工業(yè)在硫磺回收裝置中的應(yīng)用-超聲波流量計(jì)
隨著市場(chǎng)原油價(jià)格的不斷提高，迫使煉油企業(yè)通過(guò)煉制相對(duì)低價(jià)的高硫高酸劣質(zhì)化原油來(lái)降低成本，以保持企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而同時(shí)隨著人民生活水平的提高，公眾對(duì)環(huán)保要求日益重視，政府也加強(qiáng)了對(duì)節(jié)能減排工作的力度。這兩者之間的矛盾就要求企業(yè)新上大規(guī)模硫磺回收裝置以解決由于高含硫原料而產(chǎn)生的大量酸性氣排放的環(huán)保問(wèn)題。所以從2000年開(kāi)始已經(jīng)有越來(lái)越多的100kt/a以上規(guī)模的硫磺回收裝置在國(guó)內(nèi)新建。硫磺回收裝置的主要工藝流程為上游裝置來(lái)的排放酸性氣在主反應(yīng)爐內(nèi)燃燒生成硫磺和尾氣，然后進(jìn)入下個(gè)工段進(jìn)行加氫、急冷及溶劑再吸收，處理后的凈化尾氣去焚燒爐進(jìn)行焚燒處理后達(dá)標(biāo)排放。就硫磺裝置而言，反應(yīng)爐和焚燒爐是影響整個(gè)裝置運(yùn)行好壞的關(guān)鍵設(shè)備。而進(jìn)反應(yīng)爐的酸性氣和進(jìn)焚燒爐的燃料氣流量測(cè)量效果的好壞對(duì)這兩個(gè)爐子的控制有著重要的影響，相應(yīng)也會(huì)對(duì)整個(gè)裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性和硫回收率的高低產(chǎn)生重大的影響。
2 硫磺回收裝置酸性氣和燃料氣流量測(cè)量的特點(diǎn)
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(jīng)匯集管線后形成較大的管路，zui后進(jìn)入此裝置。由于設(shè)計(jì)規(guī)模的原因，工藝管線的尺寸范圍一般為500～800mm。這就要求從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)選擇一種投資較低的插入式儀表。
同時(shí)由于煉油廠原料的組成不同，一般要求裝置有設(shè)計(jì)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(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)來(lái)的，由于上游裝置的波動(dòng)，這兩者的組分會(huì)有較大的變化。酸性氣來(lái)自上游的溶劑再生裝置，其相對(duì)分子質(zhì)量組成受原油中硫含量的高低和各個(gè)上游裝置的類型負(fù)荷決定。燃料氣來(lái)自管網(wǎng)，其相對(duì)分子質(zhì)量組成受各生產(chǎn)裝置的影響。這就要求選擇一種能適應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)密閉測(cè)量，在線校正數(shù)據(jù)的儀表。
綜上所述，選擇一種可在線維護(hù)、壓損較低、適應(yīng)組分變化大、流速變化劇烈的插入式流量?jī)x表成為一個(gè)新課題。以往國(guó)內(nèi)很多煉油廠采用傳統(tǒng)流量測(cè)量技術(shù)如差壓、渦街和插入式熱質(zhì)量流量計(jì)等方法試用于酸性氣和燃料氣的測(cè)量。但實(shí)際應(yīng)用中卻遠(yuǎn)不能滿足測(cè)量控制需求，主要是受限于低速、無(wú)法追蹤不穩(wěn)定或脈動(dòng)流、量程比有限、無(wú)法承受污染如液體附著、侵蝕等以及無(wú)法適用氣體組分的變化。很多儀表被閑置或頻繁維護(hù)，這實(shí)際上造成了很大的投資貶值與浪費(fèi)。
硫磺回收裝置的工藝對(duì)象與煉油廠火炬氣流量測(cè)量比較相似，因此選擇火炬氣超聲波流量計(jì)作為解決以上問(wèn)題的方法[1]。
3 超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理
時(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理如圖1所示[2-3]。它是利用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法。
圖1中有2個(gè)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(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為d，超聲波行走的路徑長(zhǎng)度為l，超聲波順流傳播距離l的時(shí)間為td，逆流為tu，超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向夾角為θ。td和tu可用式（1）表示：
式中c———超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速；v———流體介質(zhì)的流動(dòng)速度。
tu和td之間的差如式（2）所示：
式中x———兩個(gè)換能器在管線方向上的間距。
由此可見(jiàn)，當(dāng)c和x為固定的常數(shù)時(shí)，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。流量qv就可以同式（3）表示：
以上測(cè)量所得的是流體的體積流量，在引入流體的溫度，壓力，相對(duì)分子質(zhì)量等測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算后就可以得到比較高精度的流體質(zhì)量流量。
運(yùn)用超聲波時(shí)差法原理，在測(cè)量得到順流、逆流聲波傳播時(shí)間平均值的情況下可以進(jìn)一步根據(jù)“平均傳播時(shí)間=聲程/聲速”的原理，計(jì)算得出聲波在介質(zhì)中傳播速度，即聲速。由于固定介質(zhì)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(cè)量可以推算出流體內(nèi)介質(zhì)的組成成分及分子量數(shù)據(jù)。
4 火炬氣超聲波流量計(jì)的性能
gesensing公司的gf868火炬氣流量采用超聲波時(shí)差法的原理對(duì)火炬氣類介質(zhì)流量進(jìn)行測(cè)量。它秉承了超聲波流量測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，具有高精度、快速響應(yīng)、高可靠性、寬量程比等特點(diǎn)；利用相互時(shí)差技術(shù)，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理，具有相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)量功能。還可以對(duì)氣體的實(shí)際聲速進(jìn)行二次測(cè)量，在測(cè)得氣體聲速后，再通過(guò)流量計(jì)電子設(shè)備中內(nèi)設(shè)的一項(xiàng)獲得的算法計(jì)算后，就可以通過(guò)聲速、壓力和溫度測(cè)量出氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量。相較于傳統(tǒng)思路利用色譜分析儀進(jìn)行氣體組分分析而得出氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量的方法，盡管gf868火炬氣超聲波流量計(jì)在平均相對(duì)分子質(zhì)量分析上無(wú)法達(dá)到色譜分析儀的精度，但在酸性氣和燃料氣測(cè)量控制領(lǐng)域上做定性判斷已經(jīng)足夠。這樣只用1臺(tái)超聲波流量計(jì)就可結(jié)合流量測(cè)量和相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)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(jì)在選用bwt技術(shù)的探頭并加緩沖棒系統(tǒng)后，可以使用于-190～450℃的氣體環(huán)境，具有抗高速流體產(chǎn)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(cè)量環(huán)境。
正常運(yùn)行情況下，火炬氣超聲波流量計(jì)可以測(cè)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(cè)量。當(dāng)出現(xiàn)“擾動(dòng)”時(shí)，火炬氣超聲波流量計(jì)可測(cè)量高達(dá)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(jì)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(dá)2750∶1，1臺(tái)gf868就可滿足所能遇到的絕大多數(shù)工況的流量測(cè)量。
該流量計(jì)可以配置1對(duì)或2對(duì)測(cè)量探頭。單對(duì)聲道測(cè)量時(shí)，當(dāng)流速在±0.3～±85m/s之間，流量測(cè)量精度滿足讀數(shù)的±2%～5%。雙對(duì)聲道測(cè)量時(shí)，當(dāng)流速在±0.3～±85m/s之間，流量測(cè)量精度滿足讀數(shù)的±1.4%～3.5%。測(cè)量相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)，測(cè)量精度滿足±1.8%。
綜上所述，gf868火炬氣超聲波流量計(jì)滿足測(cè)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(cè)量的*選擇。
5 火炬氣超聲波流量計(jì)的安裝設(shè)計(jì)
gf868火炬氣超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)包括一對(duì)傳感器（每個(gè)通道一對(duì)），前置放大器和1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)變送器。
gf868火炬氣超聲波流量計(jì)的傳感器分為t1型（鈦傳感器外殼與不銹鋼管緊固聯(lián)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(yù)先加工好的帶機(jī)械插拔裝置接口的測(cè)量管上。也可以通過(guò)熱鉆孔或冷鉆孔的方式直接在線將機(jī)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(duì)費(fèi)用高但安裝精度好，一般用于小口徑管道的應(yīng)用。安裝于管線上的超聲波傳感器向氣體順流和逆流發(fā)射超聲波信號(hào)。每一個(gè)傳感器都能發(fā)射和接收超聲波信號(hào)。
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(yīng)水平安裝。選擇測(cè)量管路時(shí)應(yīng)該盡量避免選用流體自上向下流動(dòng)的豎直管線。傳感器安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離彎頭、變徑、閥門(mén)、節(jié)流裝置，安裝點(diǎn)直管段的要求滿足前20d后10d（d為管線直徑），如有閥門(mén)、泵、變徑、節(jié)流裝置等，直管段應(yīng)適當(dāng)再加長(zhǎng)。
防爆型前置放大器一般要求就地放于傳感器附近，以達(dá)到良好的信號(hào)傳遞功能。傳感器電纜zui大長(zhǎng)度可以達(dá)到300m。在現(xiàn)場(chǎng)惡劣的條件下，可以集中將變送器放于室內(nèi)。如將變送器機(jī)箱放于室外時(shí)可以選擇鋁加環(huán)氧樹(shù)脂涂層或不銹鋼的防爆外殼。
gf868火炬氣超聲波流量計(jì)的變送器內(nèi)置流量計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)器（線性或循環(huán)）可記錄超過(guò)4.3×105個(gè)流量數(shù)據(jù)點(diǎn)。內(nèi)置改進(jìn)的分子量算法，基于溫度和壓力修正聲速，具有較強(qiáng)的計(jì)算校正功能。變送器部分能夠地測(cè)量聲波在兩個(gè)傳感器之間傳播所用的時(shí)間，分別測(cè)量順流方向和逆流方向超聲波傳播所需的時(shí)間。流速越高，順流和逆流傳播時(shí)間之間的測(cè)量差值（即時(shí)間差）就越大。實(shí)際體積流量是流速和管道內(nèi)橫截面積的乘積。通過(guò)外置變送器輸入的氣體溫度和壓力信號(hào)，就可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)體積流量。再通過(guò)流量計(jì)本身測(cè)量出的氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量，還能計(jì)算出流體的質(zhì)量流量。變送器有2個(gè)獨(dú)立設(shè)置的64×128像素lcd圖像顯示器，以數(shù)字或圖形方式顯示流量數(shù)據(jù)，也可顯示記錄的數(shù)據(jù)及診斷值。變送器通過(guò)39鍵觸覺(jué)反饋膜鍵盤(pán)設(shè)定實(shí)時(shí)計(jì)算流速，即時(shí)平均分子量，質(zhì)量流量及其他流量參數(shù)。還可同時(shí)處理其他工作，諸如設(shè)定、記錄、校準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)輸出和自診斷。