超声波气体质量流量计应用于炼厂气安全监控

    1 概述

    炼厂气（或称瓦斯气）是炼油厂副产的气态烃，主要来源于原油蒸馏、催化裂化、热裂化、延迟焦化、加氢裂化、催化重整、加氢精制等过程。不同来源的炼厂气其组成各异（见表1），主要成分为C4以下的烷烃、烯烃以及氢气和少量的氮气、二氧化碳等气体。炼厂气的产率随原油加工深度的不同而不同，深度加工的炼厂气一般为原油加工量的6%（质量）左右。可以说炼厂各加工装置都得到一些常温下是气体的产物。

表1 各种来源的炼厂气的典型组成    /%

    炼厂气解决的方法基本上是进行气体分离，剩余部分或作为燃料气。作为燃料气部分的炼厂气一般的流程为：装置排放气体至全厂燃料气放空管网，由此进入气柜回收，再经压缩机压缩进入燃料气管网供装置作燃料气。

    装置排放的燃料气不能被有效监控，部分高价值组分作为燃料烧掉造成环境污染和资源浪费。对于燃料气管网系统来讲，产耗不平衡的现象时有发生，瓦斯产大于耗，气柜超限时，需要通过瓦斯放火炬燃放来平衡；瓦斯产小于耗，瓦斯管网压力不够时，需要通过气化重整C5、液化气、天然气等补烃来平衡，不可避免地造成了大量资源的浪费和对环境的污染；造成操作成本增加和安全隐患。

    解决这一问题，关键在于对各装置的排放炼厂气进行研究，找出其生成、组成、排放等规律，实现对燃料气系统的统一指挥，消除炼厂气的无序排放，达到彻底消除炼厂气的排放，实现降低损耗，减少环境污染，节能减排的目标。

    2 方法

    2.1 分析

    排放炼厂气由各生产装置产生，由于装置各异，排放压力、气体组分、流量各异，在管路中混合情况、流态都需详细分析，确定连续介质作为可压缩气体在可压缩性呈显著作用时的流动规律以及气体和物体之间的相互作用规律，才能很好地对管网内混合气体的状态有明确的了解，进一步对气体进行管控。

    催化装置产出的干气产率占新鲜原料的3%~6%，干气中有乙烷、乙烯、甲烷及氢气，少量的丙烷、丙烯和少量的轻重烃类。一般甲烷小于碳二4]。加氢裂化产生的气体为低分子烃类（碳四以下）、非烃化合物（硫化氢等）、氢气带入的一氧化碳、氮气等。两者流速、温度、压强、密度都不相同。为此，需对排放气体在管网中的状态加以分析，确定多相流在固定管路中的状态是否能模拟，从而确定管网内气体可控，进一步采取手段达到炼厂气平衡调控。

    由于多相流技术具有显著的经济效益，世界石油工业界加大了研究力度，先后建立了大型研究中心，专门从事多相流研究工作。对于炼油企业工艺复杂，大时滞，强扰动连续的工业过程，一般不可能建立准确的瓦斯预测模型，需要依赖实时性对该过程中的预测模型进行在线校正。当两者之间的差异大于预定阈值时，需要干预。对于炼化企业装置特殊工况如紧急停车等无法控制，还需要安装在各装置排放口的流量计提供数据支持。有鉴于此，采用流量计监控炼厂气排放状况是最直观、最容易接受的方法。

    2.2 气体质量流量计的应用

    2.2.1 炼厂排放气的状况分析

    在《中国石油化工股份公司炼油火炬系统安全运行指导意见》及《石油石化可燃气体排放系统设计规范》中要求，“可出现凝结液的可燃性气体排放管道末端的马赫数不宜大于0.5”。以某公司为例，其排放的炼厂气由多套生产装置产生，在进入火炬前得速度为小于0.5Ma。这样可以认为管线内炼厂气可视为不可压缩流体，其性质是任何扰动立即传播到整个流场。因此可以认为管路末端火炬入口各装置排放气完全混合。利用流量计可以对排放的炼厂气计量，但由于火炬排放的炼厂气量程比很宽，最高达2700多倍，一般的流量计并不适用，因此，采用气体超声波质量流量计计量炼厂排放气就成为首选。

    2.2.2 气体超声波质量流量计应用

    1980年后国外开发出气体超声波质量流量计，可以对火炬排放炼厂气这种组分变化极大、流量变化巨大、流速快的介质进行计量。其原理是利用时差法，具体为利用超声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理测量流体流量。其优势在于：量程比大（对于专用火炬超声波流量计量程比大2750∶1）；适用于气体组分的急剧变化，对脉动流等不稳定流不受影响；不受流体的物理性质和参数影响；输出与流量呈良好线性；测量精度高；响应快速。超声波质量流量计在火炬排放气系统中，可以应用于泄漏监测、全厂物料平衡状况和蒸汽注入量的控制。

    超声波气体质量流量计用于炼厂气的平衡监测，可以避免有用的炼厂气大量损失，环保排放超标。超声波质量流量计可以测出瞬间排放气平均分子量，与装置排放气平均分质量进行对比，对装置乱排乱放进行有效的监管，为炼厂气的平衡及减少排放提供了可靠的工具，同时还可以估算出炼厂的总产气量。

    超声波质量流量计还可用于控制火炬顶端蒸汽的注入量，掌握了火炬内精确的气体流量与平均分子量，火炬顶端的蒸汽需求量可被精确控制，符合污染控制规章的同时实现节能。

    2.2.3 应用的注意点

    超声波气体质量流量计应用于火炬排放气的测量，可以大大提高计量精度，精确度等级可达±0.1级，重复性达到允许误差的1/3[6]，但应用中要注意以下几个方面：

    （1）超声波气体质量流量计安装要保留前后直管段。由于火炬排放前管线内排放气速度变化大，流速廓形畸变，旋转流（涡流）以及脉动流等流体流态特性变化及影响存在旋流等现象，为了获得流体沿管道中心平行对称地流动，应充分保证超声波质量流量计前后直管段的长度，确保流场的充分发展，否则将影响其数学模型。因此，超声波气体质量流量计前后直管段要求为前20D后5D为宜。

    （2）超声波气体质量流量计宜设温度压力补偿。

    （3）减少声波干扰源。声波干扰对超声波气体质量流量计计量干扰影响很大，安装位置要远离噪音源，避免管路震动及其他附近管线的震动影响，避开主要噪声频率带，降低超声波流量计对噪声的敏感性。

    （4）加强炼厂排放气的脱液工作。超声波质量流量计适用于较纯净的介质，受固体液体颗粒影响较大，严重的可造成流量计不工作。在进入质量流量计前要充分利用脱液装置、气液分离装置将炼厂排放气中的固体、液体颗粒脱出。

    （5）安装位置。超声波气体质量流量计安装在火炬排放管线上，从经济的角度考虑将超声波气体质量流量计安装于火炬末端，装置出口不再安装；从技术角度考虑排放气在到达火炬终点时混合最为均匀，声波干扰源最少。

    （6）声程选择。采用多少声程声道的主要依据是测量精确度要求和安装仪表管段流动状况以及管径大小。一般对于火炬系统这种大口径复杂应用的管道可选用单声程或双声程，安装简单。

    3 结论

    超声波气体质量流量计以其大量程、大口径、高精度及特有的测量平均分子量的优势，在炼厂排放气测量中得到越来愈多的应用，并取得良好的效果。尤其是在火炬气泄漏的快速查找、工艺隐患的及早发现，炼厂系统炼厂气精确平衡方面应用效果良好。