摘要:在硫磺回收的工艺装置中,由于测量特殊酸性气体的质量流量较困难,提出了具有可测量相对分子质量,能够应对多组分气体并通过压力补偿,以及温度补偿计算的气体超声波流量计测量方案。介绍了硫磺回收工艺装置中气体流量的特点、气体超声波流量计原理以及安装设计、出现的问题及技术改造,为同类型装置提供参考和选择。
随着中国炼化一体化项目的快速发展，硫磺回收装置规模快速增大及套数不断增多，同时国家对化工装置清洁生产、环保排放的要求更加严苛,作为炼化一体化项目配套环保装置,硫磺回收装置的重要性不言而喻。作为硫磺回收装置主进料,酸性气体积流量的测量要求稳定且精度高,关系到酸性气与燃烧空气、燃料气的配比控制,对装置安全稳定长周期运行至关重要。
1硫磺回收装置简介
16Mt/a炼化一体化配套建设总规模为4X0.15Mt/a硫磺回收装置,硫磺回收装置配套尾气处理设施以保证硫回收率达到99.99%以上,SO2排放质量浓度ρ(SO2)<35mg/m3的要求。
硫磺回收装置三级克劳斯工艺流程如图1所示。硫磺回收装置采用三级常规克劳斯主燃烧炉和氨法烟气脱硫工艺,并烟气排放ρ(SO2)≤35mg/m3的超洁净排放的措施,适应将来更严格的环保要求。
2硫磺回收装置酸性气流量的特点
主燃烧炉有三路酸性气,分别是从溶剂再生及加氢酸性水汽提来的清洁酸性气、非加氢酸性水汽提来的含氨酸性气、IGCC装置(即气化装置、净化装置、甲烷化装置及清洁中心)来的IGCC酸性气,三路酸性气经分液罐气液分离后,部分清洁酸性气与IGCC酸性气混合,经加热后再与含氨酸性气混合,进入主燃烧炉反应室的主燃烧器,剩余部分的清洁酸性气从主燃烧炉中部进入。与酸性气燃烧反应所需的燃烧空气供给量需根据主燃烧炉反应需氧量通过比值复杂调节严格控制，经燃烧将酸性气中的氨和烃类等有机物全部分解,在燃烧炉内大部分H2S进行高温克劳斯反应后转化为硫,余下的H2S中小部分转化为SO2。
1)三路酸性气参考组分见表1所列,可见三路酸性气的组分差别较大,混合后酸性气组分范围更大。因此,从组分角度看,酸性气体积流量测量难度大,特别是相对分子质量的测量。
2)克劳斯反应部分流程(酸性气部分)如图2所示，酸性气有三路,清洁酸性气来自溶剂再生装置和加氢汽提装置,溶剂再生装置有4套;含氨酸性气来自非加氢汽提装置;IGCC酸性气来自煤气化净化装置，煤气化净化装置有2套。酸性气路数较多且相互独立，每路酸性气装置运行工况直接影响三路酸性气的工况,特别是酸性气的流量。从上游酸性气装置运行工况角度看,酸性气体积流量测量难度也大。
3)主燃烧炉控制方案是前馈-比值-反馈复杂控制,其目的是控制主燃烧炉燃烧反应，控制合适的炉膛温度,并合理配风使去尾气净化单元的过程气中φ(H2S)-2φ(SO2)=0,保证硫磺回收单元的最大硫回收率。供给主燃烧室合适的空气量是重要的，如空气不足将产生过剩H2S;反之,空气过量将使SO2过剩。以上两种情况都将导致主燃烧炉硫回收减少,为了避免上述情形,主配风通过对清洁酸性气、含氨酸性气酸、IGCC酸性气和燃料气的体积流量进行比值控制。从工艺控制角度看,酸性气体积流量测量很关键。
4）清洁酸性气安全仪表系统(SIS)联锁如图3所示,因三路酸性气对主燃烧炉正常运行是相互独立的，同时考虑到其中一路或两路酸性气突然中断或体积流量降低,防止酸性气倒窜回火,三路酸性气流量低低参与清洁酸性气SIS联锁。综上四点，三路酸性气流量计测量结果的正确性及稳定性至关重要。
3气体超声波流量计在硫磺回收装置中的应用
硫磺回收装置一般位于炼油装置的下游,从上游装置排放出来的酸性气体进人该装置。三路酸性气体的组分是一个动态变化的过程,要求流量计量具备对气体组分变化识别的能力,具有大量程比，且考虑到酸性气体的剧毒性,要求选择一种可以现场密闭测量、在线维护和自动标定的仪表。
以往国内很多炼化企业采用传统的流量测量，如热式气体流量计、气体涡街流量计和气体质量流量计等,但在实际应用中并不能满足硫磺回收装置酸性气体测量的要求,例如:热式气体流量计响应慢、被测量气体组分变化大的场所,测量值会有较大的变化而产生误差;气体涡街流量计的发生体易被介质污染,改变几何尺寸之后,对测量精度造成很大影响。因此，可以选择气体超声波流量计用于硫磺回收装置三路酸性气体的体积流量测量。
4气体超声波流量计的测量原理
气体超声波流量计测量原理如图4所示。它是利用1对超声波传感器安装在管段上下游两侧，传感器A和传感器B相互发送和接收超声波信号,通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播的时间差值来计算流速,从而可应用流速来计算介质体积流量的一种间接测量方法。
由图4可知,1对超声波流量计传感器A和传感器B分别安装在管段两侧,即顺流传感器和逆流传感器,并相距-定的距离,管段内径为d,超声波在介质中传播路径为L,介质流速ʋ和L的夹角为θ,超声波顺流方向传播时间tAB和超声波逆流方向传播时间tBa,可用公式(1)来表示:
式中:c一超声波在非流动介质中的声速
利用tAB和tBA之差计算介质流速如式(2)所示:
由式(2)可见:当c和Lcosθ为固定常数时,v和△t成正比,体积流量qv计算如式(3)所示:
以上即为测量所得的流体流速和体积流量，在对流体的温度和压力测量值补偿运算后得到正确的流量值。
5气体超声波流量计的性能和特点
酸性气超声波流量计测量时采用时差法原理,利用超声波信号在流体中的传播速度和流体流动速度的叠加和叠减关系进行测量。该型流量计能够通过去除各种无效信号、接收有效信号,经过补偿后,较于同类型产品精度更高,且能识别不同的流场。通过修正参数,大幅提高时间计算和测量的精度。该型流量计可测量相对分子质量,能够应对多组分气体并正确监测到气体变化，并且通过压力补偿以及温度补偿计算出体积流量,相对于传统的流量计，气体超声波流量计优势明显。
该流量计可以双向测量,配置1对、2对、3对或4对测量探头。1对探头测量时，当正向流速和反向流速为0.03~120m/s,正向和反向流量测量精度均满足读数的1.5%~3.0%;2对探头测量时，当正向流速和反向流速为0.03~120m/s,正向和反身流量测量精度均满足读数的1.5%~2.0%。3对探头测量时,当正向流速和反向流速为0.03~120m/s,正向和反向流量测量精度均满足读数的1.0%~1.5%。4对探头测量时，当正向流速和反向流速为0.03~120m/s时,正向和反向流量测量精度均满足读数的0.5%~1.5%。
综上所述，该型流量计满足测量大量程比、腐蚀性有毒气体流量的要求。
6超声波流量计在硫磺回收装置上的安装设计
该型流量计包括1对传感器前置放大器和变送器,流量计采用偏置垂直90°安装,传感器插入到预先安装好的便于在线插拔的球阀中。球阀主要结构由连接支管、球阀主体、在线插拔附件组成,该设计实现了不停产情况下在线维护装卸。变送器和传感器连接线缆长度最大可以达到300m,适用于任何特殊现场状况。
7出现问题及技术改造
该超声波流量计自安装投用以来,陆续出现了以下问题:
1)施工单位安装出现了部分探头的轴心不对中的问题,造成调试时接收端探头信号强度不够。在供应商技术人员现场指导下,均已解决。
2)流量计供电电压的变更,由220V(AC)改为24V(DC)。在技术的帮助下,均已解决。
3)流量温度、压力补偿实现方式的变动。起初考虑通过DCS软件组态,对温度、压力进行补偿,实现DCS配风调节控制功能，温 信号进DCS,压力信号进SIS(通过通信至DCS),SIS又设.置了酸性气流量联锁,但无法实现温度、压力补偿。为了避免两系统酸性气流量示值出现差别对工艺操作的影响，后改为现场流量计侧温度压力补偿。
4)因各路酸性气装置开工时序有差异或工艺介质带有油垢等情况,出现了单路酸性气装置工况突变导致流量计示值骤降,但酸性气压力未降低，从而触发酸性气联锁。
探讨了清洁酸性气在三路酸性气中属于主物料，针对清洁酸性气管线，开展了“清洁酸性气流量低低与清洁酸性气压差“二取二,触发清洁酸性气联锁”技术改造。清洁酸性气压差,即清洁酸性气压力-主燃烧炉入口空气压力,2个压力点信号进SIS,在SIS中作差值运算。在清洁酸性气单法兰压力变送器取压处,加Y型三通、再增加1个清洁酸性气单法兰压力检测点。两路压力信号,一路去现场流量计侧作温压补偿，一路去sIS参与联锁。
8结束语
作为硫磺回收装置主进料，酸性气超声波流量计的测量要求稳定且精度高,关系到酸性气与燃烧空气、燃料气的配比控制，对装置安全稳定长周期运行至关重要。通过该项目气体超声波流量计的实践,特别是一系列的技术改进，对气体超声波流量计在硫磺回收装置的应用有借鉴意义。在气体超声波流量计发展方面,如国内供应商能结合项目实践不断优化方案设计和改进产品，将有利于提升国内产品的竞争力。
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