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分子質(zhì)量,能夠應(yīng)對多組分氣體并通過壓力補(bǔ)償,以及溫度補(bǔ)償計算的氣體超聲波流量計測量方案。介紹了硫磺回收工藝裝置中氣體流量的特點、氣體超聲波流量計原理以及安裝設(shè)計、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，同時國家對化工裝置清潔生產(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。
硫磺回收裝置三級克勞斯工藝流程如圖1所示。硫磺回收裝置采用三級常規(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
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,因三路酸性氣對主燃燒爐正常運(yùn)行是相互獨立的，同時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，三路酸性氣流量計測量結(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動態(tài)變化的過程,要求流量計量具備對氣體組分變化識別的能力,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、氣體渦街流量計和氣體質(zhì)量流量計等,但在實際應(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:熱式氣體流量計響應(yīng)慢、被測量氣體組分變化大的場所,測量值會有較大的變化而產(chǎn)生誤差;氣體渦街流量計的發(fā)生體易被介質(zhì)污染,改變幾何尺寸之后,對測量精度造成很大影響。因此，可以選擇氣體超聲波流量計用于硫磺回收裝置三路酸性氣體的體積流量測量。
4氣體超聲波流量計的測量原理
氣體超聲波流量計測量原理如圖4所示。它是利用1對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,通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播的時間差值來計算流速,從而可應(yīng)用流速來計算介質(zhì)體積流量的一種間接測量方法。
由圖4可知,1對超聲波流量計傳感器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間tAB和超聲波逆流方向傳播時間tBa,可用公式(1)來表示:
式中:c一超聲波在非流動介質(zhì)中的聲速
利用tAB和tBA之差計算介質(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,v和△t成正比,體積流量qv計算如式(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氣體超聲波流量計的性能和特點
酸性氣超聲波流量計測量時采用時差法原理,利用超聲波信號在流體中的傳播速度和流體流動速度的疊加和疊減關(guān)系進(jìn)行測量。該型流量計能夠通過去除各種無效信號、接收有效信號,經(jīng)過補(bǔ)償后,較于同類型產(chǎn)品精度更高,且能識別不同的流場。通過修正參數(shù),大幅提高時間計算和測量的精度。該型流量計可測量相對分子質(zhì)量,能夠應(yīng)對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)償計算出體積流量,相對于傳統(tǒng)的流量計，氣體超聲波流量計優(yōu)勢明顯。
該流量計可以雙向測量,配置1對、2對、3對或4對測量探頭。1對探頭測量時，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對探頭測量時，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對探頭測量時,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對探頭測量時，當(dāng)正向流速和反向流速為0.03~120m/s時,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超聲波流量計在硫磺回收裝置上的安裝設(shè)計
該型流量計包括1對傳感器前置放大器和變送器,流量計采用偏置垂直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)計實現(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中的問題,造成調(diào)試時接收端探頭信號強(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)償實現(xiàn)方式的變動。起初考慮通過DCS軟件組態(tài),對溫度、壓力進(jìn)行補(bǔ)償,實現(xiàn)DCS配風(fēng)調(diào)節(jié)控制功能，溫 信號進(jìn)DCS,壓力信號進(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)差別對工藝操作的影響，后改為現(xiàn)場流量計側(cè)溫度壓力補(bǔ)償。
4)因各路酸性氣裝置開工時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個壓力點信號進(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個清潔酸性氣單法蘭壓力檢測點。兩路壓力信號,一路去現(xiàn)場流量計側(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，對裝置安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行至關(guān)重要。通過該項目氣體超聲波流量計的實踐,特別是一系列的技術(shù)改進(jìn)，對氣體超聲波流量計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發(fā)展方面,如國內(nèi)供應(yīng)商能結(jié)合項目實踐不斷優(yōu)化方案設(shè)計和改進(jìn)產(chǎn)品，將有利于提升國內(nèi)產(chǎn)品的競爭力。
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