摘要:在硫磺回收的工藝裝置中,由于測量特殊酸性氣體的質(zhì)量流量較困難,提出了具有可測量相對(duì)分子質(zhì)量,能夠應(yīng)對(duì)多組分氣體并通過壓力補(bǔ)償,以及溫度補(bǔ)償計(jì)算的氣體超聲波流量計(jì)測量方案。介紹了硫磺回收工藝裝置中氣體流量的特點(diǎn)、氣體超聲波流量計(jì)原理以及安裝設(shè)計(jì)、出現(xiàn)的問題及技術(shù)改造,為同類型裝置提供參考和選擇。
隨著中國煉化一體化項(xiàng)目的快速發(fā)展，硫磺回收裝置規(guī)模快速增大及套數(shù)不斷增多，同時(shí)國家對(duì)化工裝置清潔生產(chǎn)、環(huán)保排放的要求更加嚴(yán)苛,作為煉化一體化項(xiàng)目配套環(huán)保裝置,硫磺回收裝置的重要性不言而喻。作為硫磺回收裝置主進(jìn)料,酸性氣體積流量的測量要求穩(wěn)定且精度高,關(guān)系到酸性氣與燃燒空氣、燃料氣的配比控制,對(duì)裝置安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行至關(guān)重要。
1硫磺回收裝置簡介
16Mt/a煉化一體化配套建設(shè)總規(guī)模為4X0.15Mt/a硫磺回收裝置,硫磺回收裝置配套尾氣處理設(shè)施以保證硫回收率達(dá)到99.99%以上,SO2排放質(zhì)量濃度ρ(SO2)<35mg/m3的要求。
硫磺回收裝置三級(jí)克勞斯工藝流程如圖1所示。硫磺回收裝置采用三級(jí)常規(guī)克勞斯主燃燒爐和氨法煙氣脫硫工藝,并煙氣排放ρ(SO2)≤35mg/m3的超潔凈排放的措施,適應(yīng)將來更嚴(yán)格的環(huán)保要求。
2硫磺回收裝置酸性氣流量的特點(diǎn)
主燃燒爐有三路酸性氣,分別是從溶劑再生及加氫酸性水汽提來的清潔酸性氣、非加氫酸性水汽提來的含氨酸性氣、IGCC裝置(即氣化裝置、凈化裝置、甲烷化裝置及清潔中心)來的IGCC酸性氣,三路酸性氣經(jīng)分液罐氣液分離后,部分清潔酸性氣與IGCC酸性氣混合,經(jīng)加熱后再與含氨酸性氣混合,進(jìn)入主燃燒爐反應(yīng)室的主燃燒器,剩余部分的清潔酸性氣從主燃燒爐中部進(jìn)入。與酸性氣燃燒反應(yīng)所需的燃燒空氣供給量需根據(jù)主燃燒爐反應(yīng)需氧量通過比值復(fù)雜調(diào)節(jié)嚴(yán)格控制，經(jīng)燃燒將酸性氣中的氨和烴類等有機(jī)物全部分解,在燃燒爐內(nèi)大部分H2S進(jìn)行高溫克勞斯反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為硫,余下的H2S中小部分轉(zhuǎn)化為SO2。
1)三路酸性氣參考組分見表1所列,可見三路酸性氣的組分差別較大,混合后酸性氣組分范圍更大。因此,從組分角度看,酸性氣體積流量測量難度大,特別是相對(duì)分子質(zhì)量的測量。
2)克勞斯反應(yīng)部分流程(酸性氣部分)如圖2所示，酸性氣有三路,清潔酸性氣來自溶劑再生裝置和加氫汽提裝置,溶劑再生裝置有4套;含氨酸性氣來自非加氫汽提裝置;IGCC酸性氣來自煤氣化凈化裝置，煤氣化凈化裝置有2套。酸性氣路數(shù)較多且相互獨(dú)立，每路酸性氣裝置運(yùn)行工況直接影響三路酸性氣的工況,特別是酸性氣的流量。從上游酸性氣裝置運(yùn)行工況角度看,酸性氣體積流量測量難度也大。
3)主燃燒爐控制方案是前饋-比值-反饋復(fù)雜控制,其目的是控制主燃燒爐燃燒反應(yīng)，控制合適的爐膛溫度,并合理配風(fēng)使去尾氣凈化單元的過程氣中φ(H2S)-2φ(SO2)=0,保證硫磺回收單元的最大硫回收率。供給主燃燒室合適的空氣量是重要的，如空氣不足將產(chǎn)生過剩H2S;反之,空氣過量將使SO2過剩。以上兩種情況都將導(dǎo)致主燃燒爐硫回收減少,為了避免上述情形,主配風(fēng)通過對(duì)清潔酸性氣、含氨酸性氣酸、IGCC酸性氣和燃料氣的體積流量進(jìn)行比值控制。從工藝控制角度看,酸性氣體積流量測量很關(guān)鍵。
4）清潔酸性氣安全儀表系統(tǒng)(SIS)聯(lián)鎖如圖3所示,因三路酸性氣對(duì)主燃燒爐正常運(yùn)行是相互獨(dú)立的，同時(shí)考慮到其中一路或兩路酸性氣突然中斷或體積流量降低,防止酸性氣倒竄回火,三路酸性氣流量低低參與清潔酸性氣SIS聯(lián)鎖。綜上四點(diǎn)，三路酸性氣流量計(jì)測量結(jié)果的正確性及穩(wěn)定性至關(guān)重要。
3氣體超聲波流量計(jì)在硫磺回收裝置中的應(yīng)用
硫磺回收裝置一般位于煉油裝置的下游,從上游裝置排放出來的酸性氣體進(jìn)人該裝置。三路酸性氣體的組分是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程,要求流量計(jì)量具備對(duì)氣體組分變化識(shí)別的能力,具有大量程比，且考慮到酸性氣體的劇毒性,要求選擇一種可以現(xiàn)場密閉測量、在線維護(hù)和自動(dòng)標(biāo)定的儀表。
以往國內(nèi)很多煉化企業(yè)采用傳統(tǒng)的流量測量，如熱式氣體流量計(jì)、氣體渦街流量計(jì)和氣體質(zhì)量流量計(jì)等,但在實(shí)際應(yīng)用中并不能滿足硫磺回收裝置酸性氣體測量的要求,例如:熱式氣體流量計(jì)響應(yīng)慢、被測量氣體組分變化大的場所,測量值會(huì)有較大的變化而產(chǎn)生誤差;氣體渦街流量計(jì)的發(fā)生體易被介質(zhì)污染,改變幾何尺寸之后,對(duì)測量精度造成很大影響。因此，可以選擇氣體超聲波流量計(jì)用于硫磺回收裝置三路酸性氣體的體積流量測量。
4氣體超聲波流量計(jì)的測量原理
氣體超聲波流量計(jì)測量原理如圖4所示。它是利用1對(duì)超聲波傳感器安裝在管段上下游兩側(cè)，傳感器A和傳感器B相互發(fā)送和接收超聲波信號(hào),通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播的時(shí)間差值來計(jì)算流速,從而可應(yīng)用流速來計(jì)算介質(zhì)體積流量的一種間接測量方法。
由圖4可知,1對(duì)超聲波流量計(jì)傳感器A和傳感器B分別安裝在管段兩側(cè),即順流傳感器和逆流傳感器,并相距-定的距離,管段內(nèi)徑為d,超聲波在介質(zhì)中傳播路徑為L,介質(zhì)流速ʋ和L的夾角為θ,超聲波順流方向傳播時(shí)間tAB和超聲波逆流方向傳播時(shí)間tBa,可用公式(1)來表示:
式中:c一超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速
利用tAB和tBA之差計(jì)算介質(zhì)流速如式(2)所示:
由式(2)可見:當(dāng)c和Lcosθ為固定常數(shù)時(shí),v和△t成正比,體積流量qv計(jì)算如式(3)所示:
以上即為測量所得的流體流速和體積流量，在對(duì)流體的溫度和壓力測量值補(bǔ)償運(yùn)算后得到正確的流量值。
5氣體超聲波流量計(jì)的性能和特點(diǎn)
酸性氣超聲波流量計(jì)測量時(shí)采用時(shí)差法原理,利用超聲波信號(hào)在流體中的傳播速度和流體流動(dòng)速度的疊加和疊減關(guān)系進(jìn)行測量。該型流量計(jì)能夠通過去除各種無效信號(hào)、接收有效信號(hào),經(jīng)過補(bǔ)償后,較于同類型產(chǎn)品精度更高,且能識(shí)別不同的流場。通過修正參數(shù),大幅提高時(shí)間計(jì)算和測量的精度。該型流量計(jì)可測量相對(duì)分子質(zhì)量,能夠應(yīng)對(duì)多組分氣體并正確監(jiān)測到氣體變化，并且通過壓力補(bǔ)償以及溫度補(bǔ)償計(jì)算出體積流量,相對(duì)于傳統(tǒng)的流量計(jì)，氣體超聲波流量計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。
該流量計(jì)可以雙向測量,配置1對(duì)、2對(duì)、3對(duì)或4對(duì)測量探頭。1對(duì)探頭測量時(shí)，當(dāng)正向流速和反向流速為0.03~120m/s,正向和反向流量測量精度均滿足讀數(shù)的1.5%~3.0%;2對(duì)探頭測量時(shí)，當(dāng)正向流速和反向流速為0.03~120m/s,正向和反身流量測量精度均滿足讀數(shù)的1.5%~2.0%。3對(duì)探頭測量時(shí),當(dāng)正向流速和反向流速為0.03~120m/s,正向和反向流量測量精度均滿足讀數(shù)的1.0%~1.5%。4對(duì)探頭測量時(shí)，當(dāng)正向流速和反向流速為0.03~120m/s時(shí),正向和反向流量測量精度均滿足讀數(shù)的0.5%~1.5%。
綜上所述，該型流量計(jì)滿足測量大量程比、腐蝕性有毒氣體流量的要求。
6超聲波流量計(jì)在硫磺回收裝置上的安裝設(shè)計(jì)
該型流量計(jì)包括1對(duì)傳感器前置放大器和變送器,流量計(jì)采用偏置垂直90°安裝,傳感器插入到預(yù)先安裝好的便于在線插拔的球閥中。球閥主要結(jié)構(gòu)由連接支管、球閥主體、在線插拔附件組成,該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了不停產(chǎn)情況下在線維護(hù)裝卸。變送器和傳感器連接線纜長度最大可以達(dá)到300m,適用于任何特殊現(xiàn)場狀況。
7出現(xiàn)問題及技術(shù)改造
該超聲波流量計(jì)自安裝投用以來,陸續(xù)出現(xiàn)了以下問題:
1)施工單位安裝出現(xiàn)了部分探頭的軸心不對(duì)中的問題,造成調(diào)試時(shí)接收端探頭信號(hào)強(qiáng)度不夠。在供應(yīng)商技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)下,均已解決。
2)流量計(jì)供電電壓的變更,由220V(AC)改為24V(DC)。在技術(shù)的幫助下,均已解決。
3)流量溫度、壓力補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方式的變動(dòng)。起初考慮通過DCS軟件組態(tài),對(duì)溫度、壓力進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)DCS配風(fēng)調(diào)節(jié)控制功能，溫 信號(hào)進(jìn)DCS,壓力信號(hào)進(jìn)SIS(通過通信至DCS),SIS又設(shè).置了酸性氣流量聯(lián)鎖,但無法實(shí)現(xiàn)溫度、壓力補(bǔ)償。為了避免兩系統(tǒng)酸性氣流量示值出現(xiàn)差別對(duì)工藝操作的影響，后改為現(xiàn)場流量計(jì)側(cè)溫度壓力補(bǔ)償。
4)因各路酸性氣裝置開工時(shí)序有差異或工藝介質(zhì)帶有油垢等情況,出現(xiàn)了單路酸性氣裝置工況突變導(dǎo)致流量計(jì)示值驟降,但酸性氣壓力未降低，從而觸發(fā)酸性氣聯(lián)鎖。
探討了清潔酸性氣在三路酸性氣中屬于主物料，針對(duì)清潔酸性氣管線，開展了“清潔酸性氣流量低低與清潔酸性氣壓差“二取二,觸發(fā)清潔酸性氣聯(lián)鎖”技術(shù)改造。清潔酸性氣壓差,即清潔酸性氣壓力-主燃燒爐入口空氣壓力,2個(gè)壓力點(diǎn)信號(hào)進(jìn)SIS,在SIS中作差值運(yùn)算。在清潔酸性氣單法蘭壓力變送器取壓處,加Y型三通、再增加1個(gè)清潔酸性氣單法蘭壓力檢測點(diǎn)。兩路壓力信號(hào),一路去現(xiàn)場流量計(jì)側(cè)作溫壓補(bǔ)償，一路去sIS參與聯(lián)鎖。
8結(jié)束語
作為硫磺回收裝置主進(jìn)料，酸性氣超聲波流量計(jì)的測量要求穩(wěn)定且精度高,關(guān)系到酸性氣與燃燒空氣、燃料氣的配比控制，對(duì)裝置安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行至關(guān)重要。通過該項(xiàng)目氣體超聲波流量計(jì)的實(shí)踐,特別是一系列的技術(shù)改進(jìn)，對(duì)氣體超聲波流量計(jì)在硫磺回收裝置的應(yīng)用有借鑒意義。在氣體超聲波流量計(jì)發(fā)展方面,如國內(nèi)供應(yīng)商能結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐不斷優(yōu)化方案設(shè)計(jì)和改進(jìn)產(chǎn)品，將有利于提升國內(nèi)產(chǎn)品的競爭力。
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