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火炬系 统流量测量仪表选型探讨


火炬系 统流量测量仪表选型探讨,介绍了 火炬系统工艺流程, 分析了 火炬系统流量测量对火炬系统的重要性。通过分 析火炬系统各参数的特点, 提出了 各参数流量测量仪表选型及工作原理。通过在 火炬系统增设流量计, 可以实 时监测瓦斯流量情况, 有利于 全厂瓦斯气调度的平衡操作, 为保证 火炬系统的正常运行及各工况的应急响应提供了重要依据。

石化厂 各工艺装置在运行过程中会将瓦斯气通过火炬系统排放, 由于厂区工艺装置多, 各装置 排放瓦斯气无规律可循, 瓦斯气 的不定期不定量排放影响了火炬系统的正常工作, 不利于 火炬及瓦斯系统的应急调整。根据石 化厂火炬系统现状, 迫切需 要设置流量仪表对火炬气流量进行监测, 进而实 现全厂火炬气系统的统筹调控。
1 火炬系统工艺概述
火炬系 统的主要作用是燃烧来自厂区各装置的排放气, 将排放 气中的有毒有害气体转变成对大气无污染或者污染指数符合环保部门要求的气体排向大气。
火炬系 统的瓦斯气来自于厂区各个装置的排放气, 流经瓦斯气支管后*终汇集 到瓦斯气主管线。工厂各 装置的瓦斯气经由瓦斯气主管线汇集后, 经火炬分液罐[1]进**液分离, 瓦斯气 中的液态碳氢化合物、冷凝液、污水等被分离出来, 对分离 出的液态物质可进行回收再利用, 提高工厂经济效益。瓦斯气 经火炬分液罐气液分离后, 进入火炬水封罐[1]。火炬水 封罐将瓦斯气与火炬有效隔离, 防止空 气进入瓦斯气总管达到瓦斯气体爆炸下限。瓦斯气 在水封罐前的密闭空间集聚, 当达到 设定压力后将从水封罐中排出至火炬燃烧器。火炬系 统工艺流程如图1所示。

 图1 火炬系 统工艺流程示意
为了满 足环保部门烟气排放要求, 火炬气 在燃烧时常采用蒸汽消烟处理工艺。为了达 到无烟排放的要求, 火炬控 制系统的搭建应建立在瓦斯气和蒸汽流量准确测量、比例适当的基础之上[2]。由此可见, 能够准 确测量蒸汽和瓦斯气的流量成为火炬系统效果好坏的关键。
2 火炬系 统流量参数分析
2.1 瓦斯气 管线流量参数分析及仪表选型
厂区内 部分装置瓦斯气支管及瓦斯气主管原始数据见表1所列。通过分 析工艺原始数据及厂区内工艺装置现状, 瓦斯气具有如下特点[4]:
(1) 瓦斯气 管线管道规格大, 一般管 道式流量仪表难以实现瓦斯气流量的测量。
(2) 火炬系 统的操作压力较低, 差压原 理流量仪表精度很低甚至无法正常使用。
(3) 各装置正常运行时, 瓦斯气流量很低。紧急泄放状态下, 瓦斯气流量瞬时增大。从这一点来讲, 宽量程 比的流量仪表才适用于瓦斯气的流量测量。
(4) 瓦斯气 含有很多的液态碳氢化合物以及油污等杂质, 杂质会 附着在传感器的传感元件上, 由此可 见带有活动传感元件的测量仪表不适用于瓦斯气的测量。
(5) 瓦斯气 的正常操作温度跨度范围广, 要求流 量测量仪表具有较宽的温度适用范围。
通过分 析瓦斯气复杂多变的过程环境, 结合厂 区火炬的实际运行情况、瓦斯气流量测量需求、瓦斯气 流量测量仪表成功使用案例、流量仪 表性价比等指标, 该火炬 系统在瓦斯气主管设置插入式超声波流量计[3], 在各装 置瓦斯气分支管线设置热扩散式质量流量计[3]。
表1 瓦斯气 管线工艺参数表 导出到EXCEL
项目 管道规格 正常压力/MPa 正常温度/℃ *大流量/ (kg/h) 正常流量/ (kg/h) *小流量/ (kg/h)
瓦斯气总管 DN1300 0.05 40~235 427181 388346 233008
乙苯装置瓦斯气支管 DN1000 0.05 200 315555 286868 172121
加氢装置瓦斯气支管 DN300 0.05 150 78576 71433 11176
常减压 装置瓦斯气支管 DN500 0.05 100 198000 180000 108000
2.2 蒸汽管 线流量参数分析及仪表选型
工艺专 业提供的火炬系统蒸汽管线原始数据见表2所列。火炬蒸汽管线管径为DN150, 正常压力为1.2MPa, 温度为220℃, 正常流量为5t/h。
通过分 析蒸汽介质特性、温度、压力以及流量等参数, 蒸汽管 线流量测量可采用节流式差压流量计[3]。当采用 节流式差压流量计时, 经专用 孔板计算软件计算, 差压选择40kPa时的孔径比为0.6689, 相关参 数符合规范要求。专用孔 板计算软件计算结果截图如图2所示。
表2 蒸汽管线工艺参数表 导出到EXCEL
项目 管道规格 介质名称 介质 状态 正常压力/ MPa 正常温度/℃ *大流量/ (t/h) 正常流量/ (t/h) *小流量/ (t/h)
蒸汽管线 DN150 1.2MPa饱和蒸汽 蒸汽 1.2 220 10 5 2
 

图2 蒸汽管 线孔板软件计算截图
3 流量仪表工作原理
3.1 气体超声波流量计
瓦斯气 总管流量测量选用气体超声波流量计, 采用时间差法原理, 即通过 测量超声波束在流体中顺流和逆流传播的时间差来计算流体流量的一种方法。超声波 时间差法工作原理如图3所示[5]。流速计算如公式 (1) [6]所示, 式 (1) 中, v-流体线平均速度;L-超声波 束在流体中传播的距离 (两个换 能器间的直线距离) ;t1-超声波 束在两个换能器间顺流传播需要的时间;△t-超声波 束在两个环能器间顺流、逆流传播的时间差;θ-流体流 动方向与换能器直线方向的夹角。

 图3 超声波 时间差法工作原理示意图
通过公式 (1) 计算得 出的速度为流体线平均速度, 但是在 计算流量时需要计算出流体流动的横截面上的面平均速度, 线平均 速度和面平均速度之间的关系和流速分布形式有直接关系。流体流量计算如公式 (2) 所示。式 (2) 中qv-体积流量;K-平均流速修正系数, K=v/u;u-流体面平均速度;v-流体线平均速度;D-管道内径。
通过公式 (2) 计算得到qv为流体的体积流量。在具体的计算过程中, 综合考虑温度、压力、分子质 量等参数经由流量计算机进行计算就能够得到准确度比较高的流体质量流量。
3.2 热扩散式质量流量计
各装置 瓦斯气分支管线选用热扩散式质量流量计, 该仪表 基于温度差法原理, 通过测量温差 (△T) , 可导出 温差与流量的关系。热扩散 式质量流量计工作原理如图4所示。该仪表 的检测原件由两个RTD铂热电阻组成, 参考端 热电阻用于检测介质温度, 测量端 热电阻内部带有一个加热电阻, 因而会 在两个热电阻间形成一个温度差[7]。当介质 流过测量端热电阻表面时, 会带走 测量端热电阻表面的热量, 进而造 成温度差值的变化。该测量 方法采用恒功率原理, 即对测 量端热电阻保持恒定的加热功率, 让两个RTD铂热电 阻间的温度差随介质流量的变化而改变, 进一步 根据温度差的变化推算出介质的流量。温差的 大小与介质的特性以及流量的大小有关系。温差与 流量之间的关系见公式 (3) 。式 (3) 中ρ-气体密度, kg/m3;V-气体流速, m/h;K-标定常数;Q-加热功率, J/h;△T-温差, ℃。

 图4 热扩散 式质量流量计工作原理示意图
通过公式 (3) 可见, 气体的 质量流量与温差有相应的函数关系。测得RTD1与RTD2之间的 温差就能得出气体的质量流量。
由于热 扩散式质量流量计是基于RTD原理进行流量测量的, 在测量 过程中应保证传感器RTD不能直 接与水直接接触。在具体 的设计选型过程中, 通过为RTD传感器 头上加装防水罩[4], 从而实现了RTD传感器 不会与水直接接触。
3.3 节流式差压流量计
蒸汽管 线流量测量选用节流式差压变送器, 主要由节流装置、引压管 线以及差压变送器组成。当流体 流经节流装置时, 流体会 在节流装置的作用下局部收缩, 流经节流装置后, 流速会瞬间增大、压力陡然降低, 在节流 装置前后会产生一个差压, 管道内 流体的流量越大, 节流装 置前后的差压就越大。差压的大小与流量、节流装置形式、流体的 物理性质等因素有关。
4 结束语
通过合理选型, 在各装 置界区及火炬总管增设流量计, 实现了 对各装置及全厂瓦斯流量情况的实时监测, 有利于 全厂瓦斯气调度的平衡操作, 为保证 火炬系统的正常运行及各工况的应急响应提供了重要依据。

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