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工業(yè)在硫磺回收裝置中的應(yīng)用-超聲波流量計(jì)

來源:江蘇鼎創(chuàng)儀表科技有限公司   2010年06月03日 15:15  

 

工業(yè)在硫磺回收裝置中的應(yīng)用-超聲波流量計(jì)
 
隨著市場原油價(jià)格的不斷提高,迫使煉油企業(yè)通過煉制相對低價(jià)的高硫高酸劣質(zhì)化原油來降低成本,以保持企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而同時(shí)隨著人民生活水平的提高,公眾對環(huán)保要求日益重視,政府也加強(qiáng)了對節(jié)能減排工作的力度。這兩者之間的矛盾就要求企業(yè)新上大規(guī)模硫磺回收裝置以解決由于高含硫原料而產(chǎn)生的大量酸性氣排放的環(huán)保問題。所以從2000年開始已經(jīng)有越來越多的100kt/a以上規(guī)模的硫磺回收裝置在國內(nèi)新建。硫磺回收裝置的主要工藝流程為上游裝置來的排放酸性氣在主反應(yīng)爐內(nèi)燃燒生成硫磺和尾氣,然后進(jìn)入下個(gè)工段進(jìn)行加氫、急冷及溶劑再吸收,處理后的凈化尾氣去焚燒爐進(jìn)行焚燒處理后達(dá)標(biāo)排放。就硫磺裝置而言,反應(yīng)爐和焚燒爐是影響整個(gè)裝置運(yùn)行好壞的關(guān)鍵設(shè)備。而進(jìn)反應(yīng)爐的酸性氣和進(jìn)焚燒爐的燃料氣流量測量效果的好壞對這兩個(gè)爐子的控制有著重要的影響,相應(yīng)也會(huì)對整個(gè)裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性和硫回收率的高低產(chǎn)生重大的影響。
    2 硫磺回收裝置酸性氣和燃料氣流量測量的特點(diǎn)
    硫磺回收裝置一般位于煉油廠裝置的下游,從上游裝置排放出的酸性氣經(jīng)匯集管線后形成較大的管路,zui后進(jìn)入此裝置。由于設(shè)計(jì)規(guī)模的原因,工藝管線的尺寸范圍一般為500~800mm。這就要求從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)選擇一種投資較低的插入式儀表。
    同時(shí)由于煉油廠原料的組成不同,一般要求裝置有設(shè)計(jì)彈性。這就要求選擇一種有較大量程比的儀表。
    另外酸性氣和燃料氣都是從工廠系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)來的,由于上游裝置的波動(dòng),這兩者的組分會(huì)有較大的變化。酸性氣來自上游的溶劑再生裝置,其相對分子質(zhì)量組成受原油中硫含量的高低和各個(gè)上游裝置的類型負(fù)荷決定。燃料氣來自管網(wǎng),其相對分子質(zhì)量組成受各生產(chǎn)裝置的影響。這就要求選擇一種能適應(yīng)氣體組分變化而不受影響的儀表。且考慮到酸性氣的劇毒性,要求選擇一種可以現(xiàn)場密閉測量,在線校正數(shù)據(jù)的儀表。
    綜上所述,選擇一種可在線維護(hù)、壓損較低、適應(yīng)組分變化大、流速變化劇烈的插入式流量儀表成為一個(gè)新課題。以往國內(nèi)很多煉油廠采用傳統(tǒng)流量測量技術(shù)如差壓、渦街和插入式熱質(zhì)量流量計(jì)等方法試用于酸性氣和燃料氣的測量。但實(shí)際應(yīng)用中卻遠(yuǎn)不能滿足測量控制需求,主要是受限于低速、無法追蹤不穩(wěn)定或脈動(dòng)流、量程比有限、無法承受污染如液體附著、侵蝕等以及無法適用氣體組分的變化。很多儀表被閑置或頻繁維護(hù),這實(shí)際上造成了很大的投資貶值與浪費(fèi)。
    硫磺回收裝置的工藝對象與煉油廠火炬氣流量測量比較相似,因此選擇火炬氣超聲波流量計(jì)作為解決以上問題的方法[1]。
    3 超聲波流量計(jì)的測量原理
    時(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理如圖1所示[2-3]。它是利用一對超聲波換能器相向交替(或同時(shí))收發(fā)超聲波,通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速,再通過流速來計(jì)算流量的一種間接測量方法。
    圖1中有2個(gè)超聲波換能器:順流換能器和逆流換能器,兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距一定距離,管線的內(nèi)直徑為D,超聲波行走的路徑長度為L,超聲波順流傳播距離L的時(shí)間為td,逆流為tu,超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向夾角為θ。td和tu可用式(1)表示:
    式中c———超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速;v———流體介質(zhì)的流動(dòng)速度。
    tu和td之間的差如式(2)所示:
    式中X———兩個(gè)換能器在管線方向上的間距。
由此可見,當(dāng)c和X為固定的常數(shù)時(shí),流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。流量qV就可以同式(3)表示:

    以上測量所得的是流體的體積流量,在引入流體的溫度,壓力,相對分子質(zhì)量等測量值進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算后就可以得到比較高精度的流體質(zhì)量流量。
    
運(yùn)用超聲波時(shí)差法原理,在測量得到順流、逆流聲波傳播時(shí)間平均值的情況下可以進(jìn)一步根據(jù)“平均傳播時(shí)間=聲程/聲速”的原理,計(jì)算得出聲波在介質(zhì)中傳播速度,即聲速。由于固定介質(zhì)在已知溫度和已知壓力情況下聲速是保持不變的物理量,因此聲速的測量可以推算出流體內(nèi)介質(zhì)的組成成分及分子量數(shù)據(jù)。
    4
火炬氣超聲波流量計(jì)的性能
    GESensing
公司的GF868火炬氣流量采用超聲波時(shí)差法的原理對火炬氣類介質(zhì)流量進(jìn)行測量。它秉承了超聲波流量測量的優(yōu)勢,具有高精度、快速響應(yīng)、高可靠性、寬量程比等特點(diǎn);利用相互時(shí)差技術(shù),結(jié)合數(shù)字信號處理,具有相對分子質(zhì)量測量功能。還可以對氣體的實(shí)際聲速進(jìn)行二次測量,在測得氣體聲速后,再通過流量計(jì)電子設(shè)備中內(nèi)設(shè)的一項(xiàng)獲得的算法計(jì)算后,就可以通過聲速、壓力和溫度測量出氣體的平均相對分子質(zhì)量。相較于傳統(tǒng)思路利用色譜分析儀進(jìn)行氣體組分分析而得出氣體平均相對分子質(zhì)量的方法,盡管GF868火炬氣超聲波流量計(jì)在平均相對分子質(zhì)量分析上無法達(dá)到色譜分析儀的精度,但在酸性氣和燃料氣測量控制領(lǐng)域上做定性判斷已經(jīng)足夠。這樣只用1臺(tái)超聲波流量計(jì)就可結(jié)合流量測量和相對分子質(zhì)量測量的功能,粗略推算出氣體組分的大概變化。
    GF868
火炬氣超聲波流量計(jì)在選用BWT技術(shù)的探頭并加緩沖棒系統(tǒng)后,可以使用于-190~450℃的氣體環(huán)境,具有抗高速流體產(chǎn)生沖擊的能力,zui高可以適用10MPa的工作壓力,還有很高的抗腐蝕能力,適用于酸性氣測量環(huán)境。
    
正常運(yùn)行情況下,火炬氣超聲波流量計(jì)可以測量0.1~0.5m/s的低流速流體,情況下滿足zui低流速0.03m/s的測量。當(dāng)出現(xiàn)“擾動(dòng)”時(shí),火炬氣超聲波流量計(jì)可測量高達(dá)80m/s的高流速流體,并且滿足雙向流體的要求。GF868火炬氣超聲波流量計(jì)采用插入式探頭,可以滿足工藝管線直徑從76mm~3m的變化,具有較寬的工作范圍,其量程比高達(dá)2750∶1,1臺(tái)GF868就可滿足所能遇到的絕大多數(shù)工況的流量測量。
    
該流量計(jì)可以配置1對或2對測量探頭。單對聲道測量時(shí),當(dāng)流速在±0.3~±85m/s之間,流量測量精度滿足讀數(shù)的±2%~5%。雙對聲道測量時(shí),當(dāng)流速在±0.3~±85m/s之間,流量測量精度滿足讀數(shù)的±1.4%~3.5%。測量相對分子質(zhì)量時(shí),測量精度滿足±1.8%。
    
綜上所述,GF868火炬氣超聲波流量計(jì)滿足測量變組分大量程比腐蝕性有毒氣體流量的要求,是硫磺回收裝置中酸性氣和燃料氣流量測量的*選擇。
    5
火炬氣超聲波流量計(jì)的安裝設(shè)計(jì)
    GF868
火炬氣超聲波流量測量系統(tǒng)包括一對傳感器(每個(gè)通道一對),前置放大器和1臺(tái)現(xiàn)場變送器。
    GF868
火炬氣超聲波流量計(jì)的傳感器分為T1型(鈦傳感器外殼與不銹鋼管緊固聯(lián)接而成)和T2(鈦傳感器外殼與鈦管焊接而成)兩類。其材料可以選擇鈦、Hasloy,Monel和316不銹鋼。傳感器可以安裝在預(yù)先加工好的帶機(jī)械插拔裝置接口的測量管上。也可以通過熱鉆孔或冷鉆孔的方式直接在線將機(jī)械插拔裝置安裝在工藝管道上,與工藝管道的連接為法蘭。前者相對費(fèi)用高但安裝精度好,一般用于小口徑管道的應(yīng)用。安裝于管線上的超聲波傳感器向氣體順流和逆流發(fā)射超聲波信號。每一個(gè)傳感器都能發(fā)射和接收超聲波信號。
    
考慮到管路中流體可能存在的固體顆粒分布,傳感器一般應(yīng)水平安裝。選擇測量管路時(shí)應(yīng)該盡量避免選用流體自上向下流動(dòng)的豎直管線。傳感器安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離彎頭、變徑、閥門、節(jié)流裝置,安裝點(diǎn)直管段的要求滿足前20D后10D(D為管線直徑),如有閥門、泵、變徑、節(jié)流裝置等,直管段應(yīng)適當(dāng)再加長。                                
     
防爆型前置放大器一般要求就地放于傳感器附近,以達(dá)到良好的信號傳遞功能。傳感器電纜zui大長度可以達(dá)到300m。在現(xiàn)場惡劣的條件下,可以集中將變送器放于室內(nèi)。如將變送器機(jī)箱放于室外時(shí)可以選擇鋁加環(huán)氧樹脂涂層或不銹鋼的防爆外殼。
     GF868
火炬氣超聲波流量計(jì)的變送器內(nèi)置流量計(jì)算機(jī),存儲(chǔ)器(線性或循環(huán))可記錄超過4.3×105個(gè)流量數(shù)據(jù)點(diǎn)。內(nèi)置改進(jìn)的分子量算法,基于溫度和壓力修正聲速,具有較強(qiáng)的計(jì)算校正功能。變送器部分能夠地測量聲波在兩個(gè)傳感器之間傳播所用的時(shí)間,分別測量順流方向和逆流方向超聲波傳播所需的時(shí)間。流速越高,順流和逆流傳播時(shí)間之間的測量差值(即時(shí)間差)就越大。實(shí)際體積流量是流速和管道內(nèi)橫截面積的乘積。通過外置變送器輸入的氣體溫度和壓力信號,就可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)體積流量。再通過流量計(jì)本身測量出的氣體平均相對分子質(zhì)量,還能計(jì)算出流體的質(zhì)量流量。變送器有2個(gè)獨(dú)立設(shè)置的64×128像素LCD圖像顯示器,以數(shù)字或圖形方式顯示流量數(shù)據(jù),也可顯示記錄的數(shù)據(jù)及診斷值。變送器通過39鍵觸覺反饋膜鍵盤設(shè)定實(shí)時(shí)計(jì)算流速,即時(shí)平均分子量,質(zhì)量流量及其他流量參數(shù)。還可同時(shí)處理其他工作,諸如設(shè)定、記錄、校準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)輸出和自診斷。

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