摘要: 文章針對中國石油蘭州石化分公司煉化生產蒸汽系統計量檢測率偏低、計量損失率偏高等方面存在的瓶頸和難點，就如何提高蒸汽計量檢測率和準確性的優化方案進行了研究，提出了適用于蒸汽計量實際狀況的雙量程差壓式蒸汽計量解決方案、多參量雙向流蒸汽計量檢測方法、一體化引壓實時溫壓補償集成化方案等蒸汽計量優化方案，并對蒸汽計量優化方案的實際應用效果進行了介紹。
中國石油蘭州石化分公司煉化生產裝置每年蒸汽消耗量超過千萬噸，蒸汽的準確無損計量對于節能降耗、提高經濟效益有重要意義，同時也是能源管控精細化管理的重要保障。目前在蒸汽計量檢測率偏低、計量損失率偏高方面存在的主要技術瓶頸和難點問題，一是如何實現普遍存在的大管徑、寬量程、小流量以及大范圍波動蒸汽流量的準確測量難題; 二是如何實現同一管道中雙向流蒸汽的實時準確測量難題; 三是如何對近年來工業流量測量領域的新技術自主性研究和創新性應用，避免生產現場蒸汽計量手段單一、測
量精度偏低、技術水平減趨落后且與能源管控工作要求不適應的問題。
針對以上瓶頸問題，本文在對外購、自產、消耗、外供蒸汽計量方法、手段及技術水平進行總體調研的基礎上，針對公司蒸汽管網龐大、供汽系統復雜、用汽計量形式多樣的實際狀況，綜合分析評價現有蒸汽計量設施的實際應用情況，以實現煉化生產現場蒸汽準確無損計量、提高蒸汽計量檢測率、降低蒸汽系統損耗為根本目的，研究提高蒸汽計量檢測率和準確性的優化計量方案，以期通過蒸汽計量方式方法優化，創新應用蒸汽流量測量新技術，進一步提高蒸汽計量精度，解決目前存在的蒸汽計量檢測率低系統損失偏高的問題。
1 蒸汽計量優化方案研究思路
1. 1 雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案
公司煉油區蒸汽管線縱橫交錯遍布全廠，由于季節性、間歇性用汽等原因，管網蒸汽負荷波動較大，經常發生計量數據不穩定、不準確、不合理的情況，給系統平衡、計量核算造成困惑。如何實現公司蒸汽管網中普遍存在的大管徑、寬量程、小流量蒸汽以及大范圍波動蒸汽流量的準確測量，一直是一個較難解決的蒸汽測量難題。本文在研究分析寬量程蒸汽測量不準確的主要原因的基礎上，提出了一種實現寬量程蒸汽流量準確測量的計量解決方案，即雙量程
差壓式蒸汽流量計量技術方案。
雙量程差壓式蒸汽流量計量系統，即一個
節流裝置配備兩臺
差壓變送器，其中一臺為大量程差壓變送器，差壓測量量程上限較高，另一臺為小量程差壓變送器，差壓測量量程上限較小 ( 一般只有 10 kPa 或更小) ，從而使低量程段差壓測量精確度得到提高，兩路信號同時送入流量演算器進行計算、判斷和自動切換，同時進行流量參數補償和溫壓補償，得到補償后的蒸汽流量值。雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案系統構成如圖 1所示。
雙量程差壓式
蒸汽流量計量解決方案在煉油區動 力 鍋 爐 裝 置 減 溫 減 壓 外 排 1. 0 MPa 蒸 汽DN350 母管上進行了實踐。該蒸汽計量點工藝流量量程范圍很寬，存在 6 ～ 100 t / h 流量波動，如果只采用一臺 1 ～ 100 kPa 量程的差壓變送器，其只能保證工藝流瞬時流量≥20 t / h 時，流量計的準確度在 1. 0% 以內，工藝瞬時流量越接近下限，流量計誤差越大，6 t / h 時流量計的不確定度可高達8. 347 6% ( 在實時逐點運算補償的情況下) ，遠遠超出了計量儀表允許的不確定度。為此，考慮增加一 臺 L 膜 盒 的 差 壓 變 送 器，測 量 量 程 0. 5 ～ 10 kPa，通過引入一臺低量程差壓變送器，可大幅度提高量程低段的差壓測量精度，進而提高量程低段的流量測量精度。在該計量點采用的雙量程差壓式蒸汽計量解決方案后節流裝置計算結果見表 1。
該計量解決方案實施后，從 2017 年 11 月冬季至 2018 年 7 月夏季期間，動力鍋爐裝置減溫減壓外排低壓蒸汽瞬時流量數據統計見表 2。
分析表 2 數據: 從月平均瞬時流量看，冬季蒸汽流量在 49 ～ 69 t /h 之間波動，夏季蒸汽流量在 16 ～ 28 t /h 之間波動; 從日平均瞬時流量看，冬夏不同時間段用戶熱負荷波動不同，蒸汽流量變化范圍較寬，即使在蒸汽管網冬、夏熱負荷波動極大的情況下，也能準確檢測到低于 6 t /h 的蒸汽流量。雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案，使整個系統的測量量程比達到 20∶1，且保證全量程測量不確定度優于 1. 0% ，克服了低差壓信號（有時無法測得差壓信號) 所引起的誤差，這樣就解決了大量程情況下小流量測量不準確的問題，保證其全量程的計量準確度在 ± 1. 0% 以內，實現寬量程、高精度測量，解決了由于季節性、間歇性用汽等原因管網蒸汽負荷波動大情況下的準確測量難題，實現了 “大管徑、寬量程、小流量”蒸汽的準確測量。
該計量解決方案實施前后三年煉油區低壓蒸汽系統計量平衡差率情況見表 3。
表 3 數據表明，雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案的實施，使公司低壓蒸汽管網平衡差率得到有效下降。
1. 2 多參量雙向流蒸汽計量檢測方法
公司催化裂化、延遲焦化、連續重整等裝置蒸汽母管與系統管網之間呈互供狀態，蒸汽單管雙向互供，客觀上造成了計量和能耗核算的困難。常規解決辦法是在同一條管線上安裝正、反兩套標準孔板進行測量，但往往直管段難于保證，壓力損失也成倍增加，造成裝置能耗額外增加，特別是進、出裝置蒸汽流向發生改變后很難及時準確判斷和計量檢測，不利于生產運行控制和節能降耗。針對如何實現公司蒸汽管網同一管道中雙向流蒸汽的實時準確測量，以避免只計量裝置外排蒸汽量 ( 產 汽 量) 而不計量裝置消耗蒸汽量( 用汽量) 導致整個蒸汽系統損失率偏高問題，本文研究創新應用多參量雙向流蒸汽計量檢測方法，經濟合理低成本實現了公司部分生產裝置存在的雙向流蒸汽實時準確計量難題。
多參量雙向流蒸汽計量優化方案的研究應用以公司 120 萬噸/年重油催化裂化裝置蒸汽計量為例。進、出裝置3. 5 MPa 蒸汽和1. 0 MPa 雙向流蒸汽計量檢測方法應用示意如圖 2 所示。
本文對該裝置在 2017 年 6 月 15 日至 8 月 2 日從開車狀態過渡到正常生產期間，對進、出裝置兩個方向1. 0 MPa 蒸汽和3. 5 MPa 蒸汽的日累計流量進行了跟蹤觀察。開工期間進、出裝置兩個方向的流量趨勢見圖 3。
圖 3 顯示，在 7 月 8 日開工期間，裝置低壓蒸汽流量由進裝置輸入方式徹底轉變為出裝置輸出方式的 “零”間隔; 下面右圖為進出裝置中壓蒸的流量趨勢圖，曲線清晰顯示了裝置由開工初期，完全引入系統中壓蒸汽，轉變為裝置開工鍋爐產汽后出現富余部分中壓蒸汽外排系統管網的情況。開工期間裝置消耗、外排 3. 5 MPa 和 1. 0 MPa蒸汽量統計情況見圖 4 所示。
圖 4 表明，在裝置開工初期，從 6 月 15 日 ～ 7 月 5 日期間，裝置大量引入系統低壓蒸汽和中壓蒸汽，此時裝置蒸汽流向全部為進裝置方向。從 7 月 6 日開始，裝置開車趨于正常，鍋爐開始產汽，從系統管網引入的中壓蒸汽量明顯減少，并且有富余中壓蒸汽外排，裝置已停止從系統管網引入低壓蒸汽，轉為外排低壓蒸汽。
多參量雙向流蒸汽計量檢測方法，簡化了計量流程、減少了蒸汽壓損，避免了人工切換操作造成的蒸汽損失及工藝風險。同時采取集成化設計安裝，將節流裝置和差壓變送器做成一體，儀表整體組裝，解決了因儀表引壓系統復雜無法保證安裝精度容易產生各種附加測量誤差的問題，使儀表的動態性能得到提高。該優化計量方案，解決了長期困擾生產裝置的進、出裝置兩個方向蒸汽的計量檢測和能耗結算難題，既能滿足計量精度要求，又能滿足裝置節能要求，是一種經濟合理值得推廣的計量檢測方法。
1. 3 一體化引壓實時溫壓補償集成化方案
近年來公司在蒸汽計量領域，整體缺乏對流量測量新技術、新設備的自主性研究和創新性應用，導致生產現場蒸汽計量手段單一、測量精度偏低、技術水平減趨落后，與能源管控工作要求不適應的問題。為此，本文探索研究在公司部分蒸汽交接計量點的流量計選型設計中，優先選用新一代
差壓式流量計等新設備，并綜合運用一體化引壓、多參量測量組態、智能化運算模塊、在線實時溫壓補償、HAＲT 通訊協議、集成化安裝等新技術，以提高蒸汽測量精度，減少蒸汽系統管網損耗。
一體化引壓實時溫壓補償集成化方案，解決了節流裝置復雜取壓管安裝工藝問題，將節流裝置和差壓變送器做成一體，不僅縮短了引壓管線，保證了節流裝置的安裝精度，而且結構簡化，由于采用了特殊的防凍結構，在測量蒸汽時，不需伴熱、保溫及冷凝器，使結構大為簡化，便于現場安裝。同時集成化技術實現了對現場差壓、溫 度、壓力數據的自動實時采集，可以對節流件的流出系數 C、流束可膨脹系數 ε 等參數實時逐點運算，并遵循 IAPWS-IF1997 公式實時計算蒸汽 密度，保證全量程測量不確定度滿足蒸汽計量精度要求。一體化引壓集成方式與傳統引壓方式安裝方案對比如圖 5 所示。
綜合運用一體化引壓實時溫壓補償集成化方案，在公司化工區外接電廠 4. 5 MPa 蒸汽總線、化肥廠送化工區次高壓蒸汽管網 3. 8 MPa 蒸汽總線、化肥廠送化工區次高壓蒸汽管網 4. 1 MPa 蒸汽總線、乙烯廠接化工區次高壓系統蒸汽總線、石化廠接化工區次高壓系統蒸汽兩條蒸汽總線上共計 6 個計量點，將原來的 6 臺
威力巴及
孔板流量計，更新改造為 6 臺
多孔平衡流量計 ( BFM) 新一代差壓式流量計，并將一體化引壓、集成化設計、智能化運算、多參量組態、實時補償、HAＲT通訊等新技術綜合運用到 A + K 平衡流量計進行一體化引壓集成安裝。應用實踐表明，以 A + K 平衡流量計為節流裝置，綜合運用一體化引壓集成安裝方案，具有極高的適合性和較高的經濟性。公司化工區 4. 0 MPa 次高壓蒸汽系統管網的yongjiu壓力損失降低了 1 /3，節流件前后直管段減少 10% 至 20% ，蒸汽流量測量精度提高到 0. 5% ，蒸汽系統管網的計量檢測平衡率大幅提高，蒸汽管網系統損失明顯降低，由改造前的 20% 左右大幅降低至10% 左右，既滿足蒸汽貿易交接計量精度的要求，也大幅降低蒸汽損耗，產生明顯的節能降耗和降本增效的效果。
2 蒸汽計量優化方案應用效果
依托近年來公司計量儀表完善項目計劃的實施，本文研究提出的雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案、多參量雙向流蒸汽計量檢測方法、一體化引壓實時溫壓補償集成化方案，在蒸汽計量領域進行了綜合運用和具體實踐。蒸汽計量優化方案在公司關鍵蒸汽計量點應用推廣情況見表 4。
公司蒸汽計量優化方案應用推廣實施前后的技術水平、應用效果對比見表 5
本文研究提出的蒸汽計量優化方案推廣應用，使公司蒸汽計量精度明顯提高，蒸汽計量檢測率得到進一步提升，蒸汽計量損失率明顯降低，在應用實踐中產生了良好的應用效果，也得到了用戶好評。
( 1) 蒸汽計量難題有效解決。一是創新應用雙量程差壓式蒸汽流量計量技術方案，成功實現了蒸汽流量大范圍波動情況下的準確計量問題，解決了煉油動力鍋爐外排低壓蒸汽南線、北線兩條總線，存在的大管徑、寬量程、小流量以及大范圍波動情況下的準確測量問題，使蒸汽計量數據檢測率得到有效改善。二是創新應用多參量雙向流蒸汽計量檢測方法，成功實現了特殊情況下雙向流蒸汽實時準確計量問題，經濟合理、以非常低成本解決了公司 120 萬噸/年重催裝置、80 萬噸/年連續重整裝置、120 萬噸/年延遲焦化裝置等 5條蒸汽線存在的困擾生產優化調整和計量檢測的“雙向流蒸汽的實時準確測量問題”。
( 2) 蒸汽計量精度明顯提高。蒸汽計量優化方案實施后，公司近年來更新改造或新配備的蒸汽計量設備，yongjiu壓力損失比傳統差壓式流量計降低了 1 /3，單臺計量設備的計量精度提高了0. 5% ，由流量、溫度、壓力、差壓所組成的整個蒸汽計量系統，其合成測量不確定度提高了 2% ，計量系統誤差達到并超過石油石化行業蒸汽貿易交接計量精度標準。
( 3) 蒸汽損失率明顯降低。蒸汽計量優化方案實施前，煉油區1. 0 MPa 和3. 5 MPa 蒸汽管網系統損失年均 15% 左右，每月較大的蒸汽損失分攤量影響裝置能耗達標，也對煉油綜合能耗指標影響較大，不利于能源精細化管控; 化工區 4. 0 MPa蒸汽管網系統損失每月高達 20% 左右，公司生產、計量管理部門和相關單位對該蒸汽管網多次組織排查問題并整改，均無法徹底解決，給乙烯廠各生產裝置、石化廠 40 萬噸/年芳烴抽提裝置的蒸汽總量控制和能耗核算造成一定影響，月底能源計量結算時對損失量分配爭議較大，不利于全要素成本管控。
蒸汽計量優化方案實施后，根據實際情況綜合運用多種計量優化手段，在部分計量點創新采用雙差變寬量程計量方案，部分計量點創新應用多參量雙向流計量檢測方法，部分計量點創新運用一體化引壓集成安裝方案的平衡流量計 ( BFM) 新技術，并在所有具備更新改造時機的蒸汽計量點，優先考慮綜合運用一體化引壓、多參量測量組態、智能化運算模塊、在線實時溫壓補償、HAＲT 通訊協議、集成化安裝等新技術，極大提高了蒸汽測量精度，減少了蒸汽管網損失，使煉油區蒸汽系統損失率降低了 4% ，化工區次高壓蒸汽系統損失率降低了 10% 。
3 結論
以雙量程差壓式蒸汽流量計量解決方案、多參量雙向流蒸汽計量檢測方法、一體化引壓實時溫壓補償集成化方案為主要技術思路，研究提出的提高蒸汽計量檢測率和準確性的計量優化方案，在公司蒸汽計量方案確定、儀表選型設計、安裝調試投用中進行了成功實踐和推廣應用。有效解決了在蒸汽準確計量方面存在的一些問題，極大地提高了生產現場蒸汽計量檢測率，有力地指揮了能源管控。同時蒸汽計量方案的優化，也極大地提升了計量保障能力，保證蒸汽貿易結算的公平公正，維護蒸汽供需雙方合法權益; 提高蒸汽計量整體技術水平，進一步提高了蒸汽計量準確性，降低了蒸汽系統損失，對降低生產裝置蒸汽單耗、提高經濟效益起到了明顯效果，節能減排挖潛增效明顯。本文提出的蒸汽計量優化方案，今后在各類工程項目、新建裝置及改擴建裝置、節能改造項目的蒸汽計量方案確定、計量儀表選型、儀表安裝調試投用中，可以進一步推廣和應用，并對工業空氣、氮氣等其它氣體介質的計量方式方法的改進和優化也具有一定的借鑒意義。
