浅析孔板流量计在炼油厂中的应用及日常维护

上海上自仪公司主要介绍标准孔板流量计在炼油厂中的应用情况，以及孔板流量计的测量原理及安装要求，探讨孔板流量计测量误差产生的原因及应对措施，浅谈孔板流量计日常维护及注意事项，提高孔板测量的准确性，降低流量计故障率，给生产操作和工艺控制提供可靠依据。

孔板流量计因其稳定的性能、制造成本低、结构易懂、操作简单、维护量少等特点，在炼油厂、化工厂中得到广泛的应用。相对于其他流量计，虽然孔板流量计压损比较大，精度偏低，但是其测量范围广、故障率低，智能型变送器更是能完善其诊断、补偿等功能，使得孔板流量计能够对各炼油装置的介质进行有效测量。

1 孔板流量计在惠州石化的应用情况

1.1 惠州石化炼油装置特点

惠州石化炼油一期 1200 万吨以加工高酸重质原油为主，炼油二期 1000 万吨主要加工高硫中质原油，炼油装置反应器反应后基本上都会产生少量的硫化氢、氨氮、氯化氢、酸性水等腐蚀性气、液混合物；或为达到某些生产目的，加注缓蚀剂、磷酸三钠等三剂，对管线或仪表设备存在一定的腐蚀；而加氢装置进料普遍带水，介质凝点低，为满足仪表测量要求，仪表维护人员针对性提出一些解决措施。

1.2 孔板流量计在各炼油装置的应用情况

孔板流量计是各炼油装置中使用非常多的一种流量计，约占全部流量计的 50 %，个别装置能达到 70 %以上。主要用于石脑油、汽油、液化气、燃料气、高压蒸汽等介质的测量。例如：炼油二期连续重整装置孔板流量计有 126 台，其中内藏式孔板13 台，其他类型流量计 38 台，孔板流量计应用率达到 76 %。孔板取压方式均为角接取压。各炼油装置孔板应用情况主要有以下几种：

(1)灌注隔离液。某加氢装置进料带水较多，导致孔板引压管积液，造成流量计经常波动，仪表专业反复排液校准，通过在高低压侧引压管平衡灌注隔离液的方式，降低测量误差，保证仪表测量稳定。

(2)加冷凝装置。中、高压蒸汽等温度较高介质的测量，通过冷凝罐分别与介质、差压变送器相接，利用冷凝罐中的冷却水隔开高温介质和传感器，从而避免高温损坏变送器(电容式差压传感器允许温度范围为-40~104 ℃)。

(3)使用智能型仪表。标准孔板与智能型差压变送器配套使用，可以克服因介质参数变化引起孔板流量计测量出现偏差，智能型变送器可以在线监测介质的压力、温度等变化并自动进行补偿，变送器显示器可以滚动显示差压、温度、体积流量、瞬时流量等，测量精度提高，还可在线诊断。

(4)投用伴热及保温。某加氢装置的产品介质为蜡油，蜡油凝点较低，南方冬季足以使该介质冷凝从而堵塞引压管，在引压管上增设伴热和保温措施，再辅助抗乳化的 60 N 基础油作为隔离液，避免因引压管堵塞导致仪表测量不准。

2 孔板流量计的原理及安装要求

2.1 孔板流量计基本原理

充满管道的介质，当它流经管道内的节流孔板时，流速将在孔板处形成局部收缩，使得流速增加，静压力降低，孔板前后产生压差，结构原理如图 1 所示。介质流量越大，孔板前后的压差就越大，通过测量压差来计算流量的大小。

根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式可推导标 准孔板的流量与压差之间定量关系的基本流量公式。

2.2 孔板流量计的组成及适用范围

孔板流量计测量系统主要由标准孔板、引压管、三阀组、差压变送器、控制器等组成，如图 3 所示，附加装置有隔离器、冷凝罐等。孔板高低压侧引压管测定的差压值经差压变送器转换为4~20 mA 标准电信号传送到机柜间和中控室；按取压方式标准孔板有角接取压、法兰取压、径距取压三种方式，按孔板类型有标准孔板、内藏孔板、限流孔板、环形孔板等。标准孔板流量计适用范围有公称直径：15 mm≤DN≤1200 mm；公称压力：PN≤40MPa；工作温度：-50 ℃≤DN≤550 ℃；适用量程比：4︰1~3︰1；测量精度：0.5 级、1.0 级。

2.3 标准孔板流量计的安装要求

(1)取压孔角度。测量介质为气体时，取压孔设在管道上半部，与管道垂直中心线成 0°~45°夹角，可以避免引压管积液；测量介质为液体时，开孔在管道下半部，与水平中心线成 0°~45°夹角；测量介质为蒸汽时，开孔在管道上半部，与管道水平中心线成0°~45°夹角。

(2)引压管敷设。根据物料的特性及测量要求，坡度应不小于1︰12，材质需要耐腐蚀，测量粘度高的介质时需增大引压管的倾斜度，其倾斜角度应能保证能排净管内气体或积液。引压管长度尽可能短，高低压引压管高度要一样，容易冷凝、结晶的介质还需要增加伴热和保温措施。

(3)取压孔要求。取压孔中心线与孔板上下游端面的距离为25.4±0.8 mm；取压孔的中心线和孔板上下游 2D 内圆柱的中心线垂直，孔板两端面和取压孔轴线向外倾斜夹角应小于 3 度。取压孔直径应小于 0.08D。

(4)孔板方向。根据介质流动方向，孔板有正反面安装要求，孔板装反仪表输出会偏小；而且被测介质应充满全部管道并且连续流动，且在通过孔板时时应不发生相变；节流孔板安装前，要用蒸汽对介质管道进行吹扫，避免焊渣、铁屑等高速流动撞击损伤节流孔板。

(5)直管段要求。任何局部阻力均会引起流速在截面上重新分布,使得流量系数变化，所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段，一般要求前 10D，后 5D，如条件不满足，需安装整流器；在孔板前后距离为两倍于管径的管道内壁上,不应有凸出物和明显的粗糙或不平，如介质温度计非常好安装在孔板后面，否则会对测量产生影响。

3 孔板流量计测量误差的影响因素

3.1 仪表选型或使用条件的影响

在仪表选型设计阶段，没有充分考虑到工艺日常操作中各种工况的影响，导致孔板流量计在使用过程中，工艺操作的非常低流量在孔板设计量程的 30 %及以下或者工艺操作的非常高流量大于孔板的设计流量，从而使流量显示出现极大偏差，影响到工艺人员的生产操作。以 1.0 级精度的孔板流量计来为例，在流量为量程的 10 %时，差压值只为差压量程的 1 %，根据GB/T2624-93 中不确定度估算方法，差压测量的不确定度由变送器的精度等级决定，该测量点差压测量的不确定度为：δp/ΔP=1/3*ξ*ΔPmax/Δ =1/3×1.0 %×100 %/1 %=33.3 %式中，δp-不确定度；ΔP-实测差压值；ξ-精度等级；ΔPmax-差压非常大值 [1] 。

根据上述公式还可推算出当测量流量为设计量程的 30 %时，不确定度为 3.7 %。可以发现，在 30 %量程以下，孔板的测量有很大误差，甚至在 10 %量程以下时，会对变送器进行小流量切除，避免造成流量测量不准，给工艺操作员造成参考偏差，一般孔板流量计使用条件会在量程的 30 %~90 %之间比较好。

3.2 孔板前后直管段或孔板本身腐蚀影响

孔板流量计在长期受到高温、高压气体或液体的持续冲刷，特别是带腐蚀性废气或油品的侵蚀后，会导致孔板的直管段内壁或孔板直角边缘腐蚀，入口边缘尖锐度变钝、直角垂直度、直管段管壁粗糙度变差。而流量系数与孔板入口边缘锐度、管壁粗糙度等因素有关，在相等流量的介质通过该孔板时产生的前后压差变小，仪表输出偏小 [2] 。孔板入口边缘磨损越严重，测量误差就越大。因此，需要对孔板进行修正(不划算)，或更换相同型号的孔板。

3.3 孔板安装不规范的影响

孔板施工安装不规范，如孔板装反导致流量测量偏小，孔板露出的部分标记“+”号的为介质入口方向；孔板安装时孔板的中心线要和前后直管段中心线重合，避免孔板偏心，孔板偏心引起的测量误差大约在 2 %以左右。还有引压管的插入位置、敷设坡度过大都对测量产生很大影响。而节流装置(孔板)密封垫片没有按照环室尺寸加工，使得垫片伸入到管内，干扰流体稳定流动；或直管段前后过短等更是会造成流量测量不准，流量测量线性度也达不到相关要求。

3.4 差压变送器零点漂移的影响

受环境温度、湿度及介质温度等的影响，可能会引起差压变送器中某些参数发生细微改变，从而影响仪表的测量准确度。比如，差压变送器在长时间运行后，零点会一定程度上发生漂移，正漂移引起差压偏大，仪表输出偏大，反之则偏小。零点校零时，要确认三阀组正负压侧手阀完全关闭，平衡打开，正负压侧排空丝堵打开，连通大气后再校零。

3.5 操作失误的影响

操作员不按操作规程启用或投用三阀组，易造成差压变送器单向受压，有时会让仪表测量产生附加误差，严重时会让差压变送器损坏。测量蒸汽的孔板流量计没有等冷凝罐冷凝后就投用或冷凝罐液位高低不等；测量液体的流量计没有完全排尽系统内残气就开始投用或者没有正确校零，原始参数输入不准确，均会导致流量测量不准。

3.6 工艺介质变化的影响

孔板测量数值不只是与差压有关，还与介质的密度、压力、温度等参数有关，因为雷诺数受流体的速度、流束定型尺寸、粘度等影响，而流量系数又与雷诺数有很大的关系。流量系数 α 与节流孔板的几何形状、安装方式、流体条件、管道条件等多种因素有关，当雷诺数低于界限雷诺数时，α 将随着流量的减小而增大，如果忽略其他参数的影响，流量输出将偏小 [3] 。大量实验表明，只有流体接近充分湍流时 α 才是与流动状态无关的常数，流量系数 α 只有在雷诺数大于某一界限值时才保持常数 [4] 。因此，孔板测量条件非常好在高雷诺数环境下测量。而使用智能型差压变送器，里面的压力传感器、温度传感器等单元会及时完成各种参数的自动补偿，降低测量误差。

4 孔板流量计的日常维护及注意事项

(1)仪表检修后投用，对于测量气体的孔板流量计，要排掉引压管、差压变送器内积液；对于测量油品的，要排掉测量系统内的水、气体，并使得介质充满管道；同时检查各附属接头、阀门、卡套有无泄露，零点是否漂移。

(2)孔板差压变送器、现场接线箱等部位定期做防水检查，特别是南方雨季、台风来临前，防止接线端子、电路板进水引起仪表故障或出现波动，还有对差压变送器定期检查零点是否漂移。

(3)重要孔板流量计，配合工艺做好排液、排气等工作，如分馏塔回流带水，仪表专业要在工艺操作稳定后及时排液、排气，校验流量是否符合当前物料平衡要求。

(4)针对引压管经常带水或测量介质带腐蚀性的情况，仪表专业可通过打压泵给高低压引压管平衡灌隔离液(选择合适比重的隔离液)的方式，避免因引压管带水导致流量计测量或介质腐蚀变送器。对需要灌隔离液的流量计，要控制好打压压力，并注意排除气泡，调校好仪表零位，并按规范步骤投用仪表。

(5)加强仪表维护人员技能培训，在投用过程中要避免变送器单向受压、或变送器泄漏，不能让导压管内凝结水或隔离液流失；不可使变送器单受热，对于蒸汽，待导压管充满凝结水后方可启动变送器。

(6)在冬季，特别是在北方，对于凝点比较低的介质，仪表专业与工艺专业要配合做好引压管线保温、伴热工作，避免因天气温度过低导致介质在引压管处冷凝，引起仪表测量不准。

(7)停工检修时，蒸汽吹扫要提前隔离变送器避免高温损坏，对长期使用或经常波动偏差的孔板进行下线检查，检查直管段堵塞情况、孔板直角入口边缘光洁度和锐利度、孔板表面垂直度、平行度等是否符合要求，如有超出设计标准，要及时对孔板进行修正或更换。

(8)定期检查孔板设计参数与实际参数是否一致，使得孔板流量计的测量范围满足精度要求，如因生产条件变化导致孔板测量不准，仪表维护人员不可随意更改变送器参数。

结束语：在日常生产操作过程中，孔板流量计出现异常或偏差时，仪表维护人员要及时排除是否由工艺工况改变造成，然后再进一步排除是否由差压变送器、三阀组或孔板本身引起等故障，及时排查出产生偏差的原因并解决，为生产操作提供可靠性参考，这就要求维护人员对本装置工艺流程及介质特性有一个相对深入的了解，上海上自仪公司为快速判断仪表故障及与工艺操作员有效沟通奠定基础。