工業(yè)火炬排放氣計量方案的研究及應(yīng)用

段天思，魏 晨，池光輝，張玉學(xué)，趙海濤

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引言

工業(yè)火炬系統(tǒng)一般用于天然氣加工、煉油、石化、化工等工廠，它可以將無法回收和再加工的可燃或有毒氣體收集后燃燒，是保障企業(yè)安全生產(chǎn)的一項重要措施。通過燃燒，火炬將廢氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣，從而大大降低廢氣的環(huán)境影響。這對保護工藝裝置安全生產(chǎn)，節(jié)能降耗具有重要意義。

工業(yè)火炬排放氣流量的計量一直以來都是煉油、石化、化工和其他各類工廠的需求，近年來，能源管理部門對工業(yè)火炬排放氣流量計量提出了新的要求，必須實現(xiàn)持續(xù)不間斷計量。隨著企業(yè)內(nèi)部精細化管理的不斷深入，節(jié)能、減排對工業(yè)火炬排放氣管理提出了更嚴格的要求，減少火炬氣排放成為企業(yè)管理的重要任務(wù)之一[1]。

所以對工業(yè)火炬排放氣流量能實現(xiàn)更加可靠、更準(zhǔn)確的計量，具有十分重要的意義。然而，工業(yè)火炬排放氣的計量對于設(shè)計單位和企業(yè)來說，一直都是介質(zhì)流量計量中最為困難的，主要存在以下問題[2]：

1） 工業(yè)火炬排放氣正常工況下排放量很小，而在上游生產(chǎn)裝置出現(xiàn)故障時排放量很大，導(dǎo)致量程范圍很寬，傳統(tǒng)的流量測量方式難以測量。

2）工業(yè)火炬排放氣在大量排放時，流速很高，對于測量元件的安全性要求很高。

3）工業(yè)火炬排放氣工況多變，組分復(fù)雜，密度隨之變化，增加計量難度。

4）工業(yè)火炬排放氣管道口徑不一，流量范圍各異。

5）工業(yè)火炬排放氣流量計不能對管道產(chǎn)生截流，影響緊急放空。

1 主要技術(shù)內(nèi)容

通過對火炬排放氣的現(xiàn)有計量方案進行深入調(diào)查研究，以工作中實際設(shè)計項目數(shù)據(jù)為例，選擇出了可用于特定條件下的火炬排放氣計量的流量計，從測量原理、技術(shù)參數(shù)、優(yōu)缺點、使用性能、投資成本等各個方面進行了詳細對比分析。

1.1 項目概況

內(nèi)蒙古某大型企業(yè)新建年產(chǎn)100 萬噸乙二醇項目需設(shè)一套高架火炬系統(tǒng)作為全廠開工、停車、事故排放及配套的安全設(shè)施?；鹁娌捎酶呒芾壔鹁嫘问剑偢?20m，可保證裝置在各工況下產(chǎn)生的火炬排放氣能夠及時、安全、可靠地放空燃燒，處理后的產(chǎn)物滿足相關(guān)的環(huán)保要求。

本項目擬設(shè)置4 套火炬頭，富氫事故火炬用于焚燒處理在氣化爐開工、各裝置事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的易燃、有毒氣體；酸性事故火炬用于焚燒處理在乙二醇裝置開工、事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的易燃、有毒氣體；酸性氣火炬用于焚燒處理在正常、事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的酸性氣體以及裝置運行時產(chǎn)生的常排氣體；低壓火炬用于焚燒處理在正常、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的易燃、有毒氣體。

這4 個火炬系統(tǒng)可保證裝置在開停車、事故及正常操作時產(chǎn)生的放空氣能夠及時、安全、可靠地放空燃燒，并對排放量進行準(zhǔn)確的計量，滿足相關(guān)的環(huán)保要求。

1.2 火炬排放氣體匯總表

根據(jù)表1、表2 中的火炬排放氣體相關(guān)條件可以得出：

表1 火炬排放氣體匯總一Table 1 Summary of gas discharged from flare I

表2 火炬排放氣體匯總二Table 2 Summary of flare emissions gas II

1）事故火炬排放氣共有7 個工況，且成分各不相同，最大流量為2317.266t/h，最小流量為1.849t/h，有3 個工況含水量較高。

2）酸火炬排放氣共有2 個工況，且成分各不相同，最大流量為12.733t/h，最小流量為0.833t/h。

3）酸性氣火炬排放氣共有1 個工況，最大流量為41.838t/h。

4） 低壓火炬排放氣共有3 個工況，其成分各不相同，且為連續(xù)排放，最大流量為2.163t/h，最小流量為0.006t/h。

1.3 火炬排放氣的計量原理

1.3.1 熱式氣體質(zhì)量流量計

熱式氣體質(zhì)量流量計利用的是溫差法測量原理，即利用流動中的流體與熱源（流體中加熱的物體）之間熱交換關(guān)系測量流體的流量，主要用于測量氣體[3]。

其工作原理如圖1 所示。

圖1 溫差法測量原理Fig.1 Measurement principle of temperature difference method

該流量計的測量元件由兩個RTD 鉑熱電阻組成。其中，一只RTD 作為參考端，用于檢測介質(zhì)的當(dāng)前實際溫度；另一只RTD 作為測量端，其內(nèi)部裝有一個獨立的加熱器，當(dāng)傳感器置于無流量的介質(zhì)中時，由于測量端恒定功率加熱的作用，將在兩只RTD 間形成一個溫度差值（?T）。當(dāng)介質(zhì)流過測量端表面時，基于熱傳導(dǎo)原理，介質(zhì)分子將帶走測量端RTD 表面的部分熱量，而參考端RTD 的溫度將保持不變，進而造成兩只RTD 間溫度差值的變化。溫差的變化與介質(zhì)的流量及介質(zhì)本身的熱特性有關(guān)，較高的流速或密度較大的介質(zhì)將加快兩RTD 間溫差的變化，兩個RTD之間的溫差在無流量的狀態(tài)下達到最大。隨著流量的增加，被加熱的RTD 冷卻，溫差就減小。所以，根據(jù)兩個RTD鉑熱電阻間溫度差值的變化可以推算出介質(zhì)的流量，通過線性化電路將溫差的變化轉(zhuǎn)換成與流量相對應(yīng)的輸出信號。

1.3.2 畢托巴流量計

畢托巴流量計采用壓差法測量原理，主要由節(jié)流裝置、引壓管線以及差壓變送器組成。當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，流體會在節(jié)流裝置的作用下局部收縮。流經(jīng)節(jié)流裝置后，流速會瞬間增大，壓力陡然降低，在節(jié)流裝置前后會產(chǎn)生一個差壓，管道內(nèi)流體的流量越大，節(jié)流裝置前后的差壓就越大。差壓的大小與流量、節(jié)流裝置形式、流體的物理性質(zhì)等因素有關(guān)[4,5]。

1.3.3 氣體超聲波流量計

超聲波流量計采用時差法測量原理，即通過測量超聲波束在流體中順流和逆流傳播的時間差來計算流體流量的一種方法[6]。

其工作原理如圖2 所示。在管道上安裝有超聲波流量計的一對可直接接觸被測氣體的“濕式”超聲波傳感器，每個傳感器都能發(fā)射和接收超聲波信號。流量計電子部件能夠精確地測量聲波在兩個傳感器之間傳播所用的時間，分別測量順流方向和逆流方向傳播所需的時間，進而得到順流傳播與逆流傳播的時間差，管道內(nèi)介質(zhì)的流速與此時間差成比例關(guān)系。實際體積流量是流速和管道內(nèi)橫截面積的乘積。已知氣體的溫度和壓力，即可計算標(biāo)準(zhǔn)體積流量[7-10]。

圖2 時差法測量原理Fig.2 Measurement principle of time difference method

在圖2 中，假設(shè)在流體靜止時的超聲波速度為V0，流體速度為V，傳感器A 和B 的距離為L，超聲波傳播路線與管道水平方向的夾角為θ，管道公稱直徑為D，兩個傳感器安裝的水平間距為d，超聲波在傳感器A 和B 之間的順氣流傳播時間為t+，逆氣流傳播時間為t-。

則

t+和t-的差值?t 為：

由于流體的流速V 遠遠小于超聲波在介質(zhì)中的速度V0，式（2）可簡化為：

流體的流速為：

由式（4）可以得出：當(dāng)V0 和d 為固定值時，流體的流速與超聲波傳播的時間差成正比關(guān)系。

所以流體的體積流量Qv 則可以表示為：

由以上可以得出，當(dāng)V0、D 和d 為已知時，通過測量超聲波傳播的時間差就可以計算出流體的實時體積流量。

通過測量出超聲在流體中波傳播的時間，再由傳播距離和傳播時間可以得出實際傳播速度。

式（6）中：Vs——超聲波在流體中實際傳播速度；tp——超聲波在流體中傳播的平均時間。

已知：在固定溫度和壓力下的同種流體，超聲波在該流體中傳播的速度保持不變，所以在知道超聲波在流體中實際傳播速度，并測得實際溫度及壓力后，可以反推出流體的平均分子量。

在知道流體的平均分子量、溫度、壓力后，可以求得流體的實際密度，然后再通過公式（7）計算后就可以得到準(zhǔn)確度比較高的流體的質(zhì)量流量。

式（7）中：Qm——流體的質(zhì)量流量；ρ——流體的密度。

1.4 計量方案的總結(jié)分析

1.4.1 參數(shù)分析

通過對上述可用于工業(yè)火炬排放氣的計量方案原理與實際使用條件進行對比分析，總結(jié)見表3。

表3 火炬排放氣流量計參數(shù)分析表Table 3 Parameter analysis of flare discharge flowmeter

通過分析得出：

3 種流量計測量原理各不相同，直接導(dǎo)致了性能的差異化。

在適用溫度方面，熱式質(zhì)量流量計和畢托巴流量計的傳感器為全金屬元件，所以對溫度的適應(yīng)性更強。超聲波流量計由于需要通過電子元件發(fā)射聲波，所以受電子元件耐溫影響，不適應(yīng)于高溫環(huán)境。

量程比是火炬氣測量的重要參數(shù)，超聲波流量計由于是通過聲速測量，聲速可檢測性強，故量程比表現(xiàn)優(yōu)異，達到了3280:1；畢托巴流量計由于采用的是壓差測量，受差壓測量精度的影響，故量程比較低，僅為30:1；熱式氣體質(zhì)量流量計表現(xiàn)居中。

適用氣體組分范圍方面，氣體超聲波流量計測量時受氣體特性影響小，可適用氣體范圍廣，不需要現(xiàn)場標(biāo)定；熱式氣體質(zhì)量流量計受氣體特性影響較大，氣體組分發(fā)生變化時，需要重新現(xiàn)場標(biāo)定。

1.4.2 優(yōu)缺點分析

氣體超聲波流量計測量不依賴于氣體特性，具有量程比寬、精度高、維護簡單等特點，可適用于各種復(fù)雜工況，但缺點是其價格相對較高，配件成本高，新產(chǎn)品性能有待市場長期使用驗證。如果預(yù)算充足，超聲波流量計是工業(yè)火炬排放氣測量比較理想的產(chǎn)品。

他是山東省章丘市食品藥品監(jiān)管局的負責(zé)人。在他的帶領(lǐng)下，該局先后榮獲全國食品藥品監(jiān)管系統(tǒng)先進集體、省食品藥品監(jiān)管系統(tǒng)先進集體和先進基層黨組織、省級文明單位等榮譽稱號。

熱式氣體質(zhì)量流量計具有精度高、量程比寬、響應(yīng)速度快、耐溫高、價格適中等特點，但缺點是需要使用被測氣體進行標(biāo)定校準(zhǔn)，不適用于氣體組分復(fù)雜多變的工況。如果工業(yè)火炬排放氣組分相對固定，工況較少，熱式質(zhì)量流量計是一款高性價比的產(chǎn)品。

畢托巴流量計的主要優(yōu)點是成本低，并且該流量計所采用的差壓測量技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但缺點是其量程比較窄，對于低壓工業(yè)火炬排放氣的測量不適用。但是目前此類儀表國產(chǎn)化較多，在合適的工況下可以選用差壓流量計，節(jié)省成本的同時，可以推進工業(yè)火炬排放氣測量國產(chǎn)化的進程。

1.5 對本案例項目計量方案的設(shè)計

從技術(shù)層面，經(jīng)過對該項目設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)的計算和使用條件的選擇，得出：

1）氣體超聲波流量計由于量程比寬，測量不受氣體特性的影響，所以對于4 套火炬裝置的排放氣均能適用。

2）熱式氣體質(zhì)量流量計由于量程比較寬，直接測量氣體的質(zhì)量流量，不因壓力、溫度波動而失準(zhǔn)，但由于其需要根據(jù)不同的測量工況進行標(biāo)定，不適用于復(fù)雜工況的測量。所以對于事故火炬不適用，對于酸火炬、酸性氣火炬和低壓火炬可以適用。

3）畢托巴流量計由于量程比較窄，不適用于測量密度變化大的氣體，所以可適用于酸性氣火炬排放氣的測量。

從成本層面，氣體超聲波流量計雖適用范圍廣，但為了保證精度需要使用雙聲道產(chǎn)品，其價格極高；熱式氣體質(zhì)量流量計適用范圍不及氣體超聲波流量計，但也能適用部分工況，其價格適中；畢托巴流量計雖然價格較低，但是適用范圍較窄，僅適用于少數(shù)工況。

最后，通過對企業(yè)的計量要求，現(xiàn)有各種計量方案、技術(shù)參數(shù)、使用條件、測量精度、前期投入成本和后期維護等的綜合考慮，最終方案為：事故火炬選用1 臺氣體超聲波流量計，酸火炬、酸性氣火炬和低壓火炬選用3 臺熱式氣體質(zhì)量流量計。

2 技術(shù)方案應(yīng)用、驗證及前景

針對現(xiàn)有火炬排放氣計量方案的不足，結(jié)合各種現(xiàn)有計量方案的特點，以及內(nèi)蒙古某大型企業(yè)新建年產(chǎn)100 萬噸乙二醇項目所排工業(yè)火炬排放氣組分的條件，對火炬排放氣計量監(jiān)控方案進行新型優(yōu)化選型設(shè)計。通過對工業(yè)火炬排放氣排放條件的分析，經(jīng)過詳細的計算和選型對比，得出無論選用哪一種單一的計量方案，都不是最優(yōu)的計量監(jiān)控方案，最終通過對企業(yè)計量需求以及相關(guān)部門計量要求的研究，以及現(xiàn)有各種計量方案的技術(shù)參數(shù)、使用條件、測量精度、前期投入成本和后期維護等的綜合考慮，最終提出的計量方案在滿足企業(yè)計量要求的同時，總投資成本比企業(yè)最初預(yù)計的使用4 臺超聲波流量計，節(jié)省了約200萬，在滿足相關(guān)部門要求的同時，為企業(yè)節(jié)省了大量成本。并經(jīng)項目開車使用驗證，該火炬排放氣計量方案實現(xiàn)了安裝簡單，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，維護工作量小，有效滿足測量要求，節(jié)省了投資成本和維護成本。

筆者認為工業(yè)火炬排放氣計量要整體布局，考慮投資和需求兩方面因素，根據(jù)不同的測量要求選擇組合的測量方案，實現(xiàn)火炬排放氣有效的計量和管理。此“量性結(jié)合”綜合計量監(jiān)控方案，即在重要火炬系統(tǒng)排放氣采用超聲波流量計實現(xiàn)高精度定量測量；對一般火炬系統(tǒng)采用精準(zhǔn)定性與粗定量相結(jié)合，通過趨勢變化判斷排放情況，通過適當(dāng)合理布局配置實現(xiàn)火炬排放氣的有效監(jiān)控，最終實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟和環(huán)保雙收益。

隨著近年來企業(yè)精細化管理的不斷深入，該計量監(jiān)控方案不僅可以實現(xiàn)計量需求，為企業(yè)節(jié)省投資，還可以減少物料損失，為工藝裝置的生產(chǎn)安全保障提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，緩解企業(yè)安全管理壓力，為企業(yè)火炬系統(tǒng)的節(jié)能、減排增加可量化的管理模式，有效落實各基層的責(zé)任，達到減少工業(yè)火炬排放氣排放，減少環(huán)境影響，為企業(yè)各方面增添效益，具有廣泛的應(yīng)用和推廣價值。該方案可以應(yīng)用于其他化工、石化、煉油、煤化工等行業(yè)高架火炬、封閉式地面火炬、敞式地面火炬等各種有毒有害火炬排放氣的計量和監(jiān)控。

3 結(jié)論

本文通過對目前可適用于工業(yè)火炬排放氣流量計量方案進行深入地分析研究，結(jié)合各行業(yè)火炬排放氣的工況及基礎(chǔ)條件，最終選擇出了氣體超聲波流量計、熱式氣體質(zhì)量流量計、畢托巴流量計等3 種流量計，可用于特定條件下的火炬排放氣計量，從3 種流量計的測量原理、技術(shù)參數(shù)、優(yōu)缺點、使用性能、投資成本、適用性等方面進行了詳細對比分析。通過對現(xiàn)有檢測手段的對比分析，以及目前計量方案的不足之處，進行新型優(yōu)化選型設(shè)計，提出一種“量性結(jié)合”的綜合計量監(jiān)控方案，并結(jié)合實際的大型火炬系統(tǒng)項目。從設(shè)計選型、安裝施工、調(diào)試開車、使用維護等進行全程跟蹤，有效實現(xiàn)企業(yè)的計量需求，滿足相關(guān)部門的計量監(jiān)控要求的同時，降低企業(yè)投資和維護成本，實現(xiàn)了一定的技術(shù)和經(jīng)濟效應(yīng)。

隨著目前環(huán)保部門及企業(yè)對于工業(yè)火炬排放氣計量要求越來越高，新型的火炬排放氣的計量方案的應(yīng)用也將越來越廣泛，可以幫助火炬系統(tǒng)的設(shè)計單位形成一套可行的火炬排放氣的計量解決方案，為相關(guān)設(shè)計人員提供技術(shù)參考，為企業(yè)減少投資，幫助火炬成套供應(yīng)商提高項目競爭力，帶來更多的經(jīng)濟增長。