超聲波流量計在硫磺回收裝置中的應用

【資料簡介】

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

1 引言

 

    隨著市場原油價格的不斷提高，迫使煉油企業通過煉制相對低價的高硫高酸劣質化原油來降低成本，以保持企業的經濟效益。而同時隨著人民生活水平的提高，公眾對環保要求日益重視，政府也加強了對節能減排工作的力度。這兩者之間的矛盾就要求企業新上大規模硫磺回收裝置以解決由于高含硫原料而產生的大量酸性氣排放的環保問題。所以從2000年開始已經有越來越多的100kt/a以上規模的硫磺回收裝置在國內新建。硫磺回收裝置的主要工藝流程為上游裝置來的排放酸性氣在主反應爐內燃燒生成硫磺和尾氣，然后進入下個工段進行加氫、急冷及溶劑再吸收，處理后的凈化尾氣去焚燒爐進行焚燒處理后達標排放。就硫磺裝置而言，反應爐和焚燒爐是影響整個裝置運行好壞的關鍵設備。而進反應爐的酸性氣和進焚燒爐的燃料氣流量測量效果的好壞對這兩個爐子的控制有著重要的影響，相應也會對整個裝置運行的平穩性和硫回收率的高低產生重大的影響。

    2 硫磺回收裝置酸性氣和燃料氣流量測量的特點

    硫磺回收裝置一般位于煉油廠裝置的下游，從上游裝置排放出的酸性氣經匯集管線后形成較大的管路，zui后進入此裝置。由于設計規模的原因，工藝管線的尺寸范圍一般為500～800mm。這就要求從經濟角度出發選擇一種投資較低的插入式儀表。

    同時由于煉油廠原料的組成不同，一般要求裝置有設計彈性。這就要求選擇一種有較大量程比的儀表。

    另外酸性氣和燃料氣都是從工廠系統管網進來的，由于上游裝置的波動，這兩者的組分會有較大的變化。酸性氣來自上游的溶劑再生裝置，其相對分子質量組成受原油中硫含量的高低和各個上游裝置的類型負荷決定。燃料氣來自管網，其相對分子質量組成受各生產裝置的影響。這就要求選擇一種能適應氣體組分變化而不受影響的儀表。且考慮到酸性氣的劇毒性，要求選擇一種可以現場密閉測量，在線校正數據的儀表。

    綜上所述，選擇一種可在線維護、壓損較低、適應組分變化大、流速變化劇烈的插入式流量儀表成為一個新課題。以往國內很多煉油廠采用傳統流量測量技術如差壓、渦街和插入式熱質量流量計等方法試用于酸性氣和燃料氣的測量。但實際應用中卻遠不能滿足測量控制需求，主要是受限于低速、無法追蹤不穩定或脈動流、量程比有限、無法承受污染如液體附著、侵蝕等以及無法適用氣體組分的變化。很多儀表被閑置或頻繁維護，這實際上造成了很大的投資貶值與浪費。

    硫磺回收裝置的工藝對象與煉油廠火炬氣流量測量比較相似，因此選擇火炬氣超聲波流量計作為解決以上問題的方法^[1]。

    3 超聲波流量計的測量原理

    時差法超聲波流量計工作原理如圖1所示^[2-3]。它是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。

 

    圖1中有2個超聲波換能器：順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離，管線的內直徑為D，超聲波行走的路徑長度為L，超聲波順流傳播距離L的時間為t_d，逆流為t_u，超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為θ。

    由此可見，當c和X為固定的常數時，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。流量q_V就可以同式（3）表示：

 

    以上測量所得的是流體的體積流量，在引入流體的溫度，壓力，相對分子質量等測量值進行補償運算后就可以得到比較高精度的流體質量流量。

    運用超聲波時差法原理，在測量得到順流、逆流聲波傳播時間平均值的情況下可以進一步根據“平均傳播時間=聲程/聲速”的原理，計算得出聲波在介質中傳播速度，即聲速。由于固定介質在已知溫度和已知壓力情況下聲速是保持不變的物理量，因此聲速的測量可以推算出流體內介質的組成成分及分子量數據。

    4 火炬氣超聲波流量計的性能

    GESensing公司的GF868火炬氣流量采用超聲波時差法的原理對火炬氣類介質流量進行測量。它秉承了超聲波流量測量的優勢，具有高精度、快速響應、高可靠性、寬量程比等特點；利用相互時差技術，結合數字信號處理，具有相對分子質量測量功能。還可以對氣體的實際聲速進行二次測量，在測得氣體聲速后，再通過流量計電子設備中內設的一項獲得的算法計算后，就可以通過聲速、壓力和溫度測量出氣體的平均相對分子質量。相較于傳統思路利用色譜分析儀進行氣體組分分析而得出氣體平均相對分子質量的方法，盡管GF868火炬氣超聲波流量計在平均相對分子質量分析上無法達到色譜分析儀的精度，但在酸性氣和燃料氣測量控制領域上做定性判斷已經足夠。這樣只用1臺超聲波流量計就可結合流量測量和相對分子質量測量的功能，粗略推算出氣體組分的大概變化。

    GF868火炬氣超聲波流量計在選用BWT技術的探頭并加緩沖棒系統后，可以使用于-190～450℃的氣體環境，具有抗高速流體產生沖擊的能力，zui高可以適用10MPa的工作壓力，還有很高的抗腐蝕能力，適用于酸性氣測量環境。

    正常運行情況下，火炬氣超聲波流量計可以測量0.1～0.5m/s的低流速流體，情況下滿足zui低流速0.03m/s的測量。當出現“擾動”時，火炬氣超聲波流量計可測量高達80m/s的高流速流體，并且滿足雙向流體的要求。GF868火炬氣超聲波流量計采用插入式探頭，可以滿足工藝管線直徑從76mm～3m的變化，具有較寬的工作范圍，其量程比高達2750∶1，1臺GF868就可滿足所能遇到的絕大多數工況的流量測量。

    該流量計可以配置1對或2對測量探頭。單對聲道測量時，當流速在±0.3～±85m/s之間，流量測量精度滿足讀數的±2%～5%。雙對聲道測量時，當流速在±0.3～±85m/s之間，流量測量精度滿足讀數的±1.4%～3.5%。測量相對分子質量時，測量精度滿足±1.8%。

    綜上所述，GF868火炬氣超聲波流量計滿足測量變組分大量程比腐蝕性有毒氣體流量的要求，是硫磺回收裝置中酸性氣和燃料氣流量測量的*選擇。

    5 火炬氣超聲波流量計的安裝設計

    GF868火炬氣超聲波流量測量系統包括一對傳感器（每個通道一對），前置放大器和1臺現場變送器。

    GF868火炬氣超聲波流量計的傳感器分為T1型（鈦傳感器外殼與不銹鋼管緊固聯接而成）和T2（鈦傳感器外殼與鈦管焊接而成）兩類。其材料可以選擇鈦、Hasloy，Monel和316不銹鋼。傳感器可以安裝在預先加工好的帶機械插拔裝置接口的測量管上。也可以通過熱鉆孔或冷鉆孔的方式直接在線將機械插拔裝置安裝在工藝管道上，與工藝管道的連接為法蘭。前者相對費用高但安裝精度好，一般用于小口徑管道的應用。安裝于管線上的超聲波傳感器向氣體順流和逆流發射超聲波信號。每一個傳感器都能發射和接收超聲波信號。

    考慮到管路中流體可能存在的固體顆粒分布，傳感器一般應水平安裝。選擇測量管路時應該盡量避免選用流體自上向下流動的豎直管線。傳感器安裝位置應遠離彎頭、變徑、閥門、節流裝置，安裝點直管段的要求滿足前20D后10D（D為管線直徑），如有閥門、泵、變徑、節流裝置等，直管段應適當再加長。兩種典型的傳感器安裝示意如圖2所示。

 

    防爆型前置放大器一般要求就地放于傳感器附近，以達到良好的信號傳遞功能。傳感器電纜zui大長度可以達到300m。在現場惡劣的條件下，可以集中將變送器放于室內。如將變送器機箱放于室外時可以選擇鋁加環氧樹脂涂層或不銹鋼的防爆外殼。

    GF868火炬氣超聲波流量計的變送器內置流量計算機，存儲器（線性或循環）可記錄超過4.3×10⁵個流量數據點。內置改進的分子量算法，基于溫度和壓力修正聲速，具有較強的計算校正功能。變送器部分能夠地測量聲波在兩個傳感器之間傳播所用的時間，分別測量順流方向和逆流方向超聲波傳播所需的時間。流速越高，順流和逆流傳播時間之間的測量差值（即時間差）就越大。實際體積流量是流速和管道內橫截面積的乘積。通過外置變送器輸入的氣體溫度和壓力信號，就可以計算出標準體積流量。再通過流量計本身測量出的氣體平均相對分子質量，還能計算出流體的質量流量。變送器有2個獨立設置的64×128像素LCD圖像顯示器，以數字或圖形方式顯示流量數據，也可顯示記錄的數據及診斷值。變送器通過39鍵觸覺反饋膜鍵盤設定實時計算流速，即時平均分子量，質量流量及其他流量參數。還可同時處理其他工作，諸如設定、記錄、校準以及數據輸出和自診斷。

    6 結束語

    從1998年鎮海煉化公司的*套70kt/a硫磺回收裝置使用以來，GF868火炬氣超聲波流量計已經隨著鎮海石化工程公司的ZHSR硫磺回收技術在鎮海煉化、揚子石化、金山石化等國內大型石化企業的大型硫磺回收裝置中得到了廣泛的應用。從近10年的使用效果來看，該儀表測量穩定，相應裝置運行平穩。其中鎮海煉化的第二套70kt/a硫磺回收裝置還創下了硫磺裝置全國長周期運行的新紀錄。為廣大用戶解決了硫磺裝置中酸性氣和燃料氣測量的難題，得到了越來越多的國內用戶的青睞。