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瓦斯氣流量計計量難點與對策



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管理要求不斷提高,節能、降損、環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管理的重要目標。生產裝置瓦斯排放量超出火炬系統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據認定排放源,無法確定排放源,也是導致瓦斯排放量大、導致企業能源損失并產生環境污染的重要原因。因此,各企業都在尋求對瓦斯系統的排放實施計量監控的措施,從源頭上控制瓦斯排放[1]。

瓦斯氣是來自生產裝置中的工藝廢氣。特點是壓力低、雜質多、組分變化大、流量變化大,而且帶有水氣。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,不便監控管理。

1瓦斯氣的計量方案

1.1熱電偶+電動閥

這種測量方法嚴格來說不屬于計量,屬于趨勢變化的監控。結合瓦斯氣排放的特點,可根據溫度變化辨別排放情況。在未實施瓦斯監控前,每次出現瓦斯不平衡時,通常要檢查人員到現場對可疑管線用手摸溫度來排查瓦斯來源,據此提出了采用“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系統瓦斯監控系統,裝置一旦出現異常情況, 監控系統上溫度曲線就會表現出跳躍,再結合管線閥門的開關情況做出定性的判斷。

1.2熱式氣體質量流量計計量方案

熱式氣體質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量流量計。

插入式熱式質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,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T ,氣體靜止時,△T=T -T 是一個常數。當有定質量的氣體流動時,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流動氣體的氣體質量。

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射脈沖,又分別接收來自相對傳感器的發射脈沖[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
圖1

播特性來測量介質流量。聲波在流體中的實際傳播速度是由介質靜止狀態下聲波的傳播速度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):

             (1) 式(1)中, t ab ——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。

 

                        (2) 將測得的多個聲道的流體流速vi (i=l,2,…k),利

用數學的函數關系聯合起來,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。常規的溫度、壓力補償,只是補償因溫度、壓力變化而產生的標準體積變化,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,實現在線密度實時補償;再根據兩個傳感器互相接收對方發射的脈沖時間差,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標準Q/SH 0477—2012《畢托巴流量計校準規范》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:

                            (3)

由于傳感器測出的是管道中心點的介質流速,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30余年的研究成果,對不同管道狀態下的流速分布建成無數實驗模型,形成一個龐大數據庫,其中包括各種介質、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。該數據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,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,可以保證傳感器誤差優于0.2%。

對于液體或蒸汽等其它介質,每臺傳感器在通過風洞裝置標定合格后,都要根據其標定結果,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,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據庫能完美地呈現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數據庫,只要用戶提供現有直管段長度,通過系數修正即可保證測量準確度。

對此技術有在蒸汽和空氣介質標準裝置中的試驗數據做支撐。

4)成功解決防堵問題。針對粘性介質及易堵塞介質的流量計量,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方案

1.5.1結構組成

畢托巴流量裝置作為一種節能型產品(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),直接測量出介質的標況體積流量和質量流量。其結構示意圖如圖2所示。
圖2

1.5.2密度測量系統工作原理

瓦斯氣密度測量系統由采樣泵、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。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,以滿足一般區域和防爆區域應用的要求。該密度測量系統不僅可以連續測量氣體密度,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

特殊開發的流量積算儀具有相關管道流體修正數據, 管道數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據修正;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控現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、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據。建議瓦斯氣計量要整體布局,考慮投資和需求兩方面因素,根據不同的測量要求選擇組合的測量方案,實現瓦斯氣有效的計量和管理。

2.1采用綜合監控方案實施火炬氣排放監控案例

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

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

2.1.1實施方案

在煉油區8個重點區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,用于不同生產狀態的監測。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、瞬時質量流量及累計、實時分子量和流速,所有數據通過DCS進入瓦斯監控系統。

在煉油區25套裝置出口進行趨勢監控,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系統瓦斯監控系統,裝置一旦出現異常情況,監控系統上溫度或流量曲線就會表現出跳躍,再結合管線閥門的開關情況做出火炬氣排放狀態的判斷。

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域總管火炬氣超聲波及煉油裝置溫度+閥位監控,2009年煉油Ⅱ系列大修時組織實施。第二批監控項目在2011年煉油Ⅰ系列大修時組織實施。

2.1.2實施效果

第一批火炬監控項目實施后,相關區域總管排放量由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,實現了確保瓦斯回收,減少火炬排放的目標。煉油區域火炬排放量由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品為瓦斯管網補壓。項目預計每年效益874萬元以上,實現經濟和環保雙收益。

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

中石化股份天津分公司煉油部聯合八車間延遲焦化裝置的火炬氣管道規格是DN600,使用進口熱式質量流量計測量流量,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方式監控瓦斯氣運行狀態,裝置一旦出現異常,監控系統上溫度曲線就會表現出跳躍,再結合管線閥門的開關情況做出火炬氣排放狀態的判斷。2015年9月,在原熱式質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,流量計現場安裝圖如圖3所示。在控制室DCS系統上顯示的2#焦化裝置火炬氣出裝置流量曲線如圖4所示。
圖3

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。
圖4


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