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1 引言

    隨著市場原油價(jià)格的不斷提高，迫使煉油企業(yè)通過煉制相對低價(jià)的高硫高酸劣質(zhì)化原油來降低成本，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，公眾對環(huán)保要求日益重視，政府也加強(qiáng)了對節(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)保問題。所以從2000年開始已經(jīng)有越來越多的100kt/a以上規(guī)模的硫磺回收裝置在國內(nèi)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(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量效果的好壞對這兩個(gè)爐子的控制有著重要的影響，相應(yīng)也會(huì)對整個(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)上游裝置的類型負(fù)荷決定。燃料氣來自管網(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(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)場密閉測量，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儀表成為一個(gè)新課題。以往國內(nèi)很多煉油廠采用傳統(tǒng)流量測量技術(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量。但實(shí)際應(yīng)用中卻遠(yuǎn)不能滿足測量控制需求，主要是受限于低速、無法追蹤不穩(wěn)定或脈動(dòng)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(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象與煉油廠火炬氣流量測量比較相似，因此選擇超聲波流量計(jì)作為解決以上問題的方法^[1]。

    3 超聲波流量計(jì)的測量原理

    時(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理如圖1所示^[2-3]。它是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計(jì)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度為L，超聲波順流傳播距離L的時(shí)間為t_d，逆流為t_u，超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向夾角為θ。t_d和t_u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。

    t_u和t_d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。

    為了簡化計(jì)算，假設(shè)流體的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超聲波在介質(zhì)中的速度，即：

    這樣，上式可簡化為：

    同時(shí)可以推導(dǎo)出流體的流速近似為：

    由此可見，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(zhì)量等測量值進(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 超聲波流量計(jì)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(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(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分子質(zhì)量的方法，盡管RT超聲波流量計(jì)在平均相對分子質(zhì)量分析上無法達(dá)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(tái)超聲波流量計(jì)就可結(jié)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(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，適用于酸性氣測量環(huán)境。

    正常運(yùn)行情況下，超聲波流量計(jì)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(dāng)出現(xiàn)“擾動(dòng)”時(shí)，超聲波流量計(jì)可測量高達(dá)80m/s的高流速流體，并且滿足雙向流體的要求。RT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)RT就可滿足所能遇到的絕大多數(shù)工況的流量測量。

    該流量計(jì)可以配置1對或2對測量探頭。單對聲道測量時(shí)，當(dāng)流速在±0.3～±85m/s之間，流量測量精度滿足讀數(shù)的±2%～5%。雙對聲道測量時(shí)，當(dāng)流速在±0.3～±85m/s之間，流量測量精度滿足讀數(shù)的±1.4%～3.5%。測量相對分子質(zhì)量時(shí)，測量精度滿足±1.8%。

    綜上所述，RT超聲波流量計(jì)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 超聲波流量計(jì)的安裝設(shè)計(jì)

    RT超聲波流量測量系統(tǒng)包括一對傳感器（每個(gè)通道一對），前置放大器和1臺(tái)現(xiàn)場變送器。

    RT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量管上。也可以通過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。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(yīng)水平安裝。選擇測量管路時(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、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、泵、變徑、節(jié)流裝置等，直管段應(yīng)適當(dāng)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(dá)到良好的信號傳遞功能。傳感器電纜zui大長度可以達(dá)到300m。在現(xiàn)場惡劣的條件下，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)氧樹脂涂層或不銹鋼的防爆外殼。

    RT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(nèi)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(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)體積流量。再通過流量計(jì)本身測量出的氣體平均相對分子質(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39鍵觸覺反饋膜鍵盤設(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。

    6 結(jié)束語

    從1998年鎮(zhèn)海煉化公司的*套70kt/a硫磺回收裝置使用以來，RT超聲波流量計(jì)已經(jīng)隨著鎮(zhèn)海石化工程公司的ZHSR硫磺回收技術(shù)在鎮(zhèn)海煉化、揚(yáng)子石化、金山石化等國內(nèi)大型石化企業(yè)的大型硫磺回收裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。從近10年的使用效果來看，該儀表測量穩(wěn)定，相應(yīng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)。其中鎮(zhèn)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周期運(yùn)行的新紀(jì)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(nèi)用戶的青睞。