一起空分装置流量测量元件计量误差事件的处理方法沈梦荣

1一起空分装置流量测量元件计量误差事件的处理方法沈梦荣，丁传琪，李燕鹏（中国空分设备有限公司浙江杭州310051）摘要：通过一起空分装置流量测量元件计量不准确的事件，分析其中配管因素对于流量计计量精度的影响。在无法更改现场配管走向的情况下，通过增设管道流动整直器的方法最终解决了问题，并总结了经验教训。Abstract:Analysisofpipingfactorseffectontheflowmetermeasurementaccuracy,becauseofaninaccuratemeasurementeventaboutairseparationunitwiththeflowmeasurementdevice.Finallysolvedtheproblembyusingthemethodofaddingpipeflowstraighteningmachinewhenpipingtothesceneoftheunabletochangethemovetowardssituation,andsumsuptheexperiencesandlessons.关键词：空分纯化系统阿纽巴流量计流动整直器经验教训Keywords:AirseparationPurificationsystemAnnubarflowelementFlowstraighteningmachineExperiencesandlessons1前言某石化公司于八十年代初期从国外知名空分公司引进一套10000Nm3/h空分装置，该装置运行至今已近三十年。近年来，分子筛纯化系统曾多次出现分子筛填料通过床层泄漏事件，并经由用户自行进行了多次修补。由于用户认为该分子筛纯化系统的可靠性及安全性出现了明显降低，用户于2015年决定对该分子筛纯化系统进行整体更换改造。本项目由我司负责设备及系统设计，某机械制造公司负责生产制造。项目于2015年6月下旬实施安装更新，2015年7月12日空分装置重新启动，改造后纯化系统同时投入运行，纯化系统出口处检测空气中CO2含量指标达到设计要求。2现象与判断空分装置运行后不久发现，当MS1纯化器与MS2纯化器工作状态相互切换后，空气出纯化系统的流量测量值相差较大。当MS1纯化器工作时空气出系统流量约为37300Nm3/h，当MS2纯化器工作时空气出系统流量约为53600Nm3/h，而空气流量设计2值为53000Nm3/h。继续观察纯化系统运行三个周期后，结果依然是MS1纯化器工作时较MS2纯化器工作时空气出系统流量计量值偏低，且偏差值趋于某一稳定值。空气出两台分子筛纯化器汇入空气总管后流经同一台流量测量元件计量，并最终进入冷箱内分馏塔系统参与精馏过程。纯化系统流程组织示意图见图1。通过观察，在分子筛纯化系统三个切换周期的运行过程中，空压机排压及上、下塔操作压力未发生变化，空分装置各产品产量与纯度亦未见波动。同时，在装置运行初期，所有自动控制阀均处于手动状态，未投自动，阀门流通能力相对固定。上述现象说明在两台纯化器切换的过程中空压机排气量及进分馏塔系统的空气量实际未发生明显变化，这也证实了当两台分子筛纯化器切换运行过程中，实际通过每台纯化器的空气量是基本相等的。图1纯化系统流程组织示意图FRQC1PSPPSPSPSPSPSpspspsPpsSPpsps3原因分析本次纯化系统改造更换项目按照用户前期要求，两台纯化器基础利旧，纯化器外形尺寸与管口位置尽可能与原纯化器一致，纯化器、控制阀门及系统内管道整体更换，配管尽可能保持原有走向。由于现场原有两台纯化器的基础定位相距较近，更新后的纯化器位置也无法变更，这致使配管空间相对受限，对于原有配管的优化设计难以实现。设计人员在布置纯化器空气出口管道时，综合考虑阀门操作方便及有限的配管空间等因素，采用了不对称布置形式。纯化器空气出口管道配管示意图见图2。图2纯化器空气出口管道配管示意图3位于空气出口汇总管的流量测量元件FRQC1是一台阿纽巴流量计。按工作原理分类属于差压式均速管流量计，安装方式为插入式。插入式流量计由于其结构特点使得它在大口径流量测量中有突出的优点，如价格低廉，重量轻，压损小，易于安装、维修等。该流量计为利旧仪表，流量计经现场业主仪表人员检查后，可以排除是由于测量元件自身差压测定不准或流量计算公式有误或DCS系统所造成的误差。那么此时我们的判断为，造成此次流量计量差异产生的原因很可能是由于两台分子筛纯化器空气出口管道的不对称布置所引起的。由分子筛纯化系统的工作特点可知，每当工作纯化器发生一次切换，流经空气汇总管的空气路径将发生一次改变。对于出口支管段对称布置的纯化系统来说，切换前后虽然空气流路发生了变化，但是流经的管路特性是一致的（流经的管件数量与型式保持不变，流经的管道长度保持不变）；而对于纯化器出口支管段非对称布置的纯化系统，情况则要复杂的多。当然，理论上如果测量元件上游直管段足够长时，即使上游流体流动路径发生了改变，但经过充分发展流动后，消除旋涡，流型得到稳定，流量测量元件所测量到的差压也会趋于一致。该项目中，流量计安装位置见图2，流量计上游直管段长度约为10米，似乎满足我们一般意义上认为的差压式流量计“前十后五”的要求（即流量计上游侧直管段长度不少于十倍管道直径，下游侧直管段长度不少于五倍管道直径）。而在实际运行过程中我们发现，每当MS2纯化器工作时，出口空气流量接近设计值53000Nm3/h，与空压机排气能力基本吻合；而每当MS1纯化器处于工作状态时，出口空气流量指示仅约为37300Nm3/h，偏低近30%，流量计指示值明显不准确。从MS1纯化器出口空气管路布置分析，空气出纯化器依次有DN700/DN400缩接，DN400弯头，DN400蝶阀，以及4连接DN400支管与DN600总管的异径三通。当气体流经DN700/DN400缩接及DN400弯头时速度分布产生畸变与二次流动，流经DN400蝶阀时管内气体速度分布发生畸变、二次流动与旋涡，流经异径三通汇入总管时与管壁撞击而粘滞速度分布发生畸变同时产生旋涡。表1所示为均速管流量计所要求的直管段长度。根据该项目实际情况，配管类型可大致简化为类型3，表中显示当不采用整流器且流经管件不在同一平面内时，流量计上游侧最短直管段长度要求为24D（D为管道公称直径）。若按表1要求，那么当MS1纯化器工作时，从汇总管异径三通处至流量计的直管段长度则略显不足（空气出口汇总管直径DN600，流量计上游侧最短直管段长度要求24D，即14400mm）。同理，空气出MS2纯化器并最终斜接汇入总管处距流量计的直管段长度亦略显不足，但由于斜接管型式对于流体产生流速畸变或旋涡的影响在一定程度上要优于三通型式，故实际测量中未测得当MS2纯化器工作时空气流量值的明显偏差。表1均速管流量计所要求的直管段长度54问题处理由于现场流量计FRQC1为利旧仪表，改造施工中未涉及，且下游侧直管段长度又相对较短，无法通过改变流量计的安装位置来增加上游侧直管段长度。因此，我们通过上述原因分析向用户提供了以下两种处理方法：（1）修正均速管流量计的流量系数根据此类流量计工作原理，其测量公式中有一个流量系数α，这个系数反映了流量计按标准制造安装的流量计修正系数。流量计计量值发生了偏离，是设计、制造、安装使用一系列因素造成的，也即流量系数α发生了变化。由于均速管流量计其流量测量的重复性比较好，且纯化系统空气出口流量仅作为控制流量，而非贸易结算用流6量。因此使修改流量系数成为可能，这种方法最大的好处是极为便捷且不产生任何能耗的增加。（2）采用流动整直器由表1可知，若在流量计上游侧直管段中增设流动整直器，则能大大降低流量计上游侧最短直管段长度要求，虽然这种方法增加了部分的永久压损，但在某些特定场合具有其特有的使用价值。根据GB/T2624.1-2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量第一部分：一般原理和要求》附录C，采用流动整直器能够消除或显著减少旋涡但不能同时产生容许流动状态（参见参考文献2），流动整直器型式可分为管束式流动整直器（图3）、AMCA整直器（图4）和Etoile整直器（图5）。图3管束式流动整直器图4AMCA整直器图5Etoile整直器7最终经过讨论，用户认为纯化系统空气出口流量指示值被用于空气压缩喘振控制，属于重要参数，故决定采用增设管束式流动整直器的方式来减小或消除计量偏差。管束式流动整直器由一捆紧固在一起平行相切并刚性地夹持在管道中的管子组成。管束式流动整直器至少宜有19根管子，管子直径小于等于0.2倍管道直径，管子长度宜大于等于10倍管子直径。依据用户生产安排，空分装置于2015年8月15日进行临时停车，并在空气出口流量计上游侧加装了流动整直器。最终，在MS2纯化器空气出口管斜接汇入空气总管后，流量计FRQC1上游侧，安装了由22根DN100不锈钢管子组成的管束式流动整直器，管束长度1300mm。2015年8月16日空分装置再次启动，FRQC1流量计在工作纯化器切换前后计量空气出系统流量，流量指示值基本一致，与设计值相符。通过此次增设流动整直器，完美的解决了工程实践中出现的流量计上游侧直管段无法满足最短长度的问题，从而保证了空分装置的整体稳定运行及空气压缩机控制要求，对于其他有类似情况发生的工程项目具有一定借鉴作用。5经验教训本次改造项目属于分子筛纯化系统整体改造，除了满足分子筛纯化器设备自身的安全可靠性之外，设计人员对于整个系统设计的把握应具有全局性，使系统各项运行测量指标均符合设计要求，是保证整个装置安全稳定运行的基础。对于分子筛纯化系统的管路应尽可能采用对称布置型式，以减少纯化器切换工作前后对于整个系统运行状况的影响。如果确实由于空间限制，无法满足纯化系统主要管道完全实现对称布置的要求时，则应评估其对下游设备或计量仪器影响，如影响较大时须采取相应措施，减少或消除影响。随着空分装置的大型化发展，直径1米以上的工艺管道在工程项目中已是屡见不鲜。一些项目由于场地限制，管道及测量仪表的空间布置必然受到限制。为了保证某些受配管影响较大的测量仪表（如各类流量测量元件）的计量准确性，设计人员在必8要时也应在设计过程中加以考虑。参考文献：[1]蔡武昌,孙淮清,纪刚.流量测量方法和仪表的选用.化学工业出版社.2001.[2]GB/T2624.1-2006.用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量第一部分：一般原理和要求.2007