超聲波氣體質(zhì)量流量計應用于煉廠(chǎng)氣安全監控

    1 概述

    煉廠(chǎng)氣（或稱(chēng)瓦斯氣）是煉油廠(chǎng)副產(chǎn)的氣態(tài)烴，主要來(lái)源于原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、延遲焦化、加氫裂化、催化重整、加氫精制等過(guò)程。不同來(lái)源的煉廠(chǎng)氣其組成各異（見(jiàn)表1），主要成分為C4以下的烷烴、烯烴以及氫氣和少量的氮氣、二氧化碳等氣體。煉廠(chǎng)氣的產(chǎn)率隨原油加工深度的不同而不同，深度加工的煉廠(chǎng)氣一般為原油加工量的6%（質(zhì)量）左右�？梢哉f(shuō)煉廠(chǎng)各加工裝置都得到一些常溫下是氣體的產(chǎn)物。

表1 各種來(lái)源的煉廠(chǎng)氣的典型組成    /%

    煉廠(chǎng)氣解決的方法基本上是進(jìn)行氣體分離，剩余部分或作為燃料氣。作為燃料氣部分的煉廠(chǎng)氣一般的流程為：裝置排放氣體至全廠(chǎng)燃料氣放空管網(wǎng)，由此進(jìn)入氣柜回收，再經(jīng)壓縮機壓縮進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)供裝置作燃料氣。

    裝置排放的燃料氣不能被有效監控，部分高價(jià)值組分作為燃料燒掉造成環(huán)境污染和資源浪費。對于燃料氣管網(wǎng)系統來(lái)講，產(chǎn)耗不平衡的現象時(shí)有發(fā)生，瓦斯產(chǎn)大于耗，氣柜超限時(shí)，需要通過(guò)瓦斯放火炬燃放來(lái)平衡；瓦斯產(chǎn)小于耗，瓦斯管網(wǎng)壓力不夠時(shí)，需要通過(guò)氣化重整C5、液化氣、天然氣等補烴來(lái)平衡，不可避免地造成了大量資源的浪費和對環(huán)境的污染；造成操作成本增加和安全隱患。

    解決這一問(wèn)題，關(guān)鍵在于對各裝置的排放煉廠(chǎng)氣進(jìn)行研究，找出其生成、組成、排放等規律，實(shí)現對燃料氣系統的統一指揮，消除煉廠(chǎng)氣的無(wú)序排放，達到徹底消除煉廠(chǎng)氣的排放，實(shí)現降低損耗，減少環(huán)境污染，節能減排的目標。

    2 方法

    2.1 分析

    排放煉廠(chǎng)氣由各生產(chǎn)裝置產(chǎn)生，由于裝置各異，排放壓力、氣體組分、流量各異，在管路中混合情況、流態(tài)都需詳細分析，確定連續介質(zhì)作為可壓縮氣體在可壓縮性呈顯著(zhù)作用時(shí)的流動(dòng)規律以及氣體和物體之間的相互作用規律，才能很好地對管網(wǎng)內混合氣體的狀態(tài)有明確的了解，進(jìn)一步對氣體進(jìn)行管控。

    催化裝置產(chǎn)出的干氣產(chǎn)率占新鮮原料的3%~6%，干氣中有乙烷、乙烯、甲烷及氫氣，少量的丙烷、丙烯和少量的輕重烴類(lèi)。一般甲烷小于碳二4]。加氫裂化產(chǎn)生的氣體為低分子烴類(lèi)（碳四以下）、非烴化合物（硫化氫等）、氫氣帶入的一氧化碳、氮氣等。兩者流速、溫度、壓強、密度都不相同。為此，需對排放氣體在管網(wǎng)中的狀態(tài)加以分析，確定多相流在固定管路中的狀態(tài)是否能模擬，從而確定管網(wǎng)內氣體可控，進(jìn)一步采取手段達到煉廠(chǎng)氣平衡調控。

    由于多相流技術(shù)具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益，世界石油工業(yè)界加大了研究力度，先后建立了大型研究中心，專(zhuān)門(mén)從事多相流研究工作。對于煉油企業(yè)工藝復雜，大時(shí)滯，強擾動(dòng)連續的工業(yè)過(guò)程，一般不可能建立準確的瓦斯預測模型，需要依賴(lài)實(shí)時(shí)性對該過(guò)程中的預測模型進(jìn)行在線(xiàn)校正。當兩者之間的差異大于預定閾值時(shí)，需要干預。對于煉化企業(yè)裝置特殊工況如緊急停車(chē)等無(wú)法控制，還需要安裝在各裝置排放口的流量計提供數據支持。有鑒于此，采用流量計監控煉廠(chǎng)氣排放狀況是最直觀(guān)、最容易接受的方法。

    2.2 氣體質(zhì)量流量計的應用

    2.2.1 煉廠(chǎng)排放氣的狀況分析

    在《中國石油化工股份公司煉油火炬系統安全運行指導意見(jiàn)》及《石油石化可燃氣體排放系統設計規范》中要求，“可出現凝結液的可燃性氣體排放管道末端的馬赫數不宜大于0.5”。以某公司為例，其排放的煉廠(chǎng)氣由多套生產(chǎn)裝置產(chǎn)生，在進(jìn)入火炬前得速度為小于0.5Ma。這樣可以認為管線(xiàn)內煉廠(chǎng)氣可視為不可壓縮流體，其性質(zhì)是任何擾動(dòng)立即傳播到整個(gè)流場(chǎng)。因此可以認為管路末端火炬入口各裝置排放氣完全混合。利用流量計可以對排放的煉廠(chǎng)氣計量，但由于火炬排放的煉廠(chǎng)氣量程比很寬，最高達2700多倍，一般的流量計并不適用，因此，采用氣體超聲波質(zhì)量流量計計量煉廠(chǎng)排放氣就成為首選。

    2.2.2 氣體超聲波質(zhì)量流量計應用

    1980年后國外開(kāi)發(fā)出氣體超聲波質(zhì)量流量計，可以對火炬排放煉廠(chǎng)氣這種組分變化極大、流量變化巨大、流速快的介質(zhì)進(jìn)行計量。其原理是利用時(shí)差法，具體為利用超聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理測量流體流量。其優(yōu)勢在于：量程比大（對于專(zhuān)用火炬超聲波流量計量程比大2750∶1）；適用于氣體組分的急劇變化，對脈動(dòng)流等不穩定流不受影響；不受流體的物理性質(zhì)和參數影響；輸出與流量呈良好線(xiàn)性；測量精度高；響應快速。超聲波質(zhì)量流量計在火炬排放氣系統中，可以應用于泄漏監測、全廠(chǎng)物料平衡狀況和蒸汽注入量的控制。

    超聲波氣體質(zhì)量流量計用于煉廠(chǎng)氣的平衡監測，可以避免有用的煉廠(chǎng)氣大量損失，環(huán)保排放超標。超聲波質(zhì)量流量計可以測出瞬間排放氣平均分子量，與裝置排放氣平均分質(zhì)量進(jìn)行對比，對裝置亂排亂放進(jìn)行有效的監管，為煉廠(chǎng)氣的平衡及減少排放提供了可靠的工具，同時(shí)還可以估算出煉廠(chǎng)的總產(chǎn)氣量。

    超聲波質(zhì)量流量計還可用于控制火炬頂端蒸汽的注入量，掌握了火炬內精確的氣體流量與平均分子量，火炬頂端的蒸汽需求量可被精確控制，符合污染控制規章的同時(shí)實(shí)現節能。

    2.2.3 應用的注意點(diǎn)

    超聲波氣體質(zhì)量流量計應用于火炬排放氣的測量，可以大大提高計量精度，精確度等級可達±0.1級，重復性達到允許誤差的1/3[6]，但應用中要注意以下幾個(gè)方面：

    （1）超聲波氣體質(zhì)量流量計安裝要保留前后直管段。由于火炬排放前管線(xiàn)內排放氣速度變化大，流速廓形畸變，旋轉流（渦流）以及脈動(dòng)流等流體流態(tài)特性變化及影響存在旋流等現象，為了獲得流體沿管道中心平行對稱(chēng)地流動(dòng)，應充分保證超聲波質(zhì)量流量計前后直管段的長(cháng)度，確保流場(chǎng)的充分發(fā)展，否則將影響其數學(xué)模型。因此，超聲波氣體質(zhì)量流量計前后直管段要求為前20D后5D為宜。

    （2）超聲波氣體質(zhì)量流量計宜設溫度壓力補償。

    （3）減少聲波干擾源。聲波干擾對超聲波氣體質(zhì)量流量計計量干擾影響很大，安裝位置要遠離噪音源，避免管路震動(dòng)及其他附近管線(xiàn)的震動(dòng)影響，避開(kāi)主要噪聲頻率帶，降低超聲波流量計對噪聲的敏感性。

    （4）加強煉廠(chǎng)排放氣的脫液工作。超聲波質(zhì)量流量計適用于較純凈的介質(zhì)，受固體液體顆粒影響較大，嚴重的可造成流量計不工作。在進(jìn)入質(zhì)量流量計前要充分利用脫液裝置、氣液分離裝置將煉廠(chǎng)排放氣中的固體、液體顆粒脫出。

    （5）安裝位置。超聲波氣體質(zhì)量流量計安裝在火炬排放管線(xiàn)上，從經(jīng)濟的角度考慮將超聲波氣體質(zhì)量流量計安裝于火炬末端，裝置出口不再安裝；從技術(shù)角度考慮排放氣在到達火炬終點(diǎn)時(shí)混合最為均勻，聲波干擾源最少。

    （6）聲程選擇。采用多少聲程聲道的主要依據是測量精確度要求和安裝儀表管段流動(dòng)狀況以及管徑大小。一般對于火炬系統這種大口徑復雜應用的管道可選用單聲程或雙聲程，安裝簡(jiǎn)單。

    3 結論

    超聲波氣體質(zhì)量流量計以其大量程、大口徑、高精度及特有的測量平均分子量的優(yōu)勢，在煉廠(chǎng)排放氣測量中得到越來(lái)愈多的應用，并取得良好的效果。尤其是在火炬氣泄漏的快速查找、工藝隱患的及早發(fā)現，煉廠(chǎng)系統煉廠(chǎng)氣精確平衡方面應用效果良好。