工业在硫磺回收装置中的应用

　　随着市场原油价格的不断提高，迫使炼油企业通过炼制相对低价的高硫高酸劣质化原油来降低成本，以保持企业的经济效益。而同时随着人民生活水平的提高，公众对环保要求日益重视，政府也加强了对节能减排工作的力度。这两者之间的矛盾就要求企业新上大规模硫磺回收装置以解决由于高含硫原料而产生的大量酸性气排放的环保问题。所以从2000年开始已经有越来越多的100kt/a以上规模的硫磺回收装置在国内新建。硫磺回收装置的主要工艺流程为上游装置来的排放酸性气在主反应炉内燃烧生成硫磺和尾气，然后进入下个工段进行加氢、急冷及溶剂再吸收，处理后的净化尾气去焚烧炉进行焚烧处理后达标排放。就硫磺装置而言，反应炉和焚烧炉是影响整个装置运行好坏的关键设备。而进反应炉的酸性气和进焚烧炉的燃料气流量测量效果的好坏对这两个炉子的控制有着重要的影响，相应也会对整个装置运行的平稳性和硫回收率的高低产生重大的影响。

　　2 硫磺回收装置酸性气和燃料气流量测量的特点

　　硫磺回收装置一般位于炼油厂装置的下游，从上游装置排放出的酸性气经汇集管线后形成较大的管路，最后进入此装置。由于设计规模的原因，工艺管线的尺寸范围一般为500～800mm。这就要求从经济角度出发选择一种投资较低的插入式仪表。

　　同时由于炼油厂原料的组成不同，一般要求装置有设计弹性。这就要求选择一种有较大量程比的仪表。

　　另外酸性气和燃料气都是从工厂系统管网进来的，由于上游装置的波动，这两者的组分会有较大的变化。酸性气来自上游的溶剂再生装置，其相对分子质量组成受原油中硫含量的高低和各个上游装置的类型负荷决定。燃料气来自管网，其相对分子质量组成受各生产装置的影响。这就要求选择一种能适应气体组分变化而不受影响的仪表。且考虑到酸性气的剧毒性，要求选择一种可以现场密闭测量，在线校正数据的仪表。

　　综上所述，选择一种可在线维护、压损较低、适应组分变化大、流速变化剧烈的插入式流量仪表成为一个新课题。以往国内很多炼油厂采用传统流量测量技术如差压、涡街和插入式热质量等方法试用于酸性气和燃料气的测量。但实际应用中却远不能满足测量控制需求，主要是受限于低速、无法追踪不稳定或脉动流、量程比有限、无法承受污染如液体附着、侵蚀等以及无法适用气体组分的变化。很多仪表被闲置或频繁维护，这实际上造成了很大的投资贬值与浪费。

　　硫磺回收装置的工艺对象与炼油厂火炬气流量测量比较相似，因此选择火炬气作为解决以上问题的方法[1]。

　　3 超声波流量计的测量原理

　　时差法超声波流量计工作原理如图1所示[2-3]。它是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

　　图1中有2个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L，超声波顺流传播距离L的时间为td，逆流为tu，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。td和tu可用式(1)表示：

　　式中c———超声波在非流动介质中的声速;v———流体介质的流动速度。

　　tu和td之间的差如式(2)所示：

　　式中X———两个换能器在管线方向上的间距。

　　由此可见，当c和X为固定的常数时，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量qV就可以同式(3)表示：

　　以上测量所得的是流体的体积流量，在引入流体的温度，压力，相对分子质量等测量值进行补偿运算后就可以得到比较高精度的流体质量流量。

　　运用超声波时差法原理，在测量得到顺流、逆流声波传播时间平均值的情况下可以进一步根据“平均传播时间=声程/声速”的原理，计算得出声波在介质中传播速度，即声速。由于固定介质在已知温度和已知压力情况下声速是保持不变的物理量，因此声速的测量可以推算出流体内介质的组成成分及分子量数据。

　　4 火炬气超声波流量计的性能

　　GESensing公司的GF868火炬气流量采用超声波时差法的原理对火炬气类介质流量进行测量。它秉承了超声波流量测量的优势，具有高精度、快速响应、高可靠性、宽量程比等特点;利用相互时差技术，结合数字信号处理，具有相对分子质量测量功能。还可以对气体的实际声速进行二次测量，在测得气体声速后，再通过流量计电子设备中内设的一项获得专利的算法计算后，就可以通过声速、压力和温度测量出气体的平均相对分子质量。相较于传统思路利用色谱分析仪进行气体组分分析而得出气体平均相对分子质量的方法，尽管GF868火炬气超声波流量计在平均相对分子质量分析上无法达到色谱分析仪的精度，但在酸性气和燃料气测量控制领域上做定性判断已经足够。这样只用1台超声波流量计就可结合流量测量和相对分子质量测量的功能，粗略推算出气体组分的大概变化。

　　GF868火炬气超声波流量计在选用BWT技术的探头并加缓冲棒系统后，可以使用于-190～450℃的气体环境，具有抗高速流体产生冲击的能力，最高可以适用10MPa的工作压力，还有很高的抗腐蚀能力，适用于酸性气测量环境。

　　正常运行情况下，火炬气超声波流量计可以测量0.1～0.5m/s的低流速流体，极端情况下满足最低流速0.03m/s的测量。当出现“扰动”时，火炬气超声波流量计可测量高达80m/s的高流速流体，并且满足双向流体的要求。GF868火炬气超声波流量计采用插入式探头，可以满足工艺管线直径从76mm～3m的变化，具有较宽的工作范围，其量程比高达2750∶1，1台GF868就可满足所能遇到的绝大多数工况的流量测量。

　　该流量计可以配置1对或2对测量探头。单对声道测量时，当流速在±0.3～±85m/s之间，流量测量精度满足读数的±2%～5%。双对声道测量时，当流速在±0.3～±85m/s之间，流量测量精度满足读数的±1.4%～3.5%。测量相对分子质量时，测量精度满足±1.8%。

　　综上所述，GF868火炬气超声波流量计满足测量变组分大量程比腐蚀性有毒气体流量的要求，是硫磺回收装置中酸性气和燃料气流量测量的最佳选择。

　　5 火炬气超声波流量计的安装设计

　　GF868火炬气超声波流量测量系统包括一对(每个通道一对)，前置放大器和1台现场变送器。

　　GF868火炬气超声波流量计的传感器分为T1型(钛传感器外壳与不锈钢管紧固联接而成)和T2(钛传感器外壳与钛管焊接而成)两类。其材料可以选择钛、Hastelloy，Monel和316不锈钢。传感器可以安装在预先加工好的带机械插拔装置接口的测量管上。也可以通过热钻孔或冷钻孔的方式直接在线将机械插拔装置安装在工艺管道上，与工艺管道的连接为法兰。前者相对费用高但安装精度好，一般用于小口径管道的应用。安装于管线上的超声波传感器向气体顺流和逆流发射超声波信号。每一个传感器都能发射和接收超声波信号。

　　考虑到管路中流体可能存在的固体颗粒分布，传感器一般应水平安装。选择测量管路时应该尽量避免选用流体自上向下流动的竖直管线。传感器安装位置应远离弯头、变径、阀门、节流装置，安装点直管段的要求满足前20D后10D(D为管线直径)，如有阀门、泵、变径、节流装置等，直管段应适当再加长。

　　防爆型前置放大器一般要求就地放于传感器附近，以达到良好的信号传递功能。传感器电缆最大长度可以达到300m。在现场恶劣的条件下，可以集中将变送器放于室内。如将变送器机箱放于室外时可以选择铝加环氧树脂涂层或不锈钢的防爆外壳。

　　GF868火炬气超声波流量计的变送器内置流量计算机，存储器(线性或循环)可记录超过4.3×105个流量数据点。内置最新改进的分子量算法，基于温度和压力修正声速，具有较强的计算校正功能。变送器部分能够精确地测量声波在两个传感器之间传播所用的时间，分别测量顺流方向和逆流方向超声波传播所需的时间。流速越高，顺流和逆流传播时间之间的测量差值(即时间差)就越大。实际体积流量是流速和管道内横截面积的乘积。通过外置变送器输入的气体温度和压力信号，就可以计算出标准体积流量。再通过流量计本身测量出的气体平均相对分子质量，还能计算出流体的质量流量。变送器有2个独立设置的64×128像素LCD图像显示器，以数字或图形方式显示流量数据，也可显示记录的数据及诊断值。变送器通过39键触觉反馈膜键盘设定实时计算流速，即时平均分子量，质量流量及其他流量参数。还可同时处理其他工作，诸如设定、记录、校准以及数据输出和自诊断。