MBF多孔平衡流量計在硫磺回收超潔凈排放中的應用

周志猛，王 東

（1.中國石化上海高橋石油化工股份公司，上海 200137；2.承德菲時博特自動化設備有限公司，河北 承德 067411）

0 引言

圖1 硫磺回收酸性氣燃燒爐工藝流程圖Fig.1 The chart of production process flow

近年來，隨著人們對環(huán)保要求的日益提高，同時國家也制定了更為嚴格的《GB31570-2015石油煉制工業(yè)污染物排放標準》，該標準規(guī)定了作為人口密集區(qū)域的硫磺回收裝置的SO2排放值必須控制不大于100mg/m3，硫磺回收裝置也由原先相對粗放性操作轉(zhuǎn)變?yōu)榫毣{(diào)節(jié)。因此，只有采用更為合理成熟的工藝，確保設備運行正常，才能在滿足新的環(huán)保排放要求的同時，最大限度地保證硫回收率。作為硫磺回收裝置來說，酸性氣流量測量的準確性至關重要，它直接關系到整個裝置硫磺的轉(zhuǎn)化效率以及后路尾氣達標排放。因此，測量酸性氣流量的儀表應具備較高的可靠性、穩(wěn)定性和測量精度。而傳統(tǒng)的差壓流量計以孔板流量計和楔形流量計為主流的測量儀表，由于其結(jié)構簡單、安裝技術成熟以及技術性能穩(wěn)定可靠，是目前國內(nèi)測量流量選用差壓式流量計的首先儀表設備。但是，傳統(tǒng)式差壓流量計也有其固有的技術缺陷：對儀表安裝位置的前后直管段有嚴格要求，至少要保證前10D～15D，后5D～10D（D為儀表設備安裝的管道直徑），儀表測量的精度比較低，永久壓力損失大和量程比太窄[1]。由于裝置現(xiàn)場各種因素，一般來講直管段都難以滿足要求，矛盾更加突出的就是在大管徑的管道上安裝此類儀表設備。由于硫磺裝置現(xiàn)場空間的局限性，造成原來直管段無法滿足要求，進而引起儀表測量的穩(wěn)定性和準確性不高，從而造成裝置的硫磺轉(zhuǎn)化效率不理想，甚至有時候造成環(huán)保排放超標情況。因此，本文涉及的硫磺裝置酸性氣流量計更新就是根據(jù)現(xiàn)場前后直管段限制和流量計測量本體的安全性要求選取了新型的差壓流量測量儀表即MBF型多孔平衡流量計，從目前使用情況來看，多孔平衡流量計徹底解決了酸性氣流量特別是含氨酸性氣的測量問題，為裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)和環(huán)保達標排放提供有力的技術支撐。

1 硫磺回收裝置反應燃燒系統(tǒng)工藝原理

硫磺回收裝置的作用就是對煉油過程中產(chǎn)生的含有H2S的酸性氣（清潔酸性氣、含氨酸性氣），采用適當?shù)墓に嚪椒ɑ厥樟蚧牵瑢崿F(xiàn)清潔生產(chǎn)，達到化害為利，變廢為寶，降低污染，保護環(huán)境的目的，并同時滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，降低腐蝕，實現(xiàn)裝置長周期安全生產(chǎn)等諸多方面要求[2]。

國內(nèi)大多數(shù)硫磺回收采用常規(guī)克勞斯工藝，常規(guī)克勞斯硫磺回收工藝是由一個熱反應段和若干個催化反應段組成。即含H2S的酸性氣在反應燃燒爐內(nèi)用空氣進行不完全燃燒，嚴格控制風量，使H2S燃燒后生成的SO2量滿足H2S/SO2分子比等于或接近2，H2S和SO2在高溫下反應生成元素硫，生成的元素硫經(jīng)冷凝分離，達到回收的目的。

主要工藝反應方程：

硫磺回收酸性氣反應燃燒爐的工藝流程如圖1所示。

2 多孔平衡流量計原理及技術特點

多孔平衡流量計采用了國際最先進的對稱多孔結(jié)構設計，是目前最先進的差壓式流量計。多孔平衡流量計除具有標準節(jié)流裝置簡單、可靠、安全、適用面廣等優(yōu)點之外，還具有精度高、直管段要求低、量程比寬、永久壓損小等優(yōu)點；同時還克服了標準節(jié)流裝置的雜物滯留、堵塞和邊緣易磨損、維護和檢定成本高等缺點。

2.1 多孔平衡流量計基本原理

多孔平衡流量計和其它差壓式流量計都是基于能量轉(zhuǎn)換的基本工作原理，也就是多孔平衡流量計是在標準孔板流量計的技術基礎上發(fā)展演變而來的一項新型節(jié)流式流量計。像標準傳統(tǒng)孔板流量計一樣，多孔平衡流量計遵循流體力學定律和伯努利方程，即在理想工作狀態(tài)下，流體在管道中的流量和差壓的平方根呈線性關系，然后根據(jù)伯努利方程結(jié)合測得的前后差壓值就可以得到流體在管道中的流量。通常而言，傳統(tǒng)標準的孔板流量計采用單孔設計的節(jié)流模式，這樣經(jīng)過孔板節(jié)流后的流體流場難以達到理想的平衡狀態(tài)[3]。然而，多孔平衡流量計結(jié)合了多孔整流器和標準孔板的測量原理，多孔整流器在節(jié)流板中心一個圓孔的基礎上，對稱分布數(shù)量不等的圓孔，這些圓孔的分布和尺寸是根據(jù)測試數(shù)據(jù)而特殊設計的，當介質(zhì)流過圓孔時，流體被平衡調(diào)整，渦流被最小化，形成近似理想流體，從而將傳統(tǒng)的差壓式流量計的優(yōu)勢發(fā)揮到極致狀態(tài)，并通過取壓裝置和變送器，可獲得穩(wěn)定的差壓信號，然后根據(jù)伯努利方程計算出流體流過管道的體積流量或質(zhì)量流量。而MBF系列多孔平衡流量計的流出系數(shù)、傳感器多孔孔徑位置、形狀設計和開孔數(shù)量通過獨特的研發(fā)數(shù)據(jù)演算，并對各種工況進行優(yōu)化，使測量精度、重復性、量程比、永久壓損等綜合指標達到最佳，成為目前最先進的差壓式流量計。

圖2 多孔平衡流量計的前后直管段圖Fig.2 The forward and rear straight section diagram of porous equilibrium flowmeter

2.2 多孔平衡流量計技術特點

測量范圍寬：多孔平衡流量計采取對稱多孔設計的技術，突破標準節(jié)流裝置的測量局限，可以根據(jù)流體介質(zhì)的特性進行靈活多變的結(jié)構設計。一般來說，多孔平衡流量計的量程比達到10∶1，最高可達30∶1的量程比，雷諾數(shù)拓寬為200～10000000，用在高流速度段節(jié)流特性更佳。

短的直管段要求：由于能將流場快速整流成近似理想體，所以多孔平衡流量計對管道的前后直管段的要求也大大降低。同其它傳統(tǒng)差壓流量計相比，多孔平衡流量計的前直管段要求為0.5D～2D，后直管段要求為0.5D～1D（見圖2），從而使得現(xiàn)場安裝位置的選定更加容易。因此，多孔平衡流量計簡化了現(xiàn)場配管的難度，特別適合大口徑管道的介質(zhì)流體流量的測量使用。

高精度的測量性能：由于多孔平衡流量計采取對稱多孔設計的技術，使通過圓孔后的流體的流場達到平衡，降低了孔板流量計的渦流、振動和信號噪聲的缺點，從而能基本消除單孔節(jié)流原件帶來的死區(qū)效應，降低了取壓區(qū)域渦流，也提高了取壓點的差壓信號信噪比，從而也大大提高了流場穩(wěn)定性，傳感器檢測精度也提高了數(shù)倍；多孔平衡流量計的線性度達到傳統(tǒng)孔板流量計的10倍以上，多孔平衡流量計經(jīng)實際流量標定，儀表的測量精度可達到0.3%～0.5%精度等級，完全滿足煉油裝置苛刻生產(chǎn)工況的介質(zhì)流量測量需求。

永久性壓損少：多孔平衡流量計采取對稱多孔設計的技術，結(jié)構設計無死區(qū)效應，這種設計減少了紊流剪切力和渦流的形成，在相同的差壓值情況下，多孔平衡流量計能將標準孔板流量計因死區(qū)渦流帶來永久壓損降低2～3倍，可以大量節(jié)省裝置運行過程中的流體輸送能源（見圖3）。

雙向流量檢測功能：多孔平衡流量計結(jié)構上采用雙向直孔的設計技術，左右完全對稱結(jié)構，可方便測量雙向流（見圖4）。并且節(jié)流件厚度突破了標準孔板的限制，比標準孔板結(jié)構更安全，使用壽命更長，還可以進行氣液兩相、漿料、含少量固體顆粒介質(zhì)的測量。

圖3 多孔平衡流量計的前后壓損圖Fig.3 The forward and rear pressure loss diagram of porous equilibrium flowmeter

圖4 多孔平衡流量計的雙向流圖Fig.4 The bidirectional flow diagram of porous equilibrium flowmeter

高穩(wěn)定性能：多孔平衡流量計采取對稱多孔設計的技術，使通過圓孔后的流體的流場達到平衡，平衡后的流場大幅度降低了流體介質(zhì)與節(jié)流原件的直接摩擦。因此，流體介質(zhì)在通過圓孔節(jié)流后下游形成的渦流小，從而信號穩(wěn)定性好。相比于多孔平衡流量計，其它類型的標準差壓式節(jié)流儀表在節(jié)流件后形成的渦流較長，容易產(chǎn)生高幅和低頻波動信號干擾，這些干擾信號會對節(jié)流原件的差壓變送器的測量值造成干擾。

自清潔、耐臟污介質(zhì)：多孔平衡流量計采取對稱多孔設計的技術原理，這種平衡設計減少了紊流剪切力和渦流的形成，從而大大降低了滯留死區(qū)的現(xiàn)象，保證臟污介質(zhì)可以順利通過多個孔，減小了流體孔被堵塞的機會。因此，多孔平衡流量計基本上無需任何維護，就可以保持高精度的測量效果，而傳統(tǒng)標準孔板流量計則需要定期維護清洗的繁重工作量。

經(jīng)濟節(jié)能：多孔平衡流量計由于具有較高的測量精度，所以可作為貿(mào)易計量結(jié)算使用，從而節(jié)約了因計量不準確而造成的貿(mào)易結(jié)算損失；多孔平衡流量計的永久性壓損小。因此，就節(jié)約了流體介質(zhì)在輸送過程中的能量損失，從而也就降低了成本；前后管道的直管段長度要求比較短，也就節(jié)省了工藝管道材料和施工費用；長期穩(wěn)定性運行，無邊緣磨損，延長了檢定周期，節(jié)約了檢定費用。

3 多孔平衡流量計在酸性氣測量中的應用

圖5 多孔平衡流量計測酸性氣現(xiàn)場圖Fig.5 The field diagram of acid gas measured by porous equilibrium flowmeter

酸性氣流量測量的準確性對硫磺回收裝置至關重要，它直接關系到整個裝置硫磺的轉(zhuǎn)化效率以及后路尾氣達標排放。但是，在實際應用中，對酸性氣（特別是含氨酸性氣）的流量測量始終是硫磺裝置的難點問題。由于含氨酸性氣的工藝組分的特殊性，H2S組分僅占到總量的三分之一不到，剩下的三分之二主要是水汽、氨氣以及少量的氫烴類物質(zhì)組分，并且NH3在接近85℃有水分存在的情況下，極容易形成銨鹽結(jié)晶。常規(guī)標準孔板流量計對含氨酸性氣進行測量時，孔板節(jié)流孔對含氨酸性氣進行阻攔，極易在孔板節(jié)流孔中心產(chǎn)生銨鹽集結(jié)現(xiàn)象；并且，含氨酸性氣在管道壁由于受到管道阻力的影響，流體介質(zhì)在靠近管壁附近流速減慢，這樣也極易形成銨鹽集結(jié)現(xiàn)象，從而，孔板流量計的正取壓口附近產(chǎn)生的銨鹽就會對取壓信號形成干擾，含氨酸性氣流過節(jié)流孔后，產(chǎn)生的渦流也向管壁作波動性發(fā)散，也會對孔板流量計的負取壓口信號產(chǎn)生干擾。因此，孔板流量計的測量精度也就會大打折扣。而MBF多孔平衡流量計采用多孔對稱設計技術，使得含氨酸性氣能夠順利通過節(jié)流孔流過，從而避免了銨鹽集結(jié)的可能性，銨鹽無法集結(jié)也就對多孔平衡流量計取壓信號的干擾大大降低，也提高了酸性氣流量測量的精度。

在本項目中含氨酸性氣測量所采用MBF多孔平衡流量計的正負取壓口都是DN25的法蘭連接形式，一旦引壓管線出現(xiàn)故障，可以直接和測量本體部分隔離開來，并且上端的引壓管線也采用特定傾斜自流角度設計理念，即使含氨酸性氣存在氣液兩相情況下也不會聚集，再加上多孔平衡流量計測量部分本體以及引壓管線都用蒸汽伴熱形式，從而保證含氨酸性氣一直保持在氣相狀態(tài)，含氨酸性氣也就無法形成銨鹽結(jié)晶的可能性。另外，為了便于日后維護方便和人員的安全性出發(fā)，在多孔平衡流量計的正負引壓管線上設置有三通，一路為引壓管線，一路為日常吹掃維護管線，這樣設計既有利于儀表日常維護，也不影響裝置日常正常生產(chǎn)。最后，也是最關鍵的一個決定性因素，就是含氨酸性氣流量測量的流量計的前后直管段受現(xiàn)場場地的限制，原設計的前后直管段相當短（前5D，后2D），再加上當初含氨酸性氣流量測量選用的是V錐流量計，而由于V錐流量計先天設計缺陷，測量本體的錐體容易脫落，存在很大的安全風險。因此，本次對含氨酸性氣流量測量的V錐流量計進行更新，就必須考慮前后直管段限制和流量計測量本體的安全性，經(jīng)過綜合性技術分析和安全評估，本次更新含氨酸性氣流量測量的V錐流量計進行重新選型，最終決定選用MBF多孔平衡流量計，MBF多孔平衡流量計的技術特點既滿足流量計前后直管段限制，又能確保流量計測量本體的安全性，還能滿足新的環(huán)保排放標準對硫磺裝置含氨酸性氣流量測量的可靠性、穩(wěn)定性和測量精度的苛刻性能要求。

4 結(jié)束語

酸性氣流量測量的準確性，特別是含氨酸性氣的流量準確測量對硫磺回收裝置至關重要，它直接關系到整個裝置硫磺的轉(zhuǎn)化效率以及后路尾氣達標排放。本文正是基于含氨酸性氣的工藝特性以及現(xiàn)場對儀表設備的特殊要求，采用了MBF多孔平衡流量計，徹底解決了硫磺裝置含氨酸性氣流量難以準確測量的難點。通過一年多的實踐證明，硫磺回收裝置反應燃燒爐在采用合理成熟的工藝流程，并結(jié)合含氨酸性氣流量的穩(wěn)定準確性測量數(shù)值作保障，裝置硫磺的轉(zhuǎn)化效率得到了大大地提升，同時裝置尾氣也能夠長期保持穩(wěn)定的達標排放。