MBF多孔平衡流量計在硫磺回收超潔凈排放中的應(yīng)用

周志猛，王東

(1. 中國石化上海高橋石油化工股份公司，上海200137；2. 承德菲時博特自動化設(shè)備有限公司，河北承德067411)

隨著環(huán)保要求的日益提高，國家也制定了更為嚴(yán)格的GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了作為人口密集區(qū)域的硫磺回收裝置的SO2排放值不應(yīng)大于100 mg/m3，硫磺回收裝置也由原先相對粗放式操作轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化調(diào)節(jié)，因此只有采用更為合理成熟的工藝，確保設(shè)備運(yùn)行正常，才能更好地滿足新的環(huán)保排放的要求，同時最大限度地保證硫回收率。硫磺回收裝置中酸性氣流量測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，它直接關(guān)系到整個裝置硫磺的轉(zhuǎn)化效率以及后路尾氣達(dá)標(biāo)排放。因此，測量酸性氣流量的儀表應(yīng)具備較高的可靠性、穩(wěn)定性和測量精度。傳統(tǒng)的差壓流量計以孔板流量計和楔形流量計為主流測量儀表，由于其結(jié)構(gòu)簡單、安裝技術(shù)成熟以及技術(shù)性能穩(wěn)定可靠，是目前國內(nèi)測量流量首選儀表。但是，傳統(tǒng)式差壓流量計也有其固有的技術(shù)缺陷： 對儀表安裝位置的前后直管段有嚴(yán)格要求，至少要保證10D～15D，后5D～10D(D為儀表設(shè)備安裝的管道直徑)，儀表測量的精度比較低，永久壓力損失大，量程比太窄[2]。由于裝置現(xiàn)場各種因素，一般來講直管段都難以滿足要求，在大管徑的管道上安裝該類儀表設(shè)備，這種矛盾更加突出[3]。由于硫磺裝置現(xiàn)場空間的局限性，造成原來直管段無法滿足要求，進(jìn)而引起儀表測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性不高，造成裝置的硫磺轉(zhuǎn)化效率不理想，甚至有時候造成環(huán)保排放超標(biāo)情況[4]。因此，本文涉及的硫磺裝置酸性氣流量計是根據(jù)現(xiàn)場前后直管段限制和流量計測量本體的安全性要求選取了新型的差壓流量測量儀表，即MBF型多孔平衡流量計，從目前使用情況來看，多孔平衡流量計徹底解決了酸性氣流量特別是含氨酸性氣的測量問題，為裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)和環(huán)保達(dá)標(biāo)排放提供有力的技術(shù)支撐。

1 硫磺回收裝置反應(yīng)燃燒系統(tǒng)工藝原理

硫磺回收裝置采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ɑ厥樟蚧牵瑢?shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，達(dá)到化害為利、變廢為寶、降低污染、保護(hù)環(huán)境的目的，同時滿足了產(chǎn)品質(zhì)量要求，降低了腐蝕，實(shí)現(xiàn)了裝置長周期安全生產(chǎn)等諸多方面要求[5]。

國內(nèi)大多數(shù)硫磺回收裝置采用克勞斯工藝，常規(guī)克勞斯硫磺回收工藝由1個熱反應(yīng)段和若干個催化反應(yīng)段組成。即含H2S的酸性氣在反應(yīng)燃燒爐內(nèi)與空氣進(jìn)行不完全燃燒，嚴(yán)格控制風(fēng)量，可使H2S燃燒后生成的SO2質(zhì)量滿足H2S/SO2約等于2， H2S和SO2在高溫下反應(yīng)生成元素硫，再經(jīng)冷凝分離，達(dá)到回收的目的[6]。

主要反應(yīng)方程：

(1)

(2)

(3)

硫磺回收酸性氣反應(yīng)燃燒爐的工藝流程如圖1所示。

圖1 硫磺回收酸性氣燃燒爐工藝流程示意

2 多孔平衡流量計原理及技術(shù)特點(diǎn)

多孔平衡流量計采用了對稱多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，是目前較先進(jìn)的差壓式流量計。多孔平衡流量計除具有簡單、可靠、安全、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)之外，還具有精度高、直管段要求低、量程比寬、永久壓損小等優(yōu)點(diǎn)；同時還克服了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的雜物滯留、堵塞和邊緣易磨損、維護(hù)和檢定成本高等缺點(diǎn)[7]。

2.1 基本原理

多孔平衡流量計是在標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的技術(shù)基礎(chǔ)上演變而來的一項(xiàng)新型節(jié)流式流量計，像傳統(tǒng)孔板流量計一樣，多孔平衡流量計遵循流體力學(xué)定律和伯努利方程，即在理想工作狀態(tài)下，流體在管道中的流量和差壓的平方根呈線性關(guān)系。通常而言，傳統(tǒng)的孔板流量計采用單孔設(shè)計的節(jié)流模式，這樣經(jīng)過孔板節(jié)流后的流體流場難以達(dá)到理想的平衡狀態(tài)[8]。多孔平衡流量計結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板的測量原理，在節(jié)流板中心圓孔的基礎(chǔ)上，對稱分布數(shù)量不等的圓孔，這些圓孔的分布和尺寸依據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊設(shè)計，當(dāng)介質(zhì)流過圓孔時，流體被平衡調(diào)整，渦流被最小化，形成近似理想流體，從而將傳統(tǒng)的差壓式流量計的優(yōu)勢發(fā)揮到極致狀態(tài)，并通過取壓裝置和變送器，可獲得穩(wěn)定的差壓信號，然后根據(jù)伯努利方程計算出流體流過管道的體積流量或質(zhì)量流量[9]。而MBF系列多孔平衡流量計的流出系數(shù)、傳感器多孔孔徑位置、形狀設(shè)計和開孔數(shù)量通過獨(dú)特的研發(fā)數(shù)據(jù)演算，并對各種工況進(jìn)行優(yōu)化，使測量精度、重復(fù)性、量程比、永久壓損等綜合指標(biāo)達(dá)到最佳，成為目前較先進(jìn)的差壓式流量計。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

多孔平衡流量計技術(shù)特點(diǎn)包括如下幾方面：

1)測量范圍寬。多孔平衡流量計采取對稱多孔設(shè)計的技術(shù)，突破標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的測量局限，可以根據(jù)流體介質(zhì)的特性進(jìn)行靈活多變的結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般來說，多孔平衡流量計的量程比達(dá)到10∶1，最高可達(dá)30∶1，雷諾數(shù)拓寬為2×102～1×107，用在高流速度段節(jié)流特性更佳。

2)短的直管段要求。由于能將流場快速整流成近似理想流體，因此多孔平衡流量計對管道的前后直管段的要求也大幅降低。同其他傳統(tǒng)差壓流量計相比，多孔平衡流量計的前直管段要求為0.5D～2D，后直管段要求為0.5D～1D，從而使得現(xiàn)場安裝位置的選定更加容易，多孔平衡流量計的前、后直管段尺寸如圖2所示。因此，多孔平衡流量計簡化了現(xiàn)場配管的難度，特別適合大口徑管道的介質(zhì)流量的測量使用。

圖2 多孔平衡流量計前、后直管段尺寸示意

3)高精度的測量性能。由于多孔平衡流量計采取對稱多孔設(shè)計技術(shù)，使通過圓孔后的流體的流場達(dá)到平衡，降低了孔板流量計存在的渦流、振動和信號噪聲等缺點(diǎn)，從而能基本消除單孔節(jié)流原件帶來的死區(qū)效應(yīng)，降低了取壓區(qū)域渦流，也提高了取壓點(diǎn)的差壓信號信噪比，從而大幅提高了流場穩(wěn)定性。多孔平衡流量計的線性度達(dá)到傳統(tǒng)孔板流量計的10倍以上，經(jīng)實(shí)際流量標(biāo)定，測量精度可達(dá)到0.3%～0.5%，完全滿足了煉油裝置苛刻生產(chǎn)工況的介質(zhì)流量測量需求。

4)永久性壓損小。多孔平衡流量計采取對稱多孔設(shè)計技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計無死區(qū)效應(yīng)，該設(shè)計減少了紊流剪切力和渦流的形成，在相同的差壓值情況下，多孔平衡流量計能將標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計因死區(qū)渦流帶來的永久壓損降低2～3倍，可以大量節(jié)省裝置運(yùn)行過程中的流體輸送量。

5)雙向流量檢測功能。多孔平衡流量計結(jié)構(gòu)上采用雙向直孔的設(shè)計技術(shù)，左右完全對稱，可方便地測量雙向流，標(biāo)準(zhǔn)孔板和多孔平衡節(jié)流件結(jié)構(gòu)如圖3所示。并且節(jié)流件厚度突破了標(biāo)準(zhǔn)孔板的限制，比標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)更安全，使用壽命更長，還可以測量氣液兩相、漿料、含少量固體顆粒的介質(zhì)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)孔板與多孔平衡節(jié)流件結(jié)構(gòu)示意

6)高穩(wěn)定性能。多孔平衡流量計采取對稱多孔設(shè)計技術(shù)，使通過圓孔后的流體的流場達(dá)到平衡，平衡后的流場大幅度降低了流體介質(zhì)與節(jié)流原件的直接摩擦，使流體介質(zhì)在通過圓孔節(jié)流后下游形成的渦流小，從而信號穩(wěn)定性好。相比于多孔平衡流量計，其他類型的標(biāo)準(zhǔn)差壓式節(jié)流儀表在節(jié)流件后形成的渦流較長，容易產(chǎn)生波動信號干擾，這些干擾信號會對節(jié)流原件的差壓變送器的測量值造成干擾。

7)自清潔、耐臟污介質(zhì)。多孔平衡流量計采取對稱多孔設(shè)計的技術(shù)原理，該平衡設(shè)計減少了紊流剪切力和渦流的形成，從而大幅降低了滯留死區(qū)的現(xiàn)象，保證臟污介質(zhì)可以順利通過多個孔，減小了流體孔被堵塞的機(jī)會。因此，多孔平衡流量計基本上無需任何維護(hù)，就可以保持高精度的測量效果，而傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計則需要定期維護(hù)清洗，工作量繁重。

8)經(jīng)濟(jì)節(jié)能。多孔平衡流量計具有較高的測量精度，可作為貿(mào)易計量結(jié)算使用，從而節(jié)約了因計量不準(zhǔn)確而造成的貿(mào)易結(jié)算損失；多孔平衡流量計的永久性壓損小，因此節(jié)約了流體介質(zhì)在輸送過程中的能量損失，從而降低了成本；前后管道的直管段長度要求較短，也節(jié)省了工藝管道材料和施工費(fèi)用；可長期穩(wěn)定地運(yùn)行，無邊緣磨損，延長了檢定周期，節(jié)約了檢定費(fèi)用。

3 多孔平衡流量計在酸性氣測量中的應(yīng)用

酸性氣流量測量的準(zhǔn)確性對硫磺回收裝置至關(guān)重要，它直接關(guān)系到整個裝置硫磺的轉(zhuǎn)化效率以及后路尾氣達(dá)標(biāo)排放。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，對酸性氣(特別是含氨酸性氣)的流量測量始終是硫磺裝置的難點(diǎn)問題。由于含氨酸性氣的工藝組分的特殊性，硫化氫組分僅占到總量的約三分之一，其余主要是水汽、氨氣以及少量的氫烴類物質(zhì)，并且氨氣在接近85℃且有水分存在的情況下，極容易形成銨鹽結(jié)晶。常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計對含氨酸性氣進(jìn)行測量時，孔板節(jié)流孔對含氨酸性氣進(jìn)行阻攔，極易在孔板節(jié)流孔中心產(chǎn)生銨鹽集結(jié)現(xiàn)象；同時，含氨酸性氣由于受到管道阻力的影響，流體介質(zhì)在靠近管壁附近流速減慢，也極易形成銨鹽集結(jié)現(xiàn)象，因此孔板流量計的正取壓口附近產(chǎn)生的銨鹽會對取壓信號形成干擾，含氨酸性氣流過節(jié)流孔后，產(chǎn)生的渦流也向管壁作波動性發(fā)散，對孔板流量計的負(fù)取壓口信號也會產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致孔板流量計的測量精度會大打折扣。而MBF多孔平衡流量計采用多孔對稱設(shè)計技術(shù)，使得含氨酸性氣能夠順利通過節(jié)流孔，從而避免了銨鹽集結(jié)，提高了酸性氣流量測量的精度。

在該項(xiàng)目中測量含氨酸性氣所采用MBF多孔平衡流量計的正負(fù)取壓口均采用DN25的法蘭連接，一旦引壓管線出現(xiàn)故障，可以直接和測量本體隔離；并且上端的引壓管線也采用特定傾斜自流角度設(shè)計理念，即使含氨酸性氣存在氣液兩相時，也不會聚集，再加上多孔平衡流量計測量部分本體以及引壓管線均采用蒸汽伴熱，從而保證含氨酸性氣一直保持在氣相狀態(tài)，從而無法形成銨鹽結(jié)晶。另外，為了便于日后維護(hù)，從安全性出發(fā)，在多孔平衡流量計的正負(fù)引壓管線上設(shè)置有三通，一路為引壓管線，一路為日常吹掃維護(hù)管線，該設(shè)計既有利于儀表日常維護(hù)，也不影響裝置日常正常生產(chǎn)。由于含氨酸性氣流量測量的流量計的前后直管段受現(xiàn)場場地的限制，原設(shè)計的前后直管段相當(dāng)短(前5D，后2D)，再加上原含氨酸性氣流量測量選用的是V錐流量計，而由于V錐流量計先天設(shè)計缺陷使測量本體的錐體容易脫落，存在很大的安全風(fēng)險。因此，本次對含氨酸性氣流量測量的V錐流量計更新時，就必須考慮前后直管段限制和流量計測量本體的安全性，經(jīng)過綜合性技術(shù)分析和安全評估，最終決定選用MBF多孔平衡流量計，該流量計的技術(shù)特點(diǎn)既滿足流量計前后直管段限制，又能確保流量計測量本體的安全性，還能滿足新的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)對硫磺裝置含氨酸性氣流量測量的苛刻性能要求。

4 結(jié)束語

酸性氣流量測量的準(zhǔn)確性，特別是含氨酸性氣的流量準(zhǔn)確測量對硫磺回收裝置至關(guān)重要，它直接關(guān)系到整個裝置硫磺的轉(zhuǎn)化效率以及后路尾氣達(dá)標(biāo)排放。本文正是基于含氨酸性氣的工藝特性以及現(xiàn)場對儀表設(shè)備的特殊要求，采用了MBF多孔平衡流量計，徹底解決了硫磺裝置含氨酸性氣流量難以準(zhǔn)確測量的難點(diǎn)。通過一年多的實(shí)踐證明，硫磺回收裝置反應(yīng)燃燒爐運(yùn)行穩(wěn)定，酸性氣流量測量準(zhǔn)確性提高，硫磺的轉(zhuǎn)化效率得到了大幅地提升，同時裝置尾氣也能夠長期保持穩(wěn)定的達(dá)標(biāo)排放。