段天思，魏 晨，池光輝，張玉學(xué)，趙海濤

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引言

工業(yè)火炬系統(tǒng)一般用于天然氣加工、煉油、石化、化工等工廠，它可以將無法回收和再加工的可燃或有毒氣體收集后燃燒，是保障企業(yè)安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要措施。通過燃燒，火炬將廢氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣，從而大大降低廢氣的環(huán)境影響。這對(duì)保護(hù)工藝裝置安全生產(chǎn)，節(jié)能降耗具有重要意義。

工業(yè)火炬排放氣流量的計(jì)量一直以來都是煉油、石化、化工和其他各類工廠的需求，近年來，能源管理部門對(duì)工業(yè)火炬排放氣流量計(jì)量提出了新的要求，必須實(shí)現(xiàn)持續(xù)不間斷計(jì)量。隨著企業(yè)內(nèi)部精細(xì)化管理的不斷深入，節(jié)能、減排對(duì)工業(yè)火炬排放氣管理提出了更嚴(yán)格的要求，減少火炬氣排放成為企業(yè)管理的重要任務(wù)之一[1]。

所以對(duì)工業(yè)火炬排放氣流量能實(shí)現(xiàn)更加可靠、更準(zhǔn)確的計(jì)量，具有十分重要的意義。然而，工業(yè)火炬排放氣的計(jì)量對(duì)于設(shè)計(jì)單位和企業(yè)來說，一直都是介質(zhì)流量計(jì)量中最為困難的，主要存在以下問題[2]：

1） 工業(yè)火炬排放氣正常工況下排放量很小，而在上游生產(chǎn)裝置出現(xiàn)故障時(shí)排放量很大，導(dǎo)致量程范圍很寬，傳統(tǒng)的流量測(cè)量方式難以測(cè)量。

2）工業(yè)火炬排放氣在大量排放時(shí)，流速很高，對(duì)于測(cè)量元件的安全性要求很高。

3）工業(yè)火炬排放氣工況多變，組分復(fù)雜，密度隨之變化，增加計(jì)量難度。

4）工業(yè)火炬排放氣管道口徑不一，流量范圍各異。

5）工業(yè)火炬排放氣流量計(jì)不能對(duì)管道產(chǎn)生截流，影響緊急放空。

1 主要技術(shù)內(nèi)容

通過對(duì)火炬排放氣的現(xiàn)有計(jì)量方案進(jìn)行深入調(diào)查研究，以工作中實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)為例，選擇出了可用于特定條件下的火炬排放氣計(jì)量的流量計(jì)，從測(cè)量原理、技術(shù)參數(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)、使用性能、投資成本等各個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析。

1.1 項(xiàng)目概況

內(nèi)蒙古某大型企業(yè)新建年產(chǎn)100 萬噸乙二醇項(xiàng)目需設(shè)一套高架火炬系統(tǒng)作為全廠開工、停車、事故排放及配套的安全設(shè)施?；鹁娌捎酶呒芾壔鹁嫘问?，總高120m，可保證裝置在各工況下產(chǎn)生的火炬排放氣能夠及時(shí)、安全、可靠地放空燃燒，處理后的產(chǎn)物滿足相關(guān)的環(huán)保要求。

本項(xiàng)目擬設(shè)置4 套火炬頭，富氫事故火炬用于焚燒處理在氣化爐開工、各裝置事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的易燃、有毒氣體；酸性事故火炬用于焚燒處理在乙二醇裝置開工、事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的易燃、有毒氣體；酸性氣火炬用于焚燒處理在正常、事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的酸性氣體以及裝置運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的常排氣體；低壓火炬用于焚燒處理在正常、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的易燃、有毒氣體。

這4 個(gè)火炬系統(tǒng)可保證裝置在開停車、事故及正常操作時(shí)產(chǎn)生的放空氣能夠及時(shí)、安全、可靠地放空燃燒，并對(duì)排放量進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量，滿足相關(guān)的環(huán)保要求。

1.2 火炬排放氣體匯總表

根據(jù)表1、表2 中的火炬排放氣體相關(guān)條件可以得出：

表1 火炬排放氣體匯總一Table 1 Summary of gas discharged from flare I

表2 火炬排放氣體匯總二Table 2 Summary of flare emissions gas II

1）事故火炬排放氣共有7 個(gè)工況，且成分各不相同，最大流量為2317.266t/h，最小流量為1.849t/h，有3 個(gè)工況含水量較高。

2）酸火炬排放氣共有2 個(gè)工況，且成分各不相同，最大流量為12.733t/h，最小流量為0.833t/h。

3）酸性氣火炬排放氣共有1 個(gè)工況，最大流量為41.838t/h。

4） 低壓火炬排放氣共有3 個(gè)工況，其成分各不相同，且為連續(xù)排放，最大流量為2.163t/h，最小流量為0.006t/h。

1.3 火炬排放氣的計(jì)量原理

1.3.1 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)利用的是溫差法測(cè)量原理，即利用流動(dòng)中的流體與熱源（流體中加熱的物體）之間熱交換關(guān)系測(cè)量流體的流量，主要用于測(cè)量氣體[3]。

其工作原理如圖1 所示。

圖1 溫差法測(cè)量原理Fig.1 Measurement principle of temperature difference method

該流量計(jì)的測(cè)量元件由兩個(gè)RTD 鉑熱電阻組成。其中，一只RTD 作為參考端，用于檢測(cè)介質(zhì)的當(dāng)前實(shí)際溫度；另一只RTD 作為測(cè)量端，其內(nèi)部裝有一個(gè)獨(dú)立的加熱器，當(dāng)傳感器置于無流量的介質(zhì)中時(shí)，由于測(cè)量端恒定功率加熱的作用，將在兩只RTD 間形成一個(gè)溫度差值（?T）。當(dāng)介質(zhì)流過測(cè)量端表面時(shí)，基于熱傳導(dǎo)原理，介質(zhì)分子將帶走測(cè)量端RTD 表面的部分熱量，而參考端RTD 的溫度將保持不變，進(jìn)而造成兩只RTD 間溫度差值的變化。溫差的變化與介質(zhì)的流量及介質(zhì)本身的熱特性有關(guān)，較高的流速或密度較大的介質(zhì)將加快兩RTD 間溫差的變化，兩個(gè)RTD之間的溫差在無流量的狀態(tài)下達(dá)到最大。隨著流量的增加，被加熱的RTD 冷卻，溫差就減小。所以，根據(jù)兩個(gè)RTD鉑熱電阻間溫度差值的變化可以推算出介質(zhì)的流量，通過線性化電路將溫差的變化轉(zhuǎn)換成與流量相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

1.3.2 畢托巴流量計(jì)

畢托巴流量計(jì)采用壓差法測(cè)量原理，主要由節(jié)流裝置、引壓管線以及差壓變送器組成。當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，流體會(huì)在節(jié)流裝置的作用下局部收縮。流經(jīng)節(jié)流裝置后，流速會(huì)瞬間增大，壓力陡然降低，在節(jié)流裝置前后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差壓，管道內(nèi)流體的流量越大，節(jié)流裝置前后的差壓就越大。差壓的大小與流量、節(jié)流裝置形式、流體的物理性質(zhì)等因素有關(guān)[4,5]。

1.3.3 氣體超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)采用時(shí)差法測(cè)量原理，即通過測(cè)量超聲波束在流體中順流和逆流傳播的時(shí)間差來計(jì)算流體流量的一種方法[6]。

其工作原理如圖2 所示。在管道上安裝有超聲波流量計(jì)的一對(duì)可直接接觸被測(cè)氣體的“濕式”超聲波傳感器，每個(gè)傳感器都能發(fā)射和接收超聲波信號(hào)。流量計(jì)電子部件能夠精確地測(cè)量聲波在兩個(gè)傳感器之間傳播所用的時(shí)間，分別測(cè)量順流方向和逆流方向傳播所需的時(shí)間，進(jìn)而得到順流傳播與逆流傳播的時(shí)間差，管道內(nèi)介質(zhì)的流速與此時(shí)間差成比例關(guān)系。實(shí)際體積流量是流速和管道內(nèi)橫截面積的乘積。已知?dú)怏w的溫度和壓力，即可計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體積流量[7-10]。

圖2 時(shí)差法測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle of time difference method

在圖2 中，假設(shè)在流體靜止時(shí)的超聲波速度為V0，流體速度為V，傳感器A 和B 的距離為L，超聲波傳播路線與管道水平方向的夾角為θ，管道公稱直徑為D，兩個(gè)傳感器安裝的水平間距為d，超聲波在傳感器A 和B 之間的順氣流傳播時(shí)間為t+，逆氣流傳播時(shí)間為t-。

則

t+和t-的差值?t 為：

由于流體的流速V 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超聲波在介質(zhì)中的速度V0，式（2）可簡化為：

流體的流速為：

由式（4）可以得出：當(dāng)V0 和d 為固定值時(shí)，流體的流速與超聲波傳播的時(shí)間差成正比關(guān)系。

所以流體的體積流量Qv 則可以表示為：

由以上可以得出，當(dāng)V0、D 和d 為已知時(shí)，通過測(cè)量超聲波傳播的時(shí)間差就可以計(jì)算出流體的實(shí)時(shí)體積流量。

通過測(cè)量出超聲在流體中波傳播的時(shí)間，再由傳播距離和傳播時(shí)間可以得出實(shí)際傳播速度。

式（6）中：Vs——超聲波在流體中實(shí)際傳播速度；tp——超聲波在流體中傳播的平均時(shí)間。

已知：在固定溫度和壓力下的同種流體，超聲波在該流體中傳播的速度保持不變，所以在知道超聲波在流體中實(shí)際傳播速度，并測(cè)得實(shí)際溫度及壓力后，可以反推出流體的平均分子量。

在知道流體的平均分子量、溫度、壓力后，可以求得流體的實(shí)際密度，然后再通過公式（7）計(jì)算后就可以得到準(zhǔn)確度比較高的流體的質(zhì)量流量。

式（7）中：Qm——流體的質(zhì)量流量；ρ——流體的密度。

1.4 計(jì)量方案的總結(jié)分析

1.4.1 參數(shù)分析

通過對(duì)上述可用于工業(yè)火炬排放氣的計(jì)量方案原理與實(shí)際使用條件進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)見表3。

表3 火炬排放氣流量計(jì)參數(shù)分析表Table 3 Parameter analysis of flare discharge flowmeter

通過分析得出：

3 種流量計(jì)測(cè)量原理各不相同，直接導(dǎo)致了性能的差異化。

在適用溫度方面，熱式質(zhì)量流量計(jì)和畢托巴流量計(jì)的傳感器為全金屬元件，所以對(duì)溫度的適應(yīng)性更強(qiáng)。超聲波流量計(jì)由于需要通過電子元件發(fā)射聲波，所以受電子元件耐溫影響，不適應(yīng)于高溫環(huán)境。

量程比是火炬氣測(cè)量的重要參數(shù)，超聲波流量計(jì)由于是通過聲速測(cè)量，聲速可檢測(cè)性強(qiáng)，故量程比表現(xiàn)優(yōu)異，達(dá)到了3280:1；畢托巴流量計(jì)由于采用的是壓差測(cè)量，受差壓測(cè)量精度的影響，故量程比較低，僅為30:1；熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)表現(xiàn)居中。

適用氣體組分范圍方面，氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量時(shí)受氣體特性影響小，可適用氣體范圍廣，不需要現(xiàn)場標(biāo)定；熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)受氣體特性影響較大，氣體組分發(fā)生變化時(shí)，需要重新現(xiàn)場標(biāo)定。

1.4.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量不依賴于氣體特性，具有量程比寬、精度高、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，可適用于各種復(fù)雜工況，但缺點(diǎn)是其價(jià)格相對(duì)較高，配件成本高，新產(chǎn)品性能有待市場長期使用驗(yàn)證。如果預(yù)算充足，超聲波流量計(jì)是工業(yè)火炬排放氣測(cè)量比較理想的產(chǎn)品。

他是山東省章丘市食品藥品監(jiān)管局的負(fù)責(zé)人。在他的帶領(lǐng)下，該局先后榮獲全國食品藥品監(jiān)管系統(tǒng)先進(jìn)集體、省食品藥品監(jiān)管系統(tǒng)先進(jìn)集體和先進(jìn)基層黨組織、省級(jí)文明單位等榮譽(yù)稱號(hào)。

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)具有精度高、量程比寬、響應(yīng)速度快、耐溫高、價(jià)格適中等特點(diǎn)，但缺點(diǎn)是需要使用被測(cè)氣體進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，不適用于氣體組分復(fù)雜多變的工況。如果工業(yè)火炬排放氣組分相對(duì)固定，工況較少，熱式質(zhì)量流量計(jì)是一款高性價(jià)比的產(chǎn)品。

畢托巴流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，并且該流量計(jì)所采用的差壓測(cè)量技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但缺點(diǎn)是其量程比較窄，對(duì)于低壓工業(yè)火炬排放氣的測(cè)量不適用。但是目前此類儀表國產(chǎn)化較多，在合適的工況下可以選用差壓流量計(jì)，節(jié)省成本的同時(shí)，可以推進(jìn)工業(yè)火炬排放氣測(cè)量國產(chǎn)化的進(jìn)程。

1.5 對(duì)本案例項(xiàng)目計(jì)量方案的設(shè)計(jì)

從技術(shù)層面，經(jīng)過對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)的計(jì)算和使用條件的選擇，得出：

1）氣體超聲波流量計(jì)由于量程比寬，測(cè)量不受氣體特性的影響，所以對(duì)于4 套火炬裝置的排放氣均能適用。

2）熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)由于量程比較寬，直接測(cè)量氣體的質(zhì)量流量，不因壓力、溫度波動(dòng)而失準(zhǔn)，但由于其需要根據(jù)不同的測(cè)量工況進(jìn)行標(biāo)定，不適用于復(fù)雜工況的測(cè)量。所以對(duì)于事故火炬不適用，對(duì)于酸火炬、酸性氣火炬和低壓火炬可以適用。

3）畢托巴流量計(jì)由于量程比較窄，不適用于測(cè)量密度變化大的氣體，所以可適用于酸性氣火炬排放氣的測(cè)量。

從成本層面，氣體超聲波流量計(jì)雖適用范圍廣，但為了保證精度需要使用雙聲道產(chǎn)品，其價(jià)格極高；熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)適用范圍不及氣體超聲波流量計(jì)，但也能適用部分工況，其價(jià)格適中；畢托巴流量計(jì)雖然價(jià)格較低，但是適用范圍較窄，僅適用于少數(shù)工況。

最后，通過對(duì)企業(yè)的計(jì)量要求，現(xiàn)有各種計(jì)量方案、技術(shù)參數(shù)、使用條件、測(cè)量精度、前期投入成本和后期維護(hù)等的綜合考慮，最終方案為：事故火炬選用1 臺(tái)氣體超聲波流量計(jì)，酸火炬、酸性氣火炬和低壓火炬選用3 臺(tái)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。

2 技術(shù)方案應(yīng)用、驗(yàn)證及前景

針對(duì)現(xiàn)有火炬排放氣計(jì)量方案的不足，結(jié)合各種現(xiàn)有計(jì)量方案的特點(diǎn)，以及內(nèi)蒙古某大型企業(yè)新建年產(chǎn)100 萬噸乙二醇項(xiàng)目所排工業(yè)火炬排放氣組分的條件，對(duì)火炬排放氣計(jì)量監(jiān)控方案進(jìn)行新型優(yōu)化選型設(shè)計(jì)。通過對(duì)工業(yè)火炬排放氣排放條件的分析，經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算和選型對(duì)比，得出無論選用哪一種單一的計(jì)量方案，都不是最優(yōu)的計(jì)量監(jiān)控方案，最終通過對(duì)企業(yè)計(jì)量需求以及相關(guān)部門計(jì)量要求的研究，以及現(xiàn)有各種計(jì)量方案的技術(shù)參數(shù)、使用條件、測(cè)量精度、前期投入成本和后期維護(hù)等的綜合考慮，最終提出的計(jì)量方案在滿足企業(yè)計(jì)量要求的同時(shí)，總投資成本比企業(yè)最初預(yù)計(jì)的使用4 臺(tái)超聲波流量計(jì)，節(jié)省了約200萬，在滿足相關(guān)部門要求的同時(shí)，為企業(yè)節(jié)省了大量成本。并經(jīng)項(xiàng)目開車使用驗(yàn)證，該火炬排放氣計(jì)量方案實(shí)現(xiàn)了安裝簡單，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，維護(hù)工作量小，有效滿足測(cè)量要求，節(jié)省了投資成本和維護(hù)成本。

筆者認(rèn)為工業(yè)火炬排放氣計(jì)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(cè)量要求選擇組合的測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)火炬排放氣有效的計(jì)量和管理。此“量性結(jié)合”綜合計(jì)量監(jiān)控方案，即在重要火炬系統(tǒng)排放氣采用超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度定量測(cè)量；對(duì)一般火炬系統(tǒng)采用精準(zhǔn)定性與粗定量相結(jié)合，通過趨勢(shì)變化判斷排放情況，通過適當(dāng)合理布局配置實(shí)現(xiàn)火炬排放氣的有效監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙收益。

隨著近年來企業(yè)精細(xì)化管理的不斷深入，該計(jì)量監(jiān)控方案不僅可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量需求，為企業(yè)節(jié)省投資，還可以減少物料損失，為工藝裝置的生產(chǎn)安全保障提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，緩解企業(yè)安全管理壓力，為企業(yè)火炬系統(tǒng)的節(jié)能、減排增加可量化的管理模式，有效落實(shí)各基層的責(zé)任，達(dá)到減少工業(yè)火炬排放氣排放，減少環(huán)境影響，為企業(yè)各方面增添效益，具有廣泛的應(yīng)用和推廣價(jià)值。該方案可以應(yīng)用于其他化工、石化、煉油、煤化工等行業(yè)高架火炬、封閉式地面火炬、敞式地面火炬等各種有毒有害火炬排放氣的計(jì)量和監(jiān)控。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)目前可適用于工業(yè)火炬排放氣流量計(jì)量方案進(jìn)行深入地分析研究，結(jié)合各行業(yè)火炬排放氣的工況及基礎(chǔ)條件，最終選擇出了氣體超聲波流量計(jì)、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)、畢托巴流量計(jì)等3 種流量計(jì)，可用于特定條件下的火炬排放氣計(jì)量，從3 種流量計(jì)的測(cè)量原理、技術(shù)參數(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)、使用性能、投資成本、適用性等方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析。通過對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)手段的對(duì)比分析，以及目前計(jì)量方案的不足之處，進(jìn)行新型優(yōu)化選型設(shè)計(jì)，提出一種“量性結(jié)合”的綜合計(jì)量監(jiān)控方案，并結(jié)合實(shí)際的大型火炬系統(tǒng)項(xiàng)目。從設(shè)計(jì)選型、安裝施工、調(diào)試開車、使用維護(hù)等進(jìn)行全程跟蹤，有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)的計(jì)量需求，滿足相關(guān)部門的計(jì)量監(jiān)控要求的同時(shí)，降低企業(yè)投資和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了一定的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

隨著目前環(huán)保部門及企業(yè)對(duì)于工業(yè)火炬排放氣計(jì)量要求越來越高，新型的火炬排放氣的計(jì)量方案的應(yīng)用也將越來越廣泛，可以幫助火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單位形成一套可行的火炬排放氣的計(jì)量解決方案，為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)參考，為企業(yè)減少投資，幫助火炬成套供應(yīng)商提高項(xiàng)目競爭力，帶來更多的經(jīng)濟(jì)增長。