高压蒸汽流量测量误差分析及改进措施

王秋芳，王曰林，夏兵华，郭宏伟

(1.宁波中金石化有限公司，浙江 宁波 315200；2.中国石化长城能源化工(宁夏)有限公司，宁夏 银川 750409)

1 概述

蒸汽流量计作为炼油企业重要的计量用流量计，它的准确性和可靠性对全厂蒸汽系统的平衡、节能降耗具有重要的作用。同时作为企业贸易交接用流量计，是贸易公平公正的基础。

B 公司高压蒸汽的主要用途是：

(1)精制单元的开车；

(2)正常生产时通过高压蒸汽加热CTA 浆料，溶解后进入加氢反应器与氢气进行反应；

(3)薄膜蒸发器连续加热使用。作为连续生产企业，为保障正常生产工况，高压蒸汽需要连续稳定供应。B 公司未自备动力站，高压蒸汽需从A 公司购入。年平均购入量达257 万吨，年需支付费用大约5 亿元。由于对苯二甲酸行业工艺成熟，增潜挖效的主要途径就是降低能耗成本。巨大的蒸汽消耗费用的开支占能耗费用比例较大。因此，准确的计量蒸汽数量对企业效益具有重要意义[1]。

高压蒸汽从A 公司动力站管输到B 公司界区，管线长度约2 km，长距离的管输可能改变高压蒸汽品质，使蒸汽出现汽液两相状态。平衡式孔板流量计对汽液两相态蒸汽无法准确测量，给结算计量带来无法确定和测量的误差。

A 公司的用汽装置有20 多套，每个压力等级的蒸汽从系统管网供出，供B 公司的高压蒸汽由专线进行供应，所以A 公司的装置检修、停工、生产负荷变化都不会影响B 公司的用汽稳定性。现由于B 公司实际工况用汽量与设计工况下用汽量差异较大，以及设计安装不合理，对蒸汽的测量范围、量程提出了更高的考验。

下面从蒸汽的品质、汽液两相流、双方界区流量计的安装、节流元件的设计、管线设计等给高压蒸汽测量带来的误差，提出可行的技术解决方案，对于技术无法解决的，通过建立管理机制将双方仪表测量差异尽可能减小，以保障各方利益。

2 蒸汽管输过程中的两相流、热损带来的影响及解决措施

A 公司所供高压蒸汽由动力站锅炉专线供给B 公司，不因其他用汽装置负荷的变化而变化，管线温度、压力稳定。高压蒸汽在长距离输送后，可能出现过热蒸汽、临界饱和蒸汽和过饱和蒸汽相互转换的现象。这种热量损失、压力损失和温度降低引起的蒸汽状态改变由于当前双方公司没有技术手段对蒸汽状态实时作出明确判断，蒸汽按照过热蒸汽进行质量计算。

进入临界饱和状态或进入过饱和状态是过热蒸汽热量损失而脱离过热状态后可能出现的两种状态。从理论上讲，温压补偿查出的密度和蒸汽实际密度是相符合的，不会因为进入临界饱和状态导致流量计的测量误差增大。但是，由于目前蒸汽管道并未安装测量干度的仪表，蒸汽如果进入过饱和状态，测量结果偏低多少无法准确计算[2]。

界区某个计量时间点双方流量计的温度和压力如表1 所示。

表1 某个计量时间点A 公司计量表和B 公司计量表的温度和压力

据上推断，B 公司一线高压蒸汽由于热损的存在极有可能使蒸汽的状态发生变化，从而造成下游计量仪表的测量值小于上游计量仪表的测量值。这种因为热损的存在产生的双方流量计计量差异技术上无法完全消除。双方加强仪表维护、巡检，做好计量仪表之间的管线保温，从管理上的提升减小双方计量仪表的差异是可行的。

在A 公司流量计后，B 公司流量计前，因管道高度差较大，管道有低点排凝疏水，这部分排凝疏水未经回收，直接流入雨水沟。在冬天可以明显地看到比较大的排凝量，这部分排凝量无法进行计量，排凝对双方计量差异的影响无法准确计算。但是，因考虑到排凝是工艺安全设计必须存在的，考虑将排凝水量进行工艺改造回收。

3 蒸汽的现有工况和设计工况不一致给测量准确度带来的影响及解决措施

由表2 可知，流量计实际工况下的流量小于测量范围的1/3，不在流量计的最佳运行范围内，可能导致流量测量值不够精确。从而引起双方流量计测量误差较大。

表2 B 公司设计工况和实际工况

解决措施：根据正常运行时的实际用量，采购一台符合B 公司正常蒸汽用量且能够满足最大蒸汽流量的流量计，采购流量计参数如表3 所示。

表3 采购流量计参数

因生产工艺需要，新采购流量计在B 公司停工检修期间施工安装在B 公司界区，作为双方现有流量计的比对依据。

4 管道设备材质差异和节流元件参数差异对测量带来的影响及解决措施

A 公司供B 公司高压蒸汽流量计为平衡式流量计，直接测得的是差压，然后输出介质的体积，蒸汽的结算业内普遍按吨进行计量结算，蒸汽的质量流量等于体积流量乘以密度。因此，要得到准确的质量流量，需要得到准确性较高的蒸汽密度[3]。

以下是双方界区高压蒸汽流量计的计算原理：

式中：Qm为质量流量；C为流出系数；β为直径比；ε为流束膨胀性系数；ΔP为差压；ρ为流体密度；d为工作条件下节流件的孔径。

温压补偿输出原理：

式中：ρ2为温压补偿后的密度输出；ρ1为根据实际压力和实际温度，通过查表法得到焓值与比容u，ρ1=1/u；ρ0为设计密度(查询计算书双方设计密度一致)；S为温压补偿前的密度输入。

4.1 双方温压补偿设置不同对测量带来的影响及解决措施

流量计投入初期，B 公司流量计参数配置温度和压力为仪表计算书上的设计温度330 ℃，设计压力9.4 MPa，A 公司流量计参数配置为实际工况下测得的实时温度、压力，即B 公司密度为定量，A 公司密度为工况下随温度压力而变的变量。

查表得，焓值与比容随温度和压力的降低(同时降低)而降低。

代入式(2) 可知，对B 公司流量计：实际工况(328.6 ℃、9.33 MPa)与设计工况(330 ℃、9.4 MPa)相比较，实际工况下的输出大于设计工况下的输出。因此，双方判断，用设计密度进行测量输出会导致测量输出结果偏小。

基于此判断，B 公司温压补偿更改为实际工况下的动态温度、压力进行补偿计算。运行一段时间后，经比对双方流量计差异减小。高压蒸汽计量偏差率如图1所示。

图1 高压蒸汽计量偏差率

4.2 双方流量计壁厚不同对测量带来的影响及解决措施

双方流量计壁的测量如表4 所示。

表4 双方流量计壁的测量

依据公式(1)：双方界区流量计直径不同的情况下，在相同的差压下，测量结果输出不一致。

解决方法：由于结算计量的重要性，双方认可待新流量计投用后进行。

5 界区流量计引压管设计长度和安装对测量带来的影响及解决措施

差压式流量计差压信号管路的安装：为保证节流装置的输出差压可靠，准确度传递到差压计或差压变送器上，差压信号管路应按规定的技术要求进行敷设。

引压管的安装应当注意以下几点：

(1)导压管的材质应按被测流体的性质和参数选用，其内径不得小于6 mm，其长度最好在16 m 以内，可视被测流体的性质而定。

(2)导压管应垂直或倾斜敷设，其倾斜程度不得小于1∶12，黏度较高的流体，其倾斜度还应增大。当差压信号传送距离大于30 mm 时，导压管应分段倾斜，并在各最高点和最低点分别装设集气器(或排气阀)和沉降器(或排污阀)。

(3)为了避免差压传送失真，正、负压导压管应尽量靠近敷设。严寒地区的导压管应有伴热保温措施。加热保温时，要防止过热而产生汽化。导压管直径8 mm，长度26 000 mm，引压管较长，降低了输出差压的可靠度。

解决措施：流量计处增加操作平台，将流量变送器由地面改至操作平台，降低引压管长度引起的计量误差。

6 蒸汽流量计阀门选材不当和计量器具维护管理不到位对测量带来的影响和解决措施

B 公司高压蒸汽管道正负压阀门经常发生泄漏，阀门泄漏对计量引起的影响导致贸易结算异议。经设备部门、仪表部门原因分析，设计采用的普通铸铁阀门不适用高压蒸汽管道安装。在装置检维修期间，在用四台正负压侧全部更换为铬钼材质阀门，更换后运行半年以来未发生漏气。因此，高压蒸汽管道的阀门选材会对计量造成影响，应当严格进行适当标准的选材选型。

高压蒸汽计量器具的维护管理方面。投用初期因双方流量计之间的保温棉未安装，导致温损压损较大，计量差异量大。结算用蒸汽流量计量器具从出厂到报废的全寿命周期良好的管理是保障计量数据的准确性、及时性的基础。从设计初期就需要仪表专业、设备专业、工艺专业等各专业联合进行设计选型选材的把关，避免考虑不周引起的计量问题。

结算用计量器具的巡检方面，仪表部门安排每个月对每台计量器具巡检一次。单位计量周期的巡检频次较低，对于现场发生问题的流量计和阀门不能及时发现和处理。专业部门应当加强贸易结算用计量器具和管线的巡检频次。

高压蒸汽计量器具应遵循“专业联合管理、合理布局、按需配备”的原则：上下游互供蒸汽，实行一线一表送料制，原则上在送料方安装计量表，以送料方流量计作为结算依据。做好管线、计量器具的保温、维护。高压蒸汽计量器具配备应满足或优于GB 17167—2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》、GB/T 20901—2007 《石油石化行业能源计量器具配备和管理要求》的要求；新购置的高压蒸汽计量器具必须具有齐全的标志和说明书，包括出厂编号、产品合格证、检定校准证书、使用说明书、铅封等；贸易结算用高压蒸汽计量流量计的数据采集应具有计量数据趋势查询、流量计状态检测和故障报警等功能。

对于常规的设备，判断其运行状况，可以通过实时监测流量、转速、压力、温度、振动等参数进行判断，但是对于高压蒸汽计量用器具，在各仪表参数都正常的情况下，测量输出也未必准确。因此，数据管理专业、工艺管理专业、系统管理专业、仪表管理专业、设备管理专业联合进行故障诊断和排查显得尤为重要。各级管理层通过管理软件对现场仪表、管线运行状态、仪表工程师站的管理进行日监控，能够保障计量数据的准确性和可靠性。提高管线的保温效果，定期对管线的保温进行检测评估，保证管线保温效果符合国家标准，减少输转途中的热损。

为了保证蒸汽流量计测量准确，尤其对于企业之间进行互供的贸易结算用流量计，必须严格执行企业制度《计量仪表及标准仪器管理办法》和《计量管理规定》，按制度要求进行选型选材设计、管线保温、周期检定、巡检维护和数据清零，确保其合法合规运行。

7 结语

综上所述，在高压蒸汽计量过程中，流量计、管道、阀门的选材选型是否标准，流量计的安装是否符合规范要求，蒸汽流量计管线的日常维护管理是否及时都会对蒸汽测量结果的准确性产生影响。因此，在流量计的设计、选型、安装、维护及使用过程中，必须考虑到各项影响因素，贸易双方前期对每个环节进行充分的信息沟通，对出现的问题和不一致进行及时消除解决，主动去消除影响流量计准确计量的因素，对贸易结算的公平公正具有重要作用。同时也能够为企业能源统计提供准确、及时、可靠的能耗数据，为企业的节能降耗举措提供有效的数据支撑。