火炬系統流量測量儀表選型探討

齊長勇

(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行過程中會將瓦斯氣通過火炬系統排放，由于廠區工藝裝置多，各裝置排放瓦斯氣無規律可循，瓦斯氣的不定期不定量排放影響了火炬系統的正常工作，不利于火炬及瓦斯系統的應急調整。根據石化廠火炬系統現狀，迫切需要設置流量儀表對火炬氣流量進行監測，進而實現全廠火炬氣系統的統籌調控。

1 火炬系統工藝概述

火炬系統的主要作用是燃燒來自廠區各裝置的排放氣，將排放氣中的有毒有害氣體轉變成對大氣無污染或者污染指數符合環保部門要求的氣體排向大氣。

火炬系統的瓦斯氣來自于廠區各個裝置的排放氣，流經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由瓦斯氣主管線匯集后，經火炬分液罐[1]進行氣液分離，瓦斯氣中的液態碳氫化合物、冷凝液、污水等被分離出來，對分離出的液態物質可進行回收再利用，提高工廠經濟效益。瓦斯氣經火炬分液罐氣液分離后，進入火炬水封罐[1]。火炬水封罐將瓦斯氣與火炬有效隔離，防止空氣進入瓦斯氣總管達到瓦斯氣體爆炸下限。瓦斯氣在水封罐前的密閉空間集聚，當達到設定壓力后將從水封罐中排出至火炬燃燒器。火炬系統工藝流程如圖1所示。

圖1 火炬系統工藝流程示意

為了滿足環保部門煙氣排放要求，火炬氣在燃燒時常采用蒸汽消煙處理工藝。為了達到無煙排放的要求，火炬控制系統的搭建應建立在瓦斯氣和蒸汽流量準確測量、比例適當的基礎之上[2]。由此可見，能夠準確測量蒸汽和瓦斯氣的流量成為火炬系統效果好壞的關鍵。

2 火炬系統流量參數分析

2.1 瓦斯氣管線流量參數分析及儀表選型

廠區內部分裝置瓦斯氣支管及瓦斯氣主管原始數據見表1所列。通過分析工藝原始數據及廠區內工藝裝置現狀，瓦斯氣具有如下特點[4]：

(1)瓦斯氣管線管道規格大，一般管道式流量儀表難以實現瓦斯氣流量的測量。

(2)火炬系統的操作壓力較低，差壓原理流量儀表精度很低甚至無法正常使用。

(3)各裝置正常運行時，瓦斯氣流量很低。緊急泄放狀態下，瓦斯氣流量瞬時增大。從這一點來講，寬量程比的流量儀表才適用于瓦斯氣的流量測量。

(4)瓦斯氣含有很多的液態碳氫化合物以及油污等雜質，雜質會附著在傳感器的傳感元件上，由此可見帶有活動傳感元件的測量儀表不適用于瓦斯氣的測量。

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

通過分析瓦斯氣復雜多變的過程環境，結合廠區火炬的實際運行情況、瓦斯氣流量測量需求、瓦斯氣流量測量儀表成功使用案例、流量儀表性價比等指標，該火炬系統在瓦斯氣主管設置插入式超聲波流量計[3]，在各裝置瓦斯氣分支管線設置熱擴散式質量流量計[3]。

表1 瓦斯氣管線工藝參數表

2.2 蒸汽管線流量參數分析及儀表選型

工藝專業提供的火炬系統蒸汽管線原始數據見表2所列。火炬蒸汽管線管徑為DN150，正常壓力為1.2MPa，溫度為220℃，正常流量為5t/h。

通過分析蒸汽介質特性、溫度、壓力以及流量等參數，蒸汽管線流量測量可采用節流式差壓流量計[3]。當采用節流式差壓流量計時，經專用孔板計算軟件計算，差壓選擇40kPa時的孔徑比為0.6689，相關參數符合規范要求。專用孔板計算軟件計算結果截圖如圖2所示。

表2 蒸汽管線工藝參數表

圖2 蒸汽管線孔板軟件計算截圖

3 流量儀表工作原理

3.1 氣體超聲波流量計

瓦斯氣總管流量測量選用氣體超聲波流量計，采用時間差法原理，即通過測量超聲波束在流體中順流和逆流傳播的時間差來計算流體流量的一種方法。超聲波時間差法工作原理如圖3所示[5]。流速計算如公式(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(兩個換能器間的直線距離)；t1-超聲波束在兩個換能器間順流傳播需要的時間；△t-超聲波束在兩個環能器間順流、逆流傳播的時間差；θ-流體流動方向與換能器直線方向的夾角。

圖3 超聲波時間差法工作原理示意圖

(1)

通過公式(1)計算得出的速度為流體線平均速度，但是在計算流量時需要計算出流體流動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系和流速分布形式有直接關系。流體流量計算如公式(2)所示。式(2)中qv-體積流量；K-平均流速修正系數，K=v/u；u-流體面平均速度；v-流體線平均速度；D-管道內徑。

(2)

通過公式(2)計算得到qv為流體的體積流量。在具體的計算過程中，綜合考慮溫度、壓力、分子質量等參數經由流量計算機進行計算就能夠得到準確度比較高的流體質量流量。

3.2 熱擴散式質量流量計

各裝置瓦斯氣分支管線選用熱擴散式質量流量計，該儀表基于溫度差法原理，通過測量溫差(△T)，可導出溫差與流量的關系。熱擴散式質量流量計工作原理如圖4所示。該儀表的檢測原件由兩個RTD鉑熱電阻組成，參考端熱電阻用于檢測介質溫度，測量端熱電阻內部帶有一個加熱電阻，因而會在兩個熱電阻間形成一個溫度差[7]。當介質流過測量端熱電阻表面時，會帶走測量端熱電阻表面的熱量，進而造成溫度差值的變化。該測量方法采用恒功率原理，即對測量端熱電阻保持恒定的加熱功率，讓兩個RTD鉑熱電阻間的溫度差隨介質流量的變化而改變，進一步根據溫度差的變化推算出介質的流量。溫差的大小與介質的特性以及流量的大小有關系。溫差與流量之間的關系見公式(3)。式(3)中ρ-氣體密度，kg/m3；V-氣體流速，m/h；K-標定常數；Q-加熱功率，J/h；△T-溫差，℃。

圖4 熱擴散式質量流量計工作原理示意圖

(3)

通過公式(3)可見，氣體的質量流量與溫差有相應的函數關系。測得RTD1與RTD2之間的溫差就能得出氣體的質量流量。

由于熱擴散式質量流量計是基于RTD原理進行流量測量的，在測量過程中應保證傳感器RTD不能直接與水直接接觸。在具體的設計選型過程中，通過為RTD傳感器頭上加裝防水罩[4]，從而實現了RTD傳感器不會與水直接接觸。

3.3 節流式差壓流量計

蒸汽管線流量測量選用節流式差壓變送器，主要由節流裝置、引壓管線以及差壓變送器組成。當流體流經節流裝置時，流體會在節流裝置的作用下局部收縮，流經節流裝置后，流速會瞬間增大、壓力陡然降低，在節流裝置前后會產生一個差壓，管道內流體的流量越大，節流裝置前后的差壓就越大。差壓的大小與流量、節流裝置形式、流體的物理性質等因素有關。

4 結束語

通過合理選型，在各裝置界區及火炬總管增設流量計，實現了對各裝置及全廠瓦斯流量情況的實時監測，有利于全廠瓦斯氣調度的平衡操作，為保證火炬系統的正常運行及各工況的應急響應提供了重要依據。