施晓东，吴小明，王余海，李永帅，杜 明
（1.中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津 300459；
2.中国石油抚顺石化公司 烯烃厂机动工程部，辽宁 抚顺 113001；
3.中石化股份有限公司 天津分公司 电仪部仪表科，天津 300000）
工业仪表是工厂生产的眼睛，随着工厂自动化程度越来越高，从以前气动仪表、电动仪表发展到目前的集散系统，把单回路控制集成到了对整个生产装置所有控制系统的控制，可以在中央控制室足不出户就可以控制现场的阀门，能够及时通过对工艺设备里面的温度、压力、流量或液位进行控制，从而达到稳准快的控制效果。如果自动化控制系统出现问题，就会给工艺生产带来极大伤害，特别是会对工艺产品的质量、产量甚至是安全带来极大的影响。这对仪表稳定和可靠的运行提出了更高要求，智能化工厂建设需要智能化仪表，具有自检测、自校准、自修正功能的仪表，可保证测量参数更加可靠和稳定。
通常工厂提供助燃空气都是通过鼓风机输送，鼓风机在装置的运行中起到重要作用。其中，离心式鼓风机由于工作效率比较高被广泛使用，但离心式鼓风机具有喘振特性，喘振对鼓风机具有严重的破坏性，轻则影响装置平稳运行，重则损坏鼓风机[1,2]。为保证离心式鼓风机以及工艺装置平稳运行，防喘振控制十分关键[3]，通常防喘振控制方案为：在主风机入口设置流量计[4,5]，主风机出口设置带电磁阀的调节阀，流量计和调节阀在控制系统内组成简单调节回路，用于控制风机出口流量；
在控制系统中绘制喘振曲线和防喘振控制线，并组态调试；
喘振曲线与防喘振控制线之间要预留安全阈度，安全阈度设置不仅考虑了安全控制和节约能源，更重要的是防止发生喘振。防喘振控制核心工作是对主风机入口流量准确测量[6,7]，通过实时上传的流量值与喘振控制线的流量值比较，调节出口调节阀开度，使主风机在喘振控制线安全区域运行。
根据喘振特性和主风机入口的特点，采用具有脉动诊断技术的毕托巴超级智能多流量测量系统。具有独特的自检测、自诊断、自校准、自修正一体化体积和质量流量计量功能的毕托巴超级智能多流量测量系统，是毕托巴公司推出的具有技术创新的方案，采用毕托巴“脉动技术”流量计，可有效解决流量测量中在安装直管段不足等情况下的测量精度问题。在流量计传感器设计上采用多点取压，分别采用导管对应各自取压孔的压力传导到各自的多参量流量内形成独立的流量计量单元，并不是简单地将多个取压孔通过一个导压空腔混合成一路取压。不同的流量计量单元同时测量同一截面的流量，通过汇总多个流量测量单元的流量，能够可靠地测量出安装截面的流量。在流量测量的同时，可动态进行对比不同流量计量单元测量的数据，仪表或系统通过不同流量单元测量的流量做流量平均值或两两平均相互比较，可以判别出每个流量测量单元的偏离平均流量超出误差范围，可以自动屏蔽，形成自诊断、自校准，以保证测量准确度，具体如图1、图2。
图1 流量计安装图Fig.1 Flowmeter installation diagram
图2 测量原理Fig.2 Measurement principle
1.1 自修正校准原理
在同一传感器中，插入管道部分传感器有不同的位置（插入深度不同）、不同的传压孔、不同的测量通道，采用不同的变送器进行测量。出厂标定时分别标定不同测量通道的校准数据，获得每个位置对应的管道流量数据，实际应用中当某一位置流量发生偏离后，通过动态自动诊断、不同通道流量对比功能，及时报警提示偏离正常流量的通道，对于偏离的数据，自动屏蔽该位置计量偏差大的通道的流量数据，输出正常通道的流量数据。
1.2 管道结垢测量原理
通常管道流动中心流速高，靠近边界层流速低，如图3。根据速度剖面分布，距离管道中心的不同位置点对应的差压值不同，位置与差压之间具有一种函数关系。与正常管道相比，若管道产生结垢，在同一流量下介质的平均流速会变快，如图4。但不同的位置点相对距管道边缘的比例发生变化，对不同位置点的差压影响不同，通过流量计处理器计算差压函数的变化比较，判断管道是否有结垢产生，如图5。
图3 通常管道流动速度分布Fig.3 Flow velocity distribution in a typical pipeline
图4 结垢管道流动速度分布Fig.4 Flow velocity distribution of fouling pipeline
图5 正常与结垢管道速度分布对比Fig.5 Comparison of velocity distribution of normal and scaled pipelines
1.3 防堵效果
流量探头以其卓越的背靠背防堵式设计，彻底摆脱了流量探头易堵塞的弊端，传感器内部介质只是起到压缩传导压力作用是不流动，探头前部因介质流动受传感器阻挡形成高压区，取压孔在高压区处介质不流动，取压孔侧方形成高流速区域，杂质不会进入到高压区的取压孔内；
杂质受自身重力作用自然下落，会在高流速区域的带动下流动到传感器的下游，阻止了颗粒进入取压孔；
传感器的独特结构不易受磨损、杂质的影响，没有可以活动的部件，一体化结构避免了高、低压腔室之间的信号渗漏。实践证明，防堵型毕托巴传感器达到了理想的防堵性能和稳定的取压功能，长期运行精确度高，计量检测数据可靠。
1.4 稳定效果
流量计探头采用开放“V”形结构，正压迎流孔在斜面中心区域，充分感受介质流动在迎流面的压力，并且取压孔能够有效地远离边缘，取压受介质流动在侧方形成的干扰波动影响小；
负压孔在紧靠正负压腔分割面，能够第一时间感受到介质流动脱离阻力件形成的流动负压，且介质流动形成的涡旋在分割面影响最小，流量传感器会形成稳定的差压，如图6。流量计和介质充分接触位置为金属机械部件，受工况条件金属材质只有微量的膨胀系数对测量数据没有影响，容易受环境影响的电子部件在外部，可以通过外部防护措施使其有较好的运行环境。所以流量计计量时抗干扰能力强，能够准确地计量介质的流量。
图6 传感器形成差压流场图Fig.6 The differential pressure flow field diagram formed by the sensor
镇海炼化四硫磺主风机K101A/B主风机（图7）入口流量测量最初采用均速管流量计配单台高精度微差压变送器，控制系统如图8。由于主风机出口直管段很短，流态不稳，流量计测量严重失准，实际已进入喘振控制线的数据但系统显示并未进入喘振区，导致防喘振难以控制，为此该主风机经常发生喘振现象。同时由于该流量测量值波动大，导致系统对主风机出口调节阀输出随之波动大，造成该主风机工作点偏移量较大，主风机无法稳定运行，在安全区和喘振区频繁切换，导致防喘振阀、变频器等设备的超负荷运行，甚至损坏。
图7 镇海炼化四硫磺主风机Fig.7 Four-sulfur main blower of Zhenhai refinery
图8 控制系统流程图Fig.8 Control system flow chart
经过现场检查和核算，发现由于流量计安装位置管道的直管段长度不足，原采用均速管流量计无法准确测量气体流量，且输出流量波动剧烈，对日常工艺运营产生了负面影响。经过与业主单位仪表中心反复论证和比对，证实该均速管流量计无法准确测量主风机入口流量，提出了采用毕托巴“脉动技术”流量计，由3个探头组合测量实现。通过前期大量实验标定总结，完成流量制做，并顺利完成了流量计安装，安装过程如图9。在试运行调试过程中，发现流量准确性已经得到改善，但测量数据波动仍会出现2000Nm3/h以上的波动情况，具体如图10。在做了差压滤波、增大阻尼系数、现场检漏等多种措施后，波动未得到有效解决。后经毕托巴公司与业主单位仪表中心反复分析原因，现场管道防雨帽影响流场变化较大，通过重新按现场绘制图纸，采用流场分析软件，模拟现场流场分布情况，重新分析寻找到相对稳定的流场位置点，重新定位将流量计插入深度由原来的330mm调整为450mm，并根据管道流场分布系数，修正后有效解决了数据不稳定等问题。正式投用后，流量波动在1500Nm3/h以内，DCS显示的曲线波动情况完全达到工艺控制要求，详见调试前后实际流量趋势图，具体如图11。
图9 安装过程Fig.9 Installation process
图10 调试前流量波动Fig.10 Fluctuation of flow before commissioning
图11 调试后流量波动Fig.11 Flow fluctuation after debugging
主风机入口流量计既参与出口流量调节，又参与防喘振控制。因此，该流量计的选型至关重要。本次改造主风机入口流量计选用毕托巴“脉动技术”流量计，该流量计具有压损小、精度高、重复性好、防堵性和安全性好等特点，十分适合该工况。同时，通过获得管道介质流场的相对稳定点，降低了差变数值波动幅度，解决了流量数据波动大的问题。
在工业防喘振控制方案中，入口流量的准确测量是重中之重，特别是在直管段很短的大口径管道中的流量准确测量堪称技术“瓶颈”。毕托巴“脉动技术”流量计在镇海炼化四硫磺主风机出口流量测量准确，取得很好的效果，有效避免喘振发生，解决了湍流状态流体场的测量准确性问题，解决了流量数据波动大的问题。毕托巴公司在喘振控制中既考虑了安全性，又照顾到了可操作性，保证了设备长周期安全运行，提高了装置经济效益的产出。
毕托巴公司长期致力于技术先进的流量计量解决方案，尤其在复杂工况流体方面，努力提高流量计量的准确度和稳定性，为我国冶金、钢铁、石化等企业动力设备的安全运行和装置平稳生产起到了关键的技术支撑作用。
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