齊長(zhǎng)勇

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

石化廠各工藝裝置在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)將瓦斯氣通過(guò)火炬系統(tǒng)排放，由于廠區(qū)工藝裝置多，各裝置排放瓦斯氣無(wú)規(guī)律可循，瓦斯氣的不定期不定量排放影響了火炬系統(tǒng)的正常工作，不利于火炬及瓦斯系統(tǒng)的應(yīng)急調(diào)整。根據(jù)石化廠火炬系統(tǒng)現(xiàn)狀，迫切需要設(shè)置流量?jī)x表對(duì)火炬氣流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠火炬氣系統(tǒng)的統(tǒng)籌調(diào)控。

1 火炬系統(tǒng)工藝概述

火炬系統(tǒng)的主要作用是燃燒來(lái)自廠區(qū)各裝置的排放氣，將排放氣中的有毒有害氣體轉(zhuǎn)變成對(duì)大氣無(wú)污染或者污染指數(shù)符合環(huán)保部門要求的氣體排向大氣。

火炬系統(tǒng)的瓦斯氣來(lái)自于廠區(qū)各個(gè)裝置的排放氣，流經(jīng)瓦斯氣支管后最終匯集到瓦斯氣主管線。工廠各裝置的瓦斯氣經(jīng)由瓦斯氣主管線匯集后，經(jīng)火炬分液罐[1]進(jìn)行氣液分離，瓦斯氣中的液態(tài)碳?xì)浠衔铩⒗淠?、污水等被分離出來(lái)，對(duì)分離出的液態(tài)物質(zhì)可進(jìn)行回收再利用，提高工廠經(jīng)濟(jì)效益。瓦斯氣經(jīng)火炬分液罐氣液分離后，進(jìn)入火炬水封罐[1]?；鹁嫠夤迣⑼咚箽馀c火炬有效隔離，防止空氣進(jìn)入瓦斯氣總管達(dá)到瓦斯氣體爆炸下限。瓦斯氣在水封罐前的密閉空間集聚，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力后將從水封罐中排出至火炬燃燒器?；鹁嫦到y(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 火炬系統(tǒng)工藝流程示意

為了滿足環(huán)保部門煙氣排放要求，火炬氣在燃燒時(shí)常采用蒸汽消煙處理工藝。為了達(dá)到無(wú)煙排放的要求，火炬控制系統(tǒng)的搭建應(yīng)建立在瓦斯氣和蒸汽流量準(zhǔn)確測(cè)量、比例適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)之上[2]。由此可見，能夠準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽和瓦斯氣的流量成為火炬系統(tǒng)效果好壞的關(guān)鍵。

2 火炬系統(tǒng)流量參數(shù)分析

2.1 瓦斯氣管線流量參數(shù)分析及儀表選型

廠區(qū)內(nèi)部分裝置瓦斯氣支管及瓦斯氣主管原始數(shù)據(jù)見表1所列。通過(guò)分析工藝原始數(shù)據(jù)及廠區(qū)內(nèi)工藝裝置現(xiàn)狀，瓦斯氣具有如下特點(diǎn)[4]：

(1)瓦斯氣管線管道規(guī)格大，一般管道式流量?jī)x表難以實(shí)現(xiàn)瓦斯氣流量的測(cè)量。

(2)火炬系統(tǒng)的操作壓力較低，差壓原理流量?jī)x表精度很低甚至無(wú)法正常使用。

(3)各裝置正常運(yùn)行時(shí)，瓦斯氣流量很低。緊急泄放狀態(tài)下，瓦斯氣流量瞬時(shí)增大。從這一點(diǎn)來(lái)講，寬量程比的流量?jī)x表才適用于瓦斯氣的流量測(cè)量。

(4)瓦斯氣含有很多的液態(tài)碳?xì)浠衔镆约坝臀鄣入s質(zhì)，雜質(zhì)會(huì)附著在傳感器的傳感元件上，由此可見帶有活動(dòng)傳感元件的測(cè)量?jī)x表不適用于瓦斯氣的測(cè)量。

(5)瓦斯氣的正常操作溫度跨度范圍廣，要求流量測(cè)量?jī)x表具有較寬的溫度適用范圍。

通過(guò)分析瓦斯氣復(fù)雜多變的過(guò)程環(huán)境，結(jié)合廠區(qū)火炬的實(shí)際運(yùn)行情況、瓦斯氣流量測(cè)量需求、瓦斯氣流量測(cè)量?jī)x表成功使用案例、流量?jī)x表性價(jià)比等指標(biāo)，該火炬系統(tǒng)在瓦斯氣主管設(shè)置插入式超聲波流量計(jì)[3]，在各裝置瓦斯氣分支管線設(shè)置熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)[3]。

表1 瓦斯氣管線工藝參數(shù)表

2.2 蒸汽管線流量參數(shù)分析及儀表選型

工藝專業(yè)提供的火炬系統(tǒng)蒸汽管線原始數(shù)據(jù)見表2所列?；鹁嬲羝芫€管徑為DN150，正常壓力為1.2MPa，溫度為220℃，正常流量為5t/h。

通過(guò)分析蒸汽介質(zhì)特性、溫度、壓力以及流量等參數(shù)，蒸汽管線流量測(cè)量可采用節(jié)流式差壓流量計(jì)[3]。當(dāng)采用節(jié)流式差壓流量計(jì)時(shí)，經(jīng)專用孔板計(jì)算軟件計(jì)算，差壓選擇40kPa時(shí)的孔徑比為0.6689，相關(guān)參數(shù)符合規(guī)范要求。專用孔板計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果截圖如圖2所示。

表2 蒸汽管線工藝參數(shù)表

圖2 蒸汽管線孔板軟件計(jì)算截圖

3 流量?jī)x表工作原理

3.1 氣體超聲波流量計(jì)

瓦斯氣總管流量測(cè)量選用氣體超聲波流量計(jì)，采用時(shí)間差法原理，即通過(guò)測(cè)量超聲波束在流體中順流和逆流傳播的時(shí)間差來(lái)計(jì)算流體流量的一種方法。超聲波時(shí)間差法工作原理如圖3所示[5]。流速計(jì)算如公式(1)[6]所示，式(1)中，v-流體線平均速度；L-超聲波束在流體中傳播的距離(兩個(gè)換能器間的直線距離)；t1-超聲波束在兩個(gè)換能器間順流傳播需要的時(shí)間；△t-超聲波束在兩個(gè)環(huán)能器間順流、逆流傳播的時(shí)間差；θ-流體流動(dòng)方向與換能器直線方向的夾角。

圖3 超聲波時(shí)間差法工作原理示意圖

(1)

通過(guò)公式(1)計(jì)算得出的速度為流體線平均速度，但是在計(jì)算流量時(shí)需要計(jì)算出流體流動(dòng)的橫截面上的面平均速度，線平均速度和面平均速度之間的關(guān)系和流速分布形式有直接關(guān)系。流體流量計(jì)算如公式(2)所示。式(2)中qv-體積流量；K-平均流速修正系數(shù)，K=v/u；u-流體面平均速度；v-流體線平均速度；D-管道內(nèi)徑。

(2)

通過(guò)公式(2)計(jì)算得到qv為流體的體積流量。在具體的計(jì)算過(guò)程中，綜合考慮溫度、壓力、分子質(zhì)量等參數(shù)經(jīng)由流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算就能夠得到準(zhǔn)確度比較高的流體質(zhì)量流量。

3.2 熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)

各裝置瓦斯氣分支管線選用熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)，該儀表基于溫度差法原理，通過(guò)測(cè)量溫差(△T)，可導(dǎo)出溫差與流量的關(guān)系。熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)工作原理如圖4所示。該儀表的檢測(cè)原件由兩個(gè)RTD鉑熱電阻組成，參考端熱電阻用于檢測(cè)介質(zhì)溫度，測(cè)量端熱電阻內(nèi)部帶有一個(gè)加熱電阻，因而會(huì)在兩個(gè)熱電阻間形成一個(gè)溫度差[7]。當(dāng)介質(zhì)流過(guò)測(cè)量端熱電阻表面時(shí)，會(huì)帶走測(cè)量端熱電阻表面的熱量，進(jìn)而造成溫度差值的變化。該測(cè)量方法采用恒功率原理，即對(duì)測(cè)量端熱電阻保持恒定的加熱功率，讓兩個(gè)RTD鉑熱電阻間的溫度差隨介質(zhì)流量的變化而改變，進(jìn)一步根據(jù)溫度差的變化推算出介質(zhì)的流量。溫差的大小與介質(zhì)的特性以及流量的大小有關(guān)系。溫差與流量之間的關(guān)系見公式(3)。式(3)中ρ-氣體密度，kg/m3；V-氣體流速，m/h；K-標(biāo)定常數(shù)；Q-加熱功率，J/h；△T-溫差，℃。

圖4 熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)工作原理示意圖

(3)

通過(guò)公式(3)可見，氣體的質(zhì)量流量與溫差有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。測(cè)得RTD1與RTD2之間的溫差就能得出氣體的質(zhì)量流量。

由于熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)是基于RTD原理進(jìn)行流量測(cè)量的，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)保證傳感器RTD不能直接與水直接接觸。在具體的設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，通過(guò)為RTD傳感器頭上加裝防水罩[4]，從而實(shí)現(xiàn)了RTD傳感器不會(huì)與水直接接觸。

3.3 節(jié)流式差壓流量計(jì)

蒸汽管線流量測(cè)量選用節(jié)流式差壓變送器，主要由節(jié)流裝置、引壓管線以及差壓變送器組成。當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，流體會(huì)在節(jié)流裝置的作用下局部收縮，流經(jīng)節(jié)流裝置后，流速會(huì)瞬間增大、壓力陡然降低，在節(jié)流裝置前后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差壓，管道內(nèi)流體的流量越大，節(jié)流裝置前后的差壓就越大。差壓的大小與流量、節(jié)流裝置形式、流體的物理性質(zhì)等因素有關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合理選型，在各裝置界區(qū)及火炬總管增設(shè)流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各裝置及全廠瓦斯流量情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于全廠瓦斯氣調(diào)度的平衡操作，為保證火炬系統(tǒng)的正常運(yùn)行及各工況的應(yīng)急響應(yīng)提供了重要依據(jù)。