1 引言
隨著(zhù)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)濟效益。而同時(shí)隨著(zhù)人民生活水平的提高，公眾對環(huán)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(yè)新上大規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(lái)的排放酸性氣在主反應爐內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)行焚燒處理后達標排放。就硫磺裝置而言，反應爐和焚燒爐是影響整個(gè)裝置運行好壞的關(guān)鍵設備。而進(jìn)反應爐的酸性氣和進(jìn)焚燒爐的燃料氣流量測量效果的好壞對這兩個(gè)爐子的控制有著(zhù)重要的影響，相應也會(huì )對整個(gè)裝置運行的平穩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量的特點(diǎn)
硫磺回收裝置一般位于煉油廠(chǎng)裝置的下游，從上游裝置排放出的酸性氣經(jīng)匯集管線(xiàn)后形成較大的管路，zui后進(jìn)入此裝置。由于設計規模的原因，工藝管線(xiàn)的尺寸范圍一般為500～800mm。這就要求從經(jīng)濟角度出發(fā)選擇一種投資較低的插入式儀表。
同時(shí)由于煉油廠(chǎng)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(chǎng)系統管網(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(lèi)型負荷決定。燃料氣來(lái)自管網(wǎng)，其相對分子質(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(chǎng)密閉測量，在線(xiàn)校正數據的儀表。
綜上所述，選擇一種可在線(xiàn)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?jì)x表成為一個(gè)新課題。以往國內很多煉油廠(chǎng)采用傳統流量測量技術(shù)如差壓、渦街和插入式熱質(zhì)量流量計等方法試用于酸性氣和燃料氣的測量。但實(shí)際應用中卻遠不能滿(mǎn)足測量控制需求，主要是受限于低速、無(wú)法追蹤不穩定或脈動(dòng)流、量程比有限、無(wú)法承受污染如液體附著(zhù)、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，這實(shí)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(chǎng)火炬氣流量測量比較相似，因此選擇超聲波流量計作為解決以上問(wèn)題的方法[1]。
3 超聲波流量計的測量原理
時(shí)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(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀(guān)測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計算流量的一種間接測量方法。
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(xiàn)的兩側并相距一定距離，管線(xiàn)的內直徑為D，超聲波行走的路徑長(cháng)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(xiàn)方向上的間距。
為了簡(jiǎn)化計算，假設流體的流速遠遠小于超聲波在介質(zhì)中的速度，即：
這樣，上式可簡(jiǎn)化為：
同時(shí)可以推導出流體的流速近似為：
由此可見(jiàn)，當c和X為固定的常數時(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(zhì)量等測量值進(jìn)行補償運算后就可以得到比較高精度的流體質(zhì)量流量。
運用超聲波時(shí)差法原理，在測量得到順流、逆流聲波傳播時(shí)間平均值的情況下可以進(jìn)一步根據“平均傳播時(shí)間=聲程/聲速”的原理，計算得出聲波在介質(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，因此聲速的測量可以推算出流體內介質(zhì)的組成成分及分子量數據。
4 超聲波流量計的性能
的RT火炬氣流量采用超聲波時(shí)差法的原理對火炬氣類(lèi)介質(zhì)流量進(jìn)行測量。它秉承了超聲波流量測量的優(yōu)勢，具有高精度、快速響應、高可靠性、寬量程比等特點(diǎn)；利用相互時(shí)差技術(shù)，結合數字信號處理，具有相對分子質(zhì)量測量功能。還可以對氣體的實(shí)際聲速進(jìn)行二次測量，在測得氣體聲速后，再通過(guò)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(guò)聲速、壓力和溫度測量出氣體的平均相對分子質(zhì)量。相較于傳統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分子質(zhì)量的方法，盡管RT超聲波流量計在平均相對分子質(zhì)量分析上無(wú)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(lǐng)域上做定性判斷已經(jīng)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(zhì)量測量的功能，粗略推算出氣體組分的大概變化。
RT超聲波流量計在選用BWT技術(shù)的探頭并加緩沖棒系統后，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，適用于酸性氣測量環(huán)境。
正常運行情況下，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(mǎn)足zui低流速0.03m/s的測量。當出現“擾動(dòng)”時(shí)，超聲波流量計可測量高達80m/s的高流速流體，并且滿(mǎn)足雙向流體的要求。RT超聲波流量計采用插入式探頭，可以滿(mǎn)足工藝管線(xiàn)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RT就可滿(mǎn)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(shí)，當流速在±0.3～±85m/s之間，流量測量精度滿(mǎn)足讀數的±2%～5%。雙對聲道測量時(shí)，當流速在±0.3～±85m/s之間，流量測量精度滿(mǎn)足讀數的±1.4%～3.5%。測量相對分子質(zhì)量時(shí)，測量精度滿(mǎn)足±1.8%。
綜上所述，RT超聲波流量計滿(mǎn)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 超聲波流量計的安裝設計
RT超聲波流量測量系統包括一對傳感器（每個(gè)通道一對），前置放大器和1臺現場(chǎng)變送器。
RT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(lián)接而成）和T2（鈦傳感器外殼與鈦管焊接而成）兩類(lèi)。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(guò)熱鉆孔或冷鉆孔的方式直接在線(xiàn)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(xiàn)上的超聲波傳感器向氣體順流和逆流發(fā)射超聲波信號。每一個(gè)傳感器都能發(fā)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(shí)應該盡量避免選用流體自上向下流動(dòng)的豎直管線(xiàn)。傳感器安裝位置應遠離彎頭、變徑、閥門(mén)、節流裝置，安裝點(diǎn)直管段的要求滿(mǎn)足前20D后10D（D為管線(xiàn)直徑），如有閥門(mén)、泵、變徑、節流裝置等，直管段應適當再加長(cháng)。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(cháng)度可以達到300m。在現場(chǎng)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(shí)可以選擇鋁加環(huán)氧樹(shù)脂涂層或不銹鋼的防爆外殼。
RT超聲波流量計的變送器內置流量計算機，存儲器（線(xiàn)性或循環(huán)）可記錄超過(guò)4.3×105個(gè)流量數據點(diǎn)。內置改進(jìn)的分子量算法，基于溫度和壓力修正聲速，具有較強的計算校正功能。變送器部分能夠地測量聲波在兩個(gè)傳感器之間傳播所用的時(shí)間，分別測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，就可以計算出標準體積流量。再通過(guò)流量計本身測量出的氣體平均相對分子質(zhì)量，還能計算出流體的質(zhì)量流量。變送器有2個(gè)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(guò)39鍵觸覺(jué)反饋膜鍵盤(pán)設定實(shí)時(shí)計算流速，即時(shí)平均分子量，質(zhì)量流量及其他流量參數。還可同時(shí)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(yǔ)
從1998年鎮海煉化公司的*套70kt/a硫磺回收裝置使用以來(lái)，RT超聲波流量計已經(jīng)隨著(zhù)鎮海石化工程公司的ZHSR硫磺回收技術(shù)在鎮海煉化、揚子石化、金山石化等國內大型石化企業(yè)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(lái)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(chuàng )下了硫磺裝置全國長(cháng)周期運行的新紀錄。為廣大用戶(hù)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(lái)越多的國內用戶(hù)的青睞。
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