唐力壯，杜 明，楊智博，齊麗萍，王 超，張 旭

（1.遼寧畢托巴科技股份有限公司，遼寧 鐵嶺 112000；2.天津石化公司電儀中心 儀表科，天津 300000）

0 引言

從裝置出來的瓦斯氣主要來自工藝廢氣，是裝置的“下水道”，因計量難度大，原裝置設計中一般沒有計量儀表。近年來，隨著計量技術進步和企業(yè)管理要求不斷提高，節(jié)能、降損、環(huán)保等工作都對火炬管理提出了更高的要求。因此，消滅火炬成為各企業(yè)管理的重要目標。生產(chǎn)裝置瓦斯排放量超出火炬系統(tǒng)回收能力是導致點火炬的直接原因，而瓦斯排放點多，又沒有可靠的計量數(shù)據(jù)認定排放源，無法確定排放源，也是導致瓦斯排放量大、導致企業(yè)能源損失并產(chǎn)生環(huán)境污染的重要原因。因此，各企業(yè)都在尋求對瓦斯系統(tǒng)的排放實施計量監(jiān)控的措施，從源頭上控制瓦斯排放[1]。

瓦斯氣是來自生產(chǎn)裝置中的工藝廢氣。特點是壓力低、雜質(zhì)多、組分變化大、流量變化大，而且?guī)в兴畾?。因此，要求計量儀表不僅具有量程比寬和防堵功能，而且還要多組分介質(zhì)密度實時補償；同時還能保證裝置在緊急情況所有氣體能夠快速安全排放。為此，節(jié)流裝置不能縮管；也不能選用阻力損失較大的流量儀表；再之就是瓦斯排放計量點多，幾乎每個裝置都有瓦斯線，瓦斯排放點多面雜，不便監(jiān)控管理。

1 瓦斯氣的計量方案

1.1 熱電偶+電動閥

圖1 超聲波流量計工作原理示意圖Fig.1 A schematic diagram of working principle of ultrasonic flowmeter

這種測量方法嚴格來說不屬于計量，屬于趨勢變化的監(jiān)控。結合瓦斯氣排放的特點，可根據(jù)溫度變化辨別排放情況。在未實施瓦斯監(jiān)控前，每次出現(xiàn)瓦斯不平衡時，通常要檢查人員到現(xiàn)場對可疑管線用手摸溫度來排查瓦斯來源，據(jù)此提出了采用“溫度+閥位”來判斷裝置是否排放異常。具體為在裝置瓦斯管線上增設熱電偶，將測溫及電動閥開度信號接入DCS；手動閥實施鉛封管理。將相應的信號接入MES系統(tǒng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，裝置一旦出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)上溫度曲線就會表現(xiàn)出跳躍，再結合管線閥門的開關情況做出定性的判斷。

1.2 熱式氣體質(zhì)量流量計計量方案

熱式氣體質(zhì)量流量計利用的是熱傳導原理，即利用流動中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測量管外加熱體）之間熱交換關系測量流體的流量，主要用于測量氣體。該流量計主要有兩大類，一是采用測量管外加熱進行熱傳導的熱分布類；二是利用熱散效應金氏定律的插入類；前者適用于口徑較小的場合，而后者主要用于大口徑。所以一般測量火炬氣基本都選用插入式熱式氣體質(zhì)量流量計。

插入式熱式質(zhì)量流量計是應用恒定加熱功率測量溫度差的原理，將兩個溫度傳感器分別置于兩個金屬管內(nèi)，金屬管插在被測氣體中，其中一個用于測量氣體溫度T1，另一個用于電加熱，加熱溫度T2，氣體靜止時，△T=T2-T1是一個常數(shù)。當有定質(zhì)量的氣體流動時，氣體將帶走加熱的熱量。流速增加，帶走的熱量增多，△T減小，可通過△T的變化計算出管道內(nèi)流動氣體的氣體質(zhì)量。

1.3 超聲波流量計計量方案

1.3.1 超聲波流量計工作原理

超聲波流量計主要由超聲換能器（傳感器）、信號處理單元和（或）流量計算機組成。在管道的上下游安裝傳感器，兩個傳感器分別向氣體的順流和逆流的方向發(fā)射脈沖，又分別接收來自相對傳感器的發(fā)射脈沖[2]，如圖1所示。

超聲波流量計的工作原理是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量介質(zhì)流量。聲波在流體中的實際傳播速度是由介質(zhì)靜止狀態(tài)下聲波的傳播速度cf和流體軸向平均流速vm在聲波傳播方向上的分量組成，順流和逆流傳播時間與各分量之間的關系見公式（1）：

式（1）中，tab——超聲波在流體中順流傳播的時間，s；

tba——超聲波在流體中逆流傳播的時間，s；

L——聲道長度，m；

cf——聲波在流體中傳播的速度，m/s；

vm——流體的軸向平均流速，m/s；

φ——聲道角。

將測得的多個聲道的流體流速vi （i=l，2，…k），利用數(shù)學的函數(shù)關系聯(lián)合起來，可得到管道平均流速的估計值，再乘以過流面積，即可得到體積流量。

1.3.2 火炬氣超聲波流量計系統(tǒng)方案

由于氣體隨著溫度、壓力、組分變化，其密度也隨之變化，所以要準確測量氣體質(zhì)量流量，必須解決在線密度實時補償問題，否則就會給測量帶來很大誤差。常規(guī)的溫度、壓力補償，只是補償因溫度、壓力變化而產(chǎn)生的標準體積變化，無法反應由于組分的變化而引起的密度變化。

隨著科學技術的飛速發(fā)展，一種專門用來測量瓦斯氣的“火炬氣超聲波流量計”應運而生。這種流量計與普通超聲波流量計的區(qū)別是與之配套使用的流量計算機所具有的專用技術，它能通過聲速測量碳氫化合物的平均分子量，可以很好地解決瓦斯氣變組分的問題，實現(xiàn)在線密度實時補償；再根據(jù)兩個傳感器互相接收對方發(fā)射的脈沖時間差，可直接計算出瓦斯氣的實際體積流量和質(zhì)量流量；同時測量管徑可以從50mm～3m，有效地解決了瓦斯氣管徑一般都比較大（如600mm等）一般熱式質(zhì)量流量計難以達到要求的問題；且測量準確度比較高，校準結果的最大允許誤差可達讀數(shù)的±0.5%。

如果要進一步提高計量準確度，可在同一管線上安裝兩組傳感器（即雙聲道）。

1.4 一體化畢托巴火炬氣流量測量裝置方案

畢托巴測量裝置的工作原理可參考中石化企業(yè)標準Q/SH 0477—2012《畢托巴流量計校準規(guī)范》4.1款所述。它是一種新型的差壓式流量計，由傳感器、差壓變送器、二次儀表組成，計算公式如下：

由于傳感器測出的是管道中心點的介質(zhì)流速，不能直接作為平均流速進行流量計算，畢托巴火炬氣流量利用清華大學對管道流體狀態(tài)30余年的研究成果，對不同管道狀態(tài)下的流速分布建成無數(shù)實驗模型，形成一個龐大數(shù)據(jù)庫，其中包括各種介質(zhì)、壓力、溫度下的補償，以及管道直管段不足情況下的實驗修正值。該數(shù)據(jù)庫可以配選出用戶任何工況的相應管道模型，精確修正后計算出準確的流量。其主要特點有：

1）量程比寬，適用范圍廣。流量計的管徑范圍在DN 2.5～DN6000管徑范圍內(nèi)，可準確測量液體流速0.01m/s～20m/s，準確測量氣體流速0.2m/s～150m/s。對低流速、小流量、大管徑測量效果尤佳；流量計對介質(zhì)管道截面的幾何形狀無要求，圓形、橢圓形、方形、長方形、棱形、三角形、梯形等均適用。

2）準確度高。每一臺傳感器都要在標準風洞上從1m/s風速到150m/s風速按要求逐點測出差壓值和風洞標準值一一對應，二次表在計算流量時采用分段修正的方法對所測信號進行修正，在3%～100%（量程比：1：30）的流量范圍內(nèi)，可以保證傳感器誤差優(yōu)于0.2%。

對于液體或蒸汽等其它介質(zhì)，每臺傳感器在通過風洞裝置標定合格后，都要根據(jù)其標定結果，結合液體或蒸汽等的計算模型進行修正計算；對于蒸汽等受溫度壓力變化影響較大的介質(zhì)，在計算過程中加入了密度補償。因此，在標準風洞上標定合格的傳感器用在液體或蒸汽介質(zhì)中時，其測量準確度是沒有變化的。

3）彎管處不要求直管段。幾十年風洞實驗積累的數(shù)據(jù)庫能完美地呈現(xiàn)出各種工況下在彎管處到前15倍管徑之間的管段上安裝傳感器的修正系數(shù)數(shù)據(jù)庫，只要用戶提供現(xiàn)有直管段長度，通過系數(shù)修正即可保證測量準確度。

對此技術有在蒸汽和空氣介質(zhì)標準裝置中的試驗數(shù)據(jù)做支撐。

4）成功解決防堵問題。針對粘性介質(zhì)及易堵塞介質(zhì)的流量計量，成功研制了防堵型傳感器，并已獲得實用新型專利，已成功應用于高焦爐煤氣、一二次風等易堵介質(zhì)的測量中。

5）實用性強。傳感器的構造非常簡單，由Φ20mm不銹鋼棒制成，其截面積很小，在介質(zhì)管道中幾乎無壓力損失；且長時間應用不易磨損，即使有所磨損、結垢，也不影響使效果；安裝也非常方便，只需在管道合適的位置上開一個規(guī)范的孔，可以在線開孔、在線安裝，可在線拆卸校準，使用和維護很方便、安全。

1.5 一體化畢托巴火炬氣流量測量裝置系統(tǒng)方案

1.5.1 結構組成

畢托巴流量裝置作為一種節(jié)能型產(chǎn)品（幾乎沒有壓力損失）已廣泛應用于單組份氣體、液體和蒸汽計量過程。對于天然氣、火炬氣等多組分氣體的準確計量，采用流量計和在線密度測量系統(tǒng)相結合的測量方式（簡稱火炬氣流量測量裝置），直接測量出介質(zhì)的標況體積流量和質(zhì)量流量。其結構示意圖如圖2所示。

圖2 火炬氣流量測量裝置結構示意圖Fig.2 Structure of torch gas flow measurement device

1.5.2 密度測量系統(tǒng)工作原理

瓦斯氣密度測量系統(tǒng)由采樣泵、過濾器、薄膜容器、壓力變送器和密度分析儀組成。它是基于薄膜圓柱容器的共振頻率隨環(huán)境氣體密度的變化而變化的特性，向同一容器提供兩種頻率，并測得諧振頻率的比值，測得的頻率是密度的函數(shù)。BTB402G型密度計是一種以微處理器為基礎的變送器，有兩種類型，以滿足一般區(qū)域和防爆區(qū)域應用的要求。該密度測量系統(tǒng)不僅可以連續(xù)測量氣體密度，也可顯示氣體比重、分子重量和氣體濃度。另外，還可提供自動、半自動和 One-touch 一觸式人工校正操作3種不同校正方式供選擇。

1.5.3 流量積算儀的功能

特殊開發(fā)的流量積算儀具有相關管道流體修正數(shù)據(jù)，管道數(shù)學模型和相應計算軟件，具有溫度、壓力、差壓、濕度、密度、組分等多種補償運算功能，可對流體流量進行多點標定數(shù)據(jù)修正；它還具有強大的通訊功能，可適配（4～20）mA信號、脈沖信號及Modbus等數(shù)字信號；特有的歷史事件記憶、歷史事件存儲、雙重口令限制功能可用于監(jiān)控現(xiàn)場儀表的誤操作和儀表斷電管理。

2 應用案例

瓦斯計量要求一般有兩種：一種是定性，只需測量其流量變化狀態(tài)、趨勢，了解是否排放異常；另一種是定量，需要相對準確的流量數(shù)據(jù)。建議瓦斯氣計量要整體布局，考慮投資和需求兩方面因素，根據(jù)不同的測量要求選擇組合的測量方案，實現(xiàn)瓦斯氣有效的計量和管理。

2.1 采用綜合監(jiān)控方案實施火炬氣排放監(jiān)控案例

某煉化企業(yè)在生產(chǎn)管理中高、中壓瓦斯管網(wǎng)氣源不穩(wěn)定，管網(wǎng)壓力波動大，高、中壓瓦斯產(chǎn)耗出現(xiàn)階段性不平衡；2006年底煉油千萬噸改擴建裝置全面投產(chǎn)后，排放的低壓瓦斯點多而雜，壓力低，雜質(zhì)多，組分變化大，流量變化大，無計量手段，處于無序的排放狀態(tài)；而瓦斯排放系統(tǒng)點多，沒有可靠的數(shù)據(jù)認定排放源，無法落實各基層的責任；超出火炬系統(tǒng)回收能力被迫點火炬。2009年企業(yè)將進一步降低加工損失作為精細管理年重點工作目標，產(chǎn)生了對瓦斯系統(tǒng)的排放實施計量監(jiān)控，從源頭上控制瓦斯排放量的想法。

企業(yè)在瓦斯監(jiān)控計量上通過摸索，最終形成了定量+定性相結合的綜合監(jiān)控方案。以生產(chǎn)作業(yè)部為監(jiān)控對象，在區(qū)域總管或重點監(jiān)控裝置采用超聲波流量計實現(xiàn)定量測量，對一般生產(chǎn)裝置采用定性監(jiān)控，通過趨勢變化判斷排放情況，通過適當合理布局配置實現(xiàn)瓦斯有效監(jiān)控。

2.1.1 實施方案

在煉油區(qū)8個重點區(qū)域總管和關鍵裝置排放點采用GF868火炬氣超聲波流量計，采用兩個量程段設置，用于不同生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)測。測量量程分別設定為0km3/h～20km3/h和0km3/h～600km3/h的瞬時體積流量及累計、瞬時質(zhì)量流量及累計、實時分子量和流速，所有數(shù)據(jù)通過DCS進入瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。

在煉油區(qū)25套裝置出口進行趨勢監(jiān)控，其中9套裝置采用該流量測量裝置，16套裝置出口采用“溫度+閥位”，信號進DCS，并接入MES系統(tǒng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，裝置一旦出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)上溫度或流量曲線就會表現(xiàn)出跳躍，再結合管線閥門的開關情況做出火炬氣排放狀態(tài)的判斷。

結合裝置檢修及費用計劃情況，分兩批組織實施。第一批對煉油四部區(qū)域總管火炬氣超聲波及煉油裝置溫度+閥位監(jiān)控，2009年煉油Ⅱ系列大修時組織實施。第二批監(jiān)控項目在2011年煉油Ⅰ系列大修時組織實施。

2.1.2 實施效果

第一批火炬監(jiān)控項目實施后，相關區(qū)域總管排放量由7kNm3/h～8kNm3/h下降到目前的2kNm3/h～3kNm3/h。1號、2號火炬熄滅，壓縮機也由原來的開6臺減少為4臺。

第二批項目實施后，實現(xiàn)了確保瓦斯回收，減少火炬排放的目標。煉油區(qū)域火炬排放量由11km3/h降至7km3/h以下。每年可減少瓦斯脫硫3.504×108m3，節(jié)約脫硫費用94萬元；減少火炬燃燒瓦斯1.50×107m3，折合人民幣300萬元；節(jié)約火炬壓縮機用電726.12×107kw·h，折合人民幣480萬；還可避免氣分裝置液化氣產(chǎn)品為瓦斯管網(wǎng)補壓。項目預計每年效益874萬元以上，實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)保雙收益。

2.2 采用在線密度計和流量計一體化組合方式準確測量瓦斯氣案例

圖3 火炬氣畢托巴流量計現(xiàn)場安裝圖Fig.3 Torch gas Bituoba flowmeter field installation map

圖4 焦化裝置火炬氣出裝置流量曲線Fig.4 Flow curve of torchlight outlet unit of coking device

中石化股份天津分公司煉油部聯(lián)合八車間延遲焦化裝置的火炬氣管道規(guī)格是DN600，使用進口熱式質(zhì)量流量計測量流量，半年以后的測量結果是大流量計量不準（與工藝匹配的估算量相比差距較大），小流量計量不上，只能采用“溫度+閥位”，信號進DCS方式監(jiān)控瓦斯氣運行狀態(tài)，裝置一旦出現(xiàn)異常，監(jiān)控系統(tǒng)上溫度曲線就會表現(xiàn)出跳躍，再結合管線閥門的開關情況做出火炬氣排放狀態(tài)的判斷。2015年9月，在原熱式質(zhì)量流量計的安裝插孔位置，在不動火的條件下成功更換成火炬氣畢托巴流量計，流量計現(xiàn)場安裝圖如圖3所示。在控制室DCS系統(tǒng)上顯示的2#焦化裝置火炬氣出裝置流量曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，火炬氣畢托巴流量計可以測量出DN600管道內(nèi)75Nm3/h的瓦斯氣流量，與工藝估算值基本相符，達到了預期目的。

3 幾種測量瓦斯氣方法的優(yōu)缺點分析

1）“溫度+閥位”監(jiān)控起到了定性監(jiān)控排放的作用，但是當瓦斯組份沒有發(fā)生變化時，流量變化不能引起溫度變化，這部分監(jiān)控效果體現(xiàn)不出來。同時對于持續(xù)地排放由于沒有流量指示，無法對降低排放提供幫助。這種方法只能定性分析瓦斯氣的排放情況。

2）熱質(zhì)流量計反應靈敏，有利于依靠流量變化趨勢判斷裝置排放情況。

表1 工業(yè)常用消煙蒸汽火炬氣流量數(shù)據(jù)Table 1 Data of gas flow of steam torch commonly used in industry

優(yōu)點：直接測量氣體的質(zhì)量流量，不因壓力、溫度波動而失準；反應靈敏，可實現(xiàn)大口徑小流量的測量；無可動部件，安裝維護都比較簡單，安裝時注意流體方向應與熱質(zhì)式質(zhì)量流量計方向一致；壓損小可忽略；量程比寬；流量測量的最大允許誤差可高達±0.5%。

缺點：對于采用恒定加熱功率，測量溫度差法的熱式質(zhì)量流量計，由于瓦斯氣含有水分或帶液，容易在加熱探頭上凝結，△T的誤差將直接帶來計量結果的誤差，影響準確度，且瓦斯氣中的污垢容易附著在傳感器的表面，使之熱傳導性能變差而導致計量不準；對于采用恒溫差法的熱式質(zhì)量流量計，必須提高加熱功率，以達到以前的加熱溫度。因此，容易導致電加熱回路斷路，儀表故障率較高。

3）火炬氣超聲波流量計不僅能測量瓦斯流量，而且可以測量分子量，對分析確定瓦斯的組分，確定瓦斯具體裝置來源有幫助。由于計量瓦斯氣的超聲波流量計絕大部分是進口產(chǎn)品，所以價格比較高。由于原理技術要求的原因，對安裝條件要求比較高，二次檢測難度大，服務費用相對高一些。

4）體積式流量計測量瓦斯氣，由于瓦斯氣密度變化較大，如果沒有很好的密度補償措施，其測得的質(zhì)量流量準確度比較低，可用于依靠流量變化趨勢判斷裝置的瓦斯氣排放情況。

5）畢托巴流量計測量火炬氣系統(tǒng)方案，是近幾年計量技術發(fā)展才實現(xiàn)的。采用在線密度計與畢托巴流量計相結合的測量方式，可以準確測量瓦斯氣的質(zhì)量流量?；鹁鏆猱呁邪土髁坑嬍菄a(chǎn)品牌，與同準確度的測量瓦斯氣流量計相比，價廉物美[3]。

4 火炬消煙蒸汽計量方式

火炬氣在煉化裝置中燃燒后會生成煙灰，火炬冒黑煙將嚴重污染環(huán)境。為此，可加入蒸汽或空氣來保證火炬氣充分燃燒，消除煙灰與飛塵。因此，對如何提高火炬消煙蒸汽測量的準確性和可靠性，具有十分重要的實用價值。

4.1 消煙蒸汽的計量難點

某煉化企業(yè)100萬噸／年乙烯工程火炬氣系統(tǒng)，火炬使用的是1.6MPa等級蒸汽，用汽有兩個用途：消煙（高架火炬與地面火炬）與伴熱（各管線、儀表、罐、液位計等）。高架火炬量程是220t/h，地面火炬量程是50t/h，流量計量程是按事故狀態(tài)下用量98t/h（高架火炬）、50t/h（地面火炬）設計的。

圖5 畢托巴消煙蒸汽火炬氣流量計安裝方式Fig.5 Installation of Bitobar smoke steam torch gas flowmeter

火炬氣通常分為正常生產(chǎn)時排放和非正常生產(chǎn)時的排放。在正常生產(chǎn)時排放氣流量非常小、流速非常低，消煙蒸汽（助燃蒸汽）流量0.5t/h，相應流速非常低，V≤1m/s；火炬氣在非正常排放時消煙蒸汽的流量會增加到470多倍，相應流速達50m/s。因此，準確測量難度非常大[4]。具體數(shù)據(jù)詳見表1。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，蒸汽測量儀表必須同時滿足以下條件：

① 必須有大于1: 470的流量量程比，以滿足不同流量的計量要求。

② 流量計必須長時間穩(wěn)定、準確地在低流速（V≤1m/s）下測量。

③ 在非正常排放時，蒸汽流速會對傳感器產(chǎn)生一定的沖擊，流量傳感器必須保證相應結構強度，保證安全穩(wěn)定計量。

4.2 消煙蒸汽流量計測量方法

畢托巴消煙蒸汽流量計采用飛機空速管的測量原理。直接測量管道內(nèi)介質(zhì)流速。目前已能測量氣體流速V＞6倍音速（6×340m/s（音速）＝2040m/s），也可測氣體V≥0.3m/s時的低流速。氣體流速量程比可達1：2000，完全可滿足消煙蒸汽排放的寬量程比特殊測量需求。測量元件專門設計，傳感器探頭取壓斜面等角對稱設計，是下端的流動壓力傳導到取壓孔，輔助增大傳感器差壓，最后需經(jīng)過高精度風洞逐點標定修正，可以穩(wěn)定準確測量V≥0.3m/s的流體速度。對于寬量程工況進行多臺差壓變送器并聯(lián)組合，選用3臺差壓變送器，兩臺大量程的差壓變送器和一臺微差壓變送器，經(jīng)在流量標準裝置實驗驗證，通過流量計算機自動無擾動優(yōu)選切換并輸出一個唯一的測量數(shù)據(jù)。