提高蒸汽计量准确性的方法研究

李智慧

摘 要：根据中国石化洛阳石化公司蒸汽差率大产生的原因，本文提出了计量器具全过程管理的具体做法和使用双向流量计消除蒸汽系统工艺盲点的思路，探讨了节能减排新形势下企业蒸汽计量管理再上新台阶的设想。

关键词：蒸汽;差率;计量;准确性

中图分类号：TH814文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0123-04

Research on Methods of Improving the Accuracy of Steam Measurement

LI Zhihui

（Sinopec Luoyang Petrochemical Company，Luoyang Henan 471012）

Abstract： According to the reason for the large steam difference of Sinopec Luoyang Petrochemical Company， this paper proposed the specific method of the whole process management of measuring instruments and the idea of using two-way flowmeter to eliminate the blind spots of the steam system， and discussed the idea of enterprise steam metering management to a new level under the new situation of energy saving and emission reduction.

Keywords： steam;difference rate;measure;veracity

中國石化洛阳石化公司（简称洛阳石化）低压蒸汽供汽方共有10个界区，用汽方共有20个界区（冬季采暖用汽单位不计），共有99块蒸汽计量表。中压蒸汽供汽方共有6个界区，用汽方共有18个界区，共有58块蒸汽计量表。

1 企业蒸汽能源计量现状

蒸汽计量由各单位提报数据到MES系统，检验计量中心数据管理岗位进行合理还原后，每月发布一次用能情况。2020年1—7月，洛阳石化中低压蒸汽综合差率情况如表1所示。

从表1可以看出，洛阳石化蒸汽综合差率为5%左右，随着节能减排工作的深入开展，人们需要进一步提高计量准确性，减少差量，降低差率。

2 提高蒸汽计量准确性的办法

蒸汽差率大的原因主要有两点，一是蒸汽计量器具测量误差大，二是蒸汽系统管网计量存在盲点[1-2]。

2.1 加强计量器具全过程管理，提高计量准确性

2.1.1 做好计量器具选型，减小测量误差。流量计的初步选型要根据工艺参数、运行环境、所测介质等情况综合考虑，使配置的流量计准确度、稳定性、测量范围及分辨率满足测量点的要求，并且设备性能可靠，易于维修，安装方便[3]。选择合适的计量器具是提高计量准确性的前提，几种常用蒸汽流量计的特点如表2所示。

2.1.2 保证计量器具在适当的工况条件下运行，提高蒸汽测量的准确性。不合适的工况条件主要是指工艺参数提报得不准确或工艺条件变化后新的工艺条件不能满足原流量计的计量要求和计量器具参数不合适，这两种情况会使蒸汽计量表测量不到数据或者测得的数据不准确。

工艺条件不能满足原流量计的计量要求时，平时比较常见的是计量不准确、超程或无流量，2015年大检修期间，某装置新上水表计量确认时，流量计无流量显示，对流量计进行检查，没有发现异常情况，就对装置提报的工艺参数重新核对，结果发现，提报的工艺流量是120 t/h，设计部门据此进行计量器具的选型。实际上，大检修后，由于工艺线路变化，该管线只有8～10 t/h的流量，流速太小造成流量计测量不到流量，仅此一项，对全厂新鲜水的差率影响约为0.6%。

计量器具参数不合适对准确度的影响很大，下面对节流式蒸汽流量计进行分析。节流式流量计用于蒸汽计算的实用公式为：

[qm=C1-β4επ4d22ΔPρ]                    （1）

式中，[qm]为质量流量，kg/s;[C]为流出系数;[β]为直径比，即[d/D];[ε]为流束膨胀性系数;[ΔP]为差压，Pa;[ρ]为流体密度，kg/m3;[d]为工作条件下节流件的孔径，mm;[D]为工作条件下上下游管道内径，mm。

这里的流出系数指的是通过节流装置的实际流量值与理论流量值的比值，将它应用到理论流量方程中以获得实际的流量。对于给定的节流装置，流出系数是雷诺数的函数，在一定的工艺条件下，[C]值是一个固定值。在大多数智能二次仪表或DCS中，人们都将流出系数按常数进行流量计算，但图1中（以法兰取压孔板为例），雷诺数[ReD]≥104时，流出系数[C]和雷诺数[ReD]的关系才进入线性区，才能将流出系数[C]视为常数。当雷诺数[ReD]<104时，误差是显而易见的。这将造成蒸汽计量测量的较大误差。这种误差隐蔽性很强，差量小时不太容易发现，往往在差量变大或进行计量确认时被发现。

2.1.3 优选具有温压补偿的流量计，提高蒸汽计量准确性。无论是差压式蒸汽流量计还是涡街蒸汽流量计，都是速度式流量计，测的都是介质的体积，中国石油化工集团有限公司蒸汽默认按吨进行计量，蒸汽的质量流量等于体积流量乘以密度，因此，人们需要得到准确性较高的蒸汽密度。

蒸汽是比较特殊的介质，没有固定的密度，其密度随压力和温度而变化，压力越大，蒸汽的密度越大，温度越高，蒸汽密度越小。

经过查寻相关表格，同样是0.3 MPa的蒸汽，150 ℃时的密度为2.12 kg/m3，180 ℃时为1.96 kg/m3，其差率为（2.12-1.96）/2.12×100%=7.55%;同样是220 ℃的蒸汽，1.15 MPa时的密度为5.84 kg/m3，0.90 MPa时为4.61 kg/m3，其差率为（5.84-4.61）/5.84×100%=21.06%。

由此可知，对于确定的蒸汽流量计，蒸汽密度准确性直接决定着蒸汽计量的准确性，在蒸汽压力和温度经常变化的条件下工作，采取合适的温度压力补偿措施，是准确测量蒸汽质量流量的关键影响因素。

2016年，洛阳石化对内部蒸汽计量器具进行排查，7月份给36台蒸汽表增加了温压补偿。一是对原计量表带有温度压力测点的表计，在组态中将温度压力补偿加入进来;二是对原计量表未带有温度压力测点，但有工程师站或流量计算器的表计，抽取能代表其工况的温度压力参数进行组态，作为权宜之计;三是对不具备加入温压补偿的表计，内置合适的工艺参数。还有小部分早期的表计，如发变电5#机的中压蒸汽流量计，现场只有一块老旧的孔板流量计，既没有接入DCS，也没有流量计算器，不具备组态条件，仍然处于没有温压补偿的状态。

经过上述工作后，流量计显示流量有一定变化，某装置原产汽计量表无温压补偿，产汽量未14 t/h左右，增加温压补偿后，产汽量降至12 t/h，合每月减少差量1 000多吨，对蒸汽差率贡献0.2%左右。

洛阳石化整体蒸汽差率也有一定幅度下降，具体情况如表3所示，低压蒸汽差率下降2%左右，高压蒸汽差率下降1%左右。

2.1.4 按规范安装计量器具，提高蒸汽测量的准确度。涡街式蒸汽流量计或差压式蒸汽流量计主要针对的是上下游直管段的要求，一般是前10[D]（[D]为上下游管道内径）后5[D]，或遵循厂家提供的要求，有阀门弯管变径时，另有要求。若直管段不足，则会导致流体中存在旋涡和剖面畸变，造成计量不准确。另外，安装要对中，没有扭力。涡街式蒸汽流量计不安装在震动或强电磁环境中。上述情况造成的计量误差不容易发现，也不容易定量验证，所以，要严格按规范要求执行。

2.1.5 加强多专业联合巡查，确保计量器具稳定运行。计量器具是一种特殊的设备，其巡查应遵从其内在的规律。对于常规的设备，人们可以通过流量、转速、温度、压力、压差和震动等参数，大致判断出其运行工况，而对于计量器具来说，在其各项参数都正常的情况下，输出的数据未必是准确的。比如，虽然水表计量器具完好，但是工艺条件变化会造成测量数据失准。

2020年5月15日，洛阳石化中压蒸汽消耗突然增大，如图2所示。经了解，工艺上并未做大的调整，器具管理人员进行现场检查，发现下雨造成引压管积液，这使测得的压差增大，从而造成测量值增大。

排积液后计量正常，后对该流量计增加雨棚处理（见图3），以防同类故障再次发生。

这些故障会造成计量不准确，单一专业人员也不容易发现处理，若数据管理、器具管理、工艺管理多专业联合检查，则利于故障的发现和排除，使计量器具运行在合适的工况，以保证计量准确可靠。

2.2 加强蒸汽系统动态管理，减小蒸汽系统差量

通过2015年和2019年两次大检修增上（或更新）了一部分蒸汽计量表，目前，蒸汽计量均配有计量器具，但仍存在几处计量盲点，这里所说的盲点主要指生产情况变化形成的无法计量或无法准确计量的测点。比如，洛阳石化某装置正常生产时，装置需要消耗1.0 MPa蒸汽，同时，其汽轮机背压也产生1.0 MPa蒸汽，这样，装置所用1.0 MPa蒸汽由汽轮机背压供给，多余蒸汽送入1.0 MPa蒸汽管网，若装置用蒸汽量（1.0 MPa）大于产汽量，则由管网补入。该蒸汽计量表只能计量送入蒸汽管网的蒸汽量，无法计量管网补入的量，这就形成了计量盲点。

下面分析计量盲点测量现状。计量盲点的数据处理方面，洛阳石化一般根据生产情况或相关计量表进行估算，此外还有如下测量方法。

2.2.1 流量计并联进行双向测量。洛阳石化某装置的蒸汽计量示意图如图4所示，当蒸汽从左往右由管网进入装置时，阀V1关闭，V2打开，流量计FIQ01进行计量;蒸汽从右往左进入管网时，阀V2关闭，V1打开，流量计FIQ02进行计量。这样在切换阀门的配合下实现双向流量测量。

这样的设计并不理想。原因有两个，一是投资成本增加，二是当存在蒸汽双向流时，往往是开停工阶段或生产不正常的情况，这时，蒸汽流动方向不确定，而且现场是DN350的管线，阀门位于在数米高的管廊上，阀门较大，再加入生产异常情况下人手较紧，实现准确的双向计量不太现实。

2.2.2 串联流量计进行双向测量。洛阳石化某装置的蒸汽计量示意图如图5所示，两个孔板流量计结构采用反向串联连接。它不需要切换阀门，管路也很简化，当蒸汽从左侧由管网进入装置时，FIQ01进行计量，当蒸汽从右侧由装置送入管网时，FIQ02计量。

这样的设计仍不理想，一是同样存在投资成本增加的问题，二是蒸汽经过两次节流的压力损失成倍增加，而压力损失实际上就是能量损失，三是该方案是两套独立的流量计，当FIQ01正常测量时，FIQ02则显示值，反之亦然，且两台流量计算器之间缺少协调，需要手工进行数据处理，计量准确度不可靠，目前处于停用状态。

2.2.3 双向测量流量计测量双向流效果好。双向测量流量计采用特殊的孔板（或差压单元），在正反两个方向各设置一个差压变送器，测量正、反向蒸汽流量，正反向流量测量各配置一台流量计算机（流量计算转换单元）实现蒸汽流量的双向测量。

这种测量方式实现双向准确测量的同时，避开了切换阀门的不便，也避开了压力损失，资料显示，其在兄弟厂家使用效果较好。

图6、图7为某单位重油催化装置开工趋于正常时1.0 MPa蒸汽管路上双向测量流量计的流量趋势。图片显示，时间为17：10：05时，蒸汽流量由输入方式转变为输出方式时的自由切换，这是人为切换无法实现的，它有效解决了双向流蒸汽准确计量的问题。

目前，洛阳石化2#重整装置低压蒸汽计量双向测量流量计正处于采购阶段。

3 结论

做好计量器具从选型、安装、计量确认到报废的全过程的管理是提高蒸汽计量准确性和降低差率的基础。同时，使用双向流量计是解决洛阳石化蒸汽系统工艺盲点的有效办法。目前，洛阳石化蒸汽采用质量（单位为t或kg）计量，急需加强蒸汽计量管理。比如，因各种原因，中压蒸汽供到各单位时，其温度压力不尽相同，而人们均按质量和统一的能耗系数进行核算，实际上，等质量不同状态下的蒸汽含有的热能相差很大。例如，在压力为3.6 MPa、温度为450 ℃的条件下，每千克过热蒸汽所含的热能为3 336.6 kJ;在压力3.3 MPa、温度为390 ℃的条件下，每千克过热蒸汽所含的热能为3 204.6 kJ，二者相差4.1%。也就是说，一台汽轮机在消耗相同质量的蒸汽时，如果蒸汽状态变化，它消耗的能量就不相等，现在实际使用蒸汽时，温度和压力都有一定的变化，其焓值也会有差别，仅用消耗蒸汽质量来评价用能单位或用能设备的耗能，不够客观，忽略了蒸汽本身质量好坏的因素。蒸汽按热能计量，并不需要太大的投资，依托洛阳石化目前已配备的计量器具，投入较小资金即可完成。对于洛阳石化近几年增上或更新的计量器具，后台增加计算软件即可，老一些的计量表需要增加温度计量和计量计算器。

目前，冬季供暖方面，洛阳石化供应的热水已经采用热能表进行计量，该计量表可以同时显示供水量、供水温度、回水温度和所供热能，2019—2020年冬季的使用表明，其应用效果较好。

参考文献：

[1]肖素琴.企业能源计量常见难题解析及对策[M].北京：中国石化出版社，2017：33-34.

[2]全國节能监测管理中心.用能单位能源计量器具配备和管理通则实施指南[M].北京：中国计量出版社，2006：52-53.

[3]北京博思达新世纪测控技术有限公司.产品选型参考资料[Z].2009.