摘要:為了提高企業(yè)的工業(yè)自動化水平和流量測量節(jié)能新技術的應用，以寶塔石化80t/a重油催化裂化的原料汕霧化然汽測量為例,通過和現(xiàn)有的差壓式流量計的性能綜合對比,分析了多孔平衡流量計的技術特點和節(jié)能效果，并對多孔平衡流量計節(jié)能進行了計算和經(jīng)濟分析,充分說明多孔平衡流量計在繼承了標準孔恒優(yōu)點的基礎上,還具備測量精度高、測量范圍寬、永久壓損小對直管段矩、節(jié)能效果好等特點，能夠推動企業(yè)的工業(yè)白動化水平，是一種流量測量節(jié)能的新技術.
流量測量在石化企業(yè)生產(chǎn)控制過程和計量核算中具有重要的地位,特別是在注重能源節(jié)約提高企業(yè)經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量的今天，對流量測量的要求更為嚴格.在石化企業(yè)作為流量測量對象的流體介質(zhì)種類包括氣體、液體、蒸汽等，只有把這些介質(zhì)的流量測量正確，才能正確地進行經(jīng)濟核算,使生產(chǎn)活動建立在可靠的科學技術之上，使經(jīng)濟管理工作切實有效地進行.
目前,差壓式流量計可選用的節(jié)流元件有孔板、噴嘴、文丘里管等4隨著測量技術的不斷發(fā)展，節(jié)流元件不斷改進，多孔平衡流量計已通過有關試驗并在石油化工裝置上得到了較廣泛的應用.該儀表也是一種差壓式流量儀表.它是在標準孔板節(jié)流裝置的基礎上研發(fā)出的-種新型流量測量儀表.它集合標準孔板節(jié)流裝置結(jié)構簡單、應用技術成熟等優(yōu)點，克服了標準孔板節(jié)流裝置精度較低、量程比窄、安裝時上下游需要較長的直管段、永久壓力損失較大、運行成本高等缺點.該流量計被稱作第三代節(jié)流裝置,.是由美國國家航空航天局設計發(fā)明的一種新型流量計,也稱為多孔平衡流量計.
1.基于多孔平衡流量計的性能優(yōu)勢
多孔平衡流量計是一種差壓式流量儀表，其工作原理與其他差壓式流量計一樣，都是基于密封管道中的能量轉(zhuǎn)換原理,即在理想流體的情況下，管道中的流量與差壓的平方根成正比，再根據(jù)伯努利方程用測出的差壓值即可計算出管道中的流量.平衡流量傳感器是一個多孔的圓盤節(jié)流整流器，安裝在管道的截面.上，每個孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和測試數(shù)據(jù)而定制的,稱為函數(shù)孔當流體穿過圓盤的函數(shù)孔時，流體將被平衡整流，渦流被最小化，形成近似理想流體,通過取壓裝置,可獲得穩(wěn)定的差壓信號，根據(jù)伯努利方程計算出體積流量、質(zhì)量流量.平衡流量計巧妙的設計在于將多孔整流器和測量孔板合二為一，能最大限度地將流場平衡調(diào)整成理想狀態(tài)，從而將差壓式流量計的優(yōu)勢發(fā)揮到極致.
(1)流量測量線性度高，重復性好平衡流量傳感器具有對稱多孔結(jié)構特點，能對流場進行平衡,降低了渦流、振動和信號噪聲,流場穩(wěn)定性大大提高，使線性度比孔板提升了5~10倍，重復性提高了54%，為0.15%.從其綜合性能來看,多孔平衡流量計屬于流量計行列.當量程比為5:1時，線性度可達±0.3%;量程比為7:1時，線性度可達±0.5%;量程比為10:1時，線性度可達±1.0%。
(2)直管段要求低，雙向流測量好.平衡流量傳感器由于流場穩(wěn)定，A.壓力恢復比孔板快兩倍，人大縮短了對直管段的要求，其前后直管段一股為前1D后1D,最小可以小于0.5D，其中D為工藝管道的工程直徑..采用多孔平衡流量計可以省去大量直管段，尤其是特殊昂貴的材料的管道.另外,多孔平衡流雖計處于完全對稱，因此對于雙向流的流體測量非常的理想將多孔平衡流量計和孔板流量計進行比較，如圖1所示.
(3)永久壓力損失小，測量介質(zhì)潔凈度要求低.多孔對稱的平衡設計，減少了紊流剪切力和渦流的形成，降低了動能的損失,在同樣的測量工況下，與孔板相比減少了2.5倍的永久壓力損失，從而節(jié)省了相當大的運行能量成本,是一種節(jié)能型儀表,值得大量推廣.因為減少了紊流剪切力和渦流的形成，從而大大降低了滯留死區(qū)的形成，保證臟污介質(zhì)順利通過多個孔,減小了流體孔被堵塞的機會將多孔平衡流量計和孔板流量計進行比較,如圖2所示.
(4)其他性能優(yōu)勢.
①流量測量范圍寬,測量精度高.由于平衡流量傳感器具有多孔結(jié)構的特點,能對流場進行平衡，降低渦流、振動和信號噪聲,流場穩(wěn)定性大大的提高.表體采用特制管道和專用取壓裝置，使精度比傳統(tǒng)節(jié)流裝置提升了5~10倍.經(jīng)過實流標定，傳感器精度可達0.3%,適用于貿(mào)易計量場合.其流速可以從最小到音速,其最小雷諾數(shù)可低于200，最大雷諾數(shù)可大于107;β值可選0.25~0.90,孔徑比β=d/D.
②長期穩(wěn)定性好,可測高溫高壓介質(zhì).由于其紊流剪切力的明顯減小，大幅度降低了介質(zhì)與節(jié)流件直接的摩擦,其β值長期保持不變,整個儀表無可動部件,因此可以長期保持穩(wěn)定性.與孔板等節(jié)流裝置一樣，工作溫度壓力取決于管道和法蘭的材質(zhì)和等級,工作溫度可達850℃,工作壓力可達42MPaB.
③可測復雜工況介質(zhì).由于其特殊的結(jié)構設計，使其具有特殊的性能,它可以用于氣液兩相、各種混合氣體(如瓦斯、沼氣、煤氣等等)、各種低溫氣體(如LNG、液氮、液氧、液氬、液氫、液氯、液化乙烯、液化石油氣,等等)、氣液兩相介質(zhì)(如濕氣)、漿料、多相水流、震動水流、電磁干擾介質(zhì)和雙向流(因為多孔平衡流量計左右完全對稱).
2性能綜合對比
當然多孔平衡流量計在實際應用中依然存在著一些有待解決的問題，結(jié)合以上平衡流量計的技術性能特點，本文就平衡流量計與其他差壓式流量計進行對比，詳細性能比較見表1所示.
3在重油催化裂化中的應用
催化裂化是我國石油化工二次加工的核心裝置,在煉廠中,其加工能力占--次加工能力的比例一般在30%以上催化裂化實現(xiàn)工業(yè)化已經(jīng)有60多年的歷史,作為重油加工的主要手段,是目前重油輕質(zhì)化工藝.雖然曾多次受到其他二次加工工藝的競爭和清潔燃料標準的挑戰(zhàn)，但由于催化裂化技術的不斷進步，各種以催化裂化技術為核心的催化裂化家族工藝的不斷出現(xiàn)，已經(jīng)將催化裂化轉(zhuǎn)變?yōu)闊捰突ひ惑w化的橋梁裝置,催化裂化依然保持了其在石油化工行業(yè)中的重要地位.
3.1測量對象分析
隨著催化裂化工藝技術的不斷進步，它對自控技術也提出了較高的要求,選用合適的測量儀表,是保證催化裂化工藝技術不斷進步的首要條件.寶塔石化80ta催化裂化裝置工藝的原始數(shù)據(jù)見表2.表2中的測量介質(zhì)為氣體或蒸汽.分析表2中的數(shù)據(jù)可知，所列的原始數(shù)據(jù)的量程比都超出了標準孔板3:"的范圍，有的甚至到達了10:1.因此在設計中選擇多孔平衡流量計.根據(jù)多孔平衡流量計的特點,選取蒸汽介質(zhì)作為測量對象合適.
3.2多孔平衡流量計測量蒸汽
在石化企業(yè)中，蒸汽作為--種重要的能源被廣泛的應用.在催化裂化裝置中，包括反應-再生、分餾、吸收穩(wěn)定(含氣壓機)、主風機-煙機系統(tǒng)、余熱鉅爐、余熱回收站中都大量的使用蒸汽.隨著企業(yè)成本核算的深入,淘汰落后產(chǎn)能企業(yè)政策的落實,企業(yè)內(nèi)部對能源的節(jié)約日益重視，而在催化裂化裝置中蒸汽在能源費用中占據(jù)較大的比例，故要求對蒸汽進行準確計量是很有必要的問.
蒸汽的流體特征、生產(chǎn)工藝情況、現(xiàn)場安裝條件、后續(xù)維護要求及流量儀表的性能,是蒸汽計量的5個重要因素.結(jié)合本文對多孔平衡流量計的介紹，它非常適合用于蒸汽流量測量.
3.3同等條件下與標準孔板測量蒸汽流量的比較
重油催化裂化裝置中,儀表位號為FE21105的流量計用于測量進入催化反應器的原料油霧化蒸汽工藝參數(shù)見表3.
依據(jù)表3中的原料油霧化蒸汽工藝參數(shù)，通過孔板計算軟件計算出標準銳孔板儀表數(shù)據(jù);通過多孔平衡流量計軟件計算出多孔平衡流量計的儀表數(shù)據(jù),兩者數(shù)據(jù)對比見表4.
由表4可知，選用多孔平衡流量計前后直管段可節(jié)省3.8m管徑為200mm的管道,壓力損失可減少4195Pa.而在催化裂化項目中,長直管段除--次性投資外，還包括:管道施工、保溫材料費、安裝支架、土地占用、維護、運行費用等.由此可以說明,蒸汽介質(zhì)在設計選用多孔平衡流量計可以一次性節(jié)約大量的投資.
3.4測量蒸汽的節(jié)能分析
節(jié)流裝置作為一種測量儀表,其節(jié)流型壓損大，長期運行耗能大,費用高;長期運行中孔板幾何尺寸變化，銳角變鈍，甚至有的孔板在開停車過程中,由于蒸汽管道中易存冷凝水，開停蒸汽管道過程中產(chǎn)生水垂,致使孔板變形，甚至變成喇叭口.所有這些都說明:孔板差壓式蒸汽流量計很難保證其原設計測量精度;介質(zhì)輸送成本是介質(zhì)輸送過程中消耗的能量,主要測量元件造成的永久壓力損失為標志,就液體等重介質(zhì)而言,輸送成不是很人的開支,主要體現(xiàn)在泵消耗的電能.因此選擇一款精度高、穩(wěn)定性.好、壓損小、價格實惠的儀表是提高儀表選型的一個很重要的原則.
由表3可知，一-臺公稱直徑200mm的標準銳孔板節(jié)流裝置測量進入催化反應器總管1.0MPa原料油霧化蒸汽,質(zhì)量流量為5175kgh,差壓值為10kPa,永久壓損為6137Pa;而一臺公稱直徑為200mm的多孔平衡流量計測:量進入催化反應器總管1.0MPa原料油霧化蒸汽，差壓值為4.26kPa,永久壓損為1978Pa,計算節(jié)省耗能費用問:
qv=5175+(4.21x3600)=0.3414(m3/s);
△P=6173-1978=4195(Pa);
Q=(△Pxqv)+n=(4195*0.3414)+0.8=1790.22(W).
式中:Q為能耗值,W;qv為介質(zhì)體積流量,m³/s;△P為永久壓損值,Pa;η為電機和泵的效率，工業(yè)上一般取0.8.
每年多耗能所需的費用1]=(Q/1000)x(運行時速/年)x(元/(千瓦-小時))=(1790.22/1000)x8400x0.639=9.61(萬元/年).
根據(jù)上述計算結(jié)果和2012年多孔平衡流量計的市場價格(公稱直徑為200mm多孔平衡流量計為2.0萬元)可知,重油催化裂化裝置中用于測量進入催化反應器的原料油霧化蒸汽,若安裝多孔平衡流量計運行兩個半月就可以回收公稱直徑為200mm多孔平衡流量計的投資成本.
4結(jié)語
綜上所述，本文介紹了多孔平衡流量計的技術特點，通過多孔平衡流量計和標準銳孔板在重油催化裂化裝置上的應用比較，以該裝置上原料油霧化燕汽測量為例,進行了節(jié)能分析，充分說明了在設計中選用一.款性能可靠的節(jié)能儀表是實現(xiàn)該裝置節(jié)能減排的重要手段.基于上述優(yōu)點和T程實際應用的良好的效果，可以得出的結(jié)論是多孔平衡流量計是一種計量正確、耐用、具有廣泛應用前景的節(jié)能儀表.
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