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孔板流量计在合成气流量监测中的应用及算法优化

作者: 来源: 发布时间:2019-12-31 16:30:29

    摘 要:本文介绍了毕托巴流量计在煤制乙二醇合成系统中的应用。从多组分合成气在计量仪表选用的实际经验出发,系统分析了毕托巴流量计的工作方式及效果,并对毕托巴流量计的流量补正算法进行优化,为类似应用场景提供借鉴。

    1 引言
    煤制乙二醇是近年来国内新研发的一项拥有自主知识产权的世界首创技术。由于采用了有机化工生产工艺,其合成循环气系统具有组分复杂、温度高、控制参数要求精细的特点。因此,对于合成气系统的总管、各反应器入口流量的实时监测,有着较高的精度要求。

    本合成气系统原设计的各主要管路流量计量均采用了孔板流量计,在装置实际运行过程中,发现了如下不足。孔板流量计由于其节流元件造成的压损,对系统负荷产生较大阻力。系统管径粗,孔板密封垫片易泄漏,对于乙二醇合成系统易燃易爆的环境尤其危险。测量不够准确,尤其在低负荷工况下存在无读数、指示频繁波动的现象。易导致联锁系统误动作。

    经过对各种类型的流量计量仪表比较和探讨,本项目最终选取了毕托巴流量计对合成系统的重要孔板流量计进行了替换改造。

    2 毕托巴流量计
    2.1 工作原理
    毕托巴流量计(图1)是采用皮托管原理的一种差压式流量测量仪表。毕托巴传感器(探针)由一对取压孔组成,插入管道中心。总压孔对正流体的来流方向取总压P1,静压孔对正流体的去流方向取静压P2,两者的差压△P 即为管道中心的实测差压。再由该探针的风洞标定曲线拟合出该处管道截面的平均差压,将此平均压差信号引入DCS控制系统,配合温压补偿程序计算出该管道截面的瞬时流量。

 

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    2.2 工作优点
    相比于孔板流量计,毕托巴流量计具有如下优点:
    (1)测量范围广,对低流速、小流量、大管径测量效果尤佳。
    (2)安装方便,插入式安装仅需在管道上打孔;流量计仅需定期标定零点,维护量少。
    (3)节能:由于一次测量装置为不锈钢制成的细小探针,在介质管道中几乎无压力损失,使运行成本大大减小,与孔板等节流装置相比较具有明显的节能效果。
    (4)可靠性高:因探针的构造非常简单,结构设计合理,导压管内介质不流动,杂物不容易进去,所以能长时间保持测量精度。

    3 工程应用
    3.1 工程应用
    合成气系统的这几处重点流量监测信号,均作为联锁条件参与SIS安全仪表系统的联锁逻辑。同时也要在DCS系统中实时显示,供工艺人员进行工况监控。我们根据上述需求制定改造方案:选用BTB-M高温高压型毕托巴流量计;采取传感器与管道打孔焊接安装方式;在毕托巴流量计所处管道位置的附近安装温度、压力传感器,一同引入DCS系统,对被测介质进行温、压补偿,以确保测量精度。

    改造之前,每台流量变送器均直接接入SIS系统,再将实时工程值跨系统通讯给DCS系统。由于DCS、SIS两系统通讯有实测1秒左右延迟,且DCS的历史趋势对于通讯接入的变量记录精度低,导致工艺人员操作不便。因此,本次改造将每个毕托巴流量计的变送器传输给主控室的模拟信号,先接入倍加福的STC4-EX1.20一分二安全栅。安全栅隔离后传出的两路相同的4~20mA信号,一路进SIS系统,另一路进DCS系统。在SIS、DCS系统中分别组态和编写流量计算程序。这样就提高了系统的安全性和实时性。

    对于差压式流量计的一次测量装置,根据流量测量原理,都需要明确流量系数。流量系数的大小和线性,与一次测量装置的形状、几何尺寸、工艺条件、使用管径等因素有关。由于毕托巴流量计的检测件形状、尺寸没有国际标准化,其流量系数必须经过实验方式测定。因此,毕托巴流量计在出厂前均用流量标准装置进行了逐台检定,将差压变送器输出的4~20mA标准直流电流信号分n 段,进行微积分计算得到n 个流量修正系数Ai,从而保证毕托巴流量计在全量程范围内的准确度。

    对于本项目选用的这些毕托巴流量计,厂家随机提供的“流量补正参数表”均为五个分段,对应五个修正系数。

    并要求在流量计算时,每个分段内的流量修正系数固定不变(如图2所示)。

 

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    根据毕托巴流量计的标况流量计算公式,编写程序,得出检测点的实时标况流量。

 

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    Q—瞬时流量,T—工作温度(℃),P—工作压力(kPa)。

    3.2 运行评估
    项目改造完毕、毕托巴流量计投用后,原孔板流量计的弊端确实有很大改善:

    (1)合成气系统的压损减少了16%,生产装置的能耗显著降低。

    (2)各反应釜的进出流量加和均能与分支管道、总管道准确对应,平均偏差<2%。

    (3)SIS系统与DCS系统分别计算出的标况流量指示值也能准确对应,消除了主控系统的安全风险。

    3.3 存在问题
    投入运行不久发现,在流量补正算法的各分段点附近会出现流量示值的频繁波动。尤其系统负荷恰好稳定在某分段点时,从DCS的历史趋势上可观察到长时间、明显的高频尖峰波形。工艺操作人员由于对该型流量计测量、计算原理不了解,多次质疑这种流量指示的剧烈波动,并且导致合成系统工况难以准确操控。对于SIS联锁系统,这种不能真实反映循环气系统的流量值偏差,也是需要极力避免的。对此,我们又对流量算法实施了一些改进工作。

    4 算法优化
    首先,我们要求毕托巴流量计厂家根据每台流量计出厂前的检定数据,分别提供一份设置有十个分段的“流量补正参数表”。但得到反馈后,发现厂家只是简单地对原有的A1~A5五个流量修正系数进行中间数插值,拟算成十个流量系数。也无法得到厂家的进一步技术支持。

    在重新编写计算程序、再次投用后,先前的分段点波动现象,有一定的缓解,但仍未达到我们对测量准确度的要求。继而,我们通过对毕托巴流量计的资料进行深入研究,并征求到厂家同意,提出了对A1~A5五个流量修正系数采取折线过渡的算法改进:每个分段区间内用一次函数计算出实时变动的流量补正系数Ai,再参与温压补偿计算。根据优化后的程序,实现了如图3所示的流量修正系数Ai在全量程内的无跳变衔接。经过对流量补正算法的优化,完全消除了流量指示的异常波动现象。

 

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    生产工艺方面,也增加了合成气系统组分的化验分析频次,尽可能的在不同生产负荷下都将合成气系统的各气体组分的比例控制稳定,从而保持管道内介质的总密度恒定。这样也将毕托巴流量计的测量误差进一步减小。经过长期的使用验证,改造后毕托巴流量计各项技术指标均达到满意效果。

    5 故障对策
    毕托巴流量计结构简单,在管道中没有电子元件和可动部件,因此很少出现故障。在使用过程中,偶尔出现过瞬时流量由某一稳定值掉落至另一稳定值的现象。由于本项目采用的毕托巴流量计没有设计安装导淋,通过关闭三阀组的平衡阀,打开压差室的排污丝堵,可发现有液体溢出。经分析判断,是因为合成循环气中偶有极少量的醇类气体凝结在传感器内所致。因此,毕托巴流量计在日常维护中,应注意伴热保温的效果。

    6 结束语
    通过选用毕托巴流量计对合成循环气系统的原有孔板流量计进行替换改造,并对应用过程中出现的不足进行了分析。进而对流量补正算法进行优化,对流量补正系数采取折线函数的线性过渡方法,最终实现了流量监测准确性、稳定性方面的提升;减小了系统压损,使乙二醇生产装置的能效提升,长期稳定在高负荷运行。本项目的研究经验,可供类似包含多种气体组分,高温、高压,且易燃易爆的生产装置提供选择参考。

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