测量任务，即1套大表1套小表，在流量大时用大表，在流量小时用小表。2套仪表均覆盖10倍的量程比，相互配合实现无缝连接，即可覆盖100倍的量程比。

仪表制造厂已经定型生产的双量程差压流量计，由1台标准差压装置、1台低量程差压变送器、1台高量程差压变送器和1台流量演算器组成，另有1支温度传感器和1台压力变送器分别测量蒸汽温度和压力，并将信号送入流量演算器进行温度压力补偿。其测量系统图如图2所示［4］。

图2 输出4～20mA信号的双量程差压流量计原理

双量程差压流量计扩大量程比的核心：增设低量程流量计，但从仪表外形看只增加了1台差压变送器，而差压装置、温度传感器、压力变送器和流量演算器是借用高量程的。由于增设1台低量程差压变送器，大幅提高了量程低段的差压测量精确度，从而提高量程低段的流量测量精确度，使得流量量程比得到扩大。

仪表制造厂提供的技术数据表明，新型双量程差压流量计的不确定度与被测流体的种类有关，而且同所配用的差压变送器精确度等级有关。当所配用的差压变送器为0.065级或优于0.065级并且合理确定低量程上限时，系统不确定度和量程比如下［5－7］：

被测流体为液体：±1.0%读数值，3%～100%FS区间；±1.0%低量程上限，1%～3%FS区间；量程比为100∶1。

被测流体为气体、蒸汽：±1.5%读数值，3%～100%FS区间；±1.0%低量程上限，1%～3%FS区间；量程比为100∶1。

不确定度估算符合GB／T 2624—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》和GB／T 21446—2008《用标准孔板流量计测量天然气流量》［8－9］。

低量程差压上限一般取高量程上限FS的17.321%［10］。这时低量程变送器差压上限值为高量程变送器差压上限值的3%，开平方运算在差压变送器中完成。小信号切除点一般可取1%FS，当被测流体为干气体时，可更小一些。低量程差压变送器和高量程差压变送器的输出与流量之间的对应关系如图3所示。从中可看出，低量程差压变送器最小输出为4.92mA，从数量级来看是个不小的数值。

图3 变送器输出与流量的关系

系统不确定度与相对流量的关系如图4所示。

图4 系统不确定度与流量的关系

4 双量程差压流量计的结构与安装

仪表制造厂供应的双量程差压流量计一般制成一体化结构，如图5所示。

图5 双量程差压流量计的典型结构

一体化结构有以下四个优点：

1）图5中的各部分由仪表制造厂按相关标准和图纸组装，从而避免施工队现场组装可能引起的差错与缺陷。

2）一体化结构的导压管很短，从而消除长引压管引起的差压信号传递失真。

3）现场安装时，只需将工艺管道截去一段，将带有前后直管段的仪表焊接好即可，安装方便。

4）安装工作量小，缩短工期。

以上安装方式中，仪表与工艺管之间可采用法兰连接，也可采用直接焊接。

5 仪表运行情况

双量程差压流量计安装到地面火炬现场后，流量演算器为导轨式结构，安装在端子箱内，经各项补偿后的代表蒸汽质量流量的信号以4～20mA形式送至DCS显示进而实现比值控制。

双量程差压流量计的突出优势是在相对流量很小时的测量能力强。由于火炬气流量是每时每刻变化的，所以蒸汽流量也是一直在变化，从趋势图记录到的最小流量为500kg／h，从而满足了工艺要求，仪表投运3a多以来，一直在稳定可靠地运行，未发生过故障。至于仪表实际达到的测量精确度，由于不是用于贸易交接，未申请计量机关检定与实流标定。

［1］姚桂华.HG／T 20570.12—1995火炬系统设置［S］.北京：化工部工程建设标准编辑中心，1996.

［2］于恩深.火炬气的质量流量测量［J］.石油化工自动化，1999，35（05）：82－84.

［3］纪纲.流量测量仪表应用技巧［M］.北京：化学工业出版社，2009：211－214.

［4］陈勇，马璐文，陈新亮，等.双量程差压流量计不确定度和量程比［J］.石油化工自动化，2013，49（05）：52－56.

［5］魏峥，谢林，纪波峰，等.双量程差压流量不确定度和量程比的验证［J］.石油化工自动化，2013，49（06）：54－57.

［6］程建三，纪纲.双量程差压流量计的新进展［J］.石油化工自动化，2009，45（02）：54－57.

［7］李明华，彭淑琴，龙竹霖，等.GB／T 2624—2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［8］黄和，宋德琦，游明定，等.GB／T 21446—2008用标准孔板流量计测量天然气流量［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［9］纪纲，纪波峰.流量测量系统远程诊断集锦［M］.北京：化学工业出版社，2012：264－268.

［10］俞旭波，纪波峰，纪纲.一体化差压流量计的优势与实施［J］.石油化工自动化，2014，50（02）：17－20.