浅析瓦斯气计量难点与对策

唐力壮，杜 明，杨智博，齐丽萍，王 超，张 旭

（1.辽宁毕托巴科技股份有限公司，辽宁 铁岭 112000；2.天津石化公司电仪中心 仪表科，天津 300000）

0 引言

从装置出来的瓦斯气主要来自工艺废气，是装置的“下水道”，因计量难度大，原装置设计中一般没有计量仪表。近年来，随着计量技术进步和企业管理要求不断提高，节能、降损、环保等工作都对火炬管理提出了更高的要求。因此，消灭火炬成为各企业管理的重要目标。生产装置瓦斯排放量超出火炬系统回收能力是导致点火炬的直接原因，而瓦斯排放点多，又没有可靠的计量数据认定排放源，无法确定排放源，也是导致瓦斯排放量大、导致企业能源损失并产生环境污染的重要原因。因此，各企业都在寻求对瓦斯系统的排放实施计量监控的措施，从源头上控制瓦斯排放[1]。

瓦斯气是来自生产装置中的工艺废气。特点是压力低、杂质多、组分变化大、流量变化大，而且带有水气。因此，要求计量仪表不仅具有量程比宽和防堵功能，而且还要多组分介质密度实时补偿；同时还能保证装置在紧急情况所有气体能够快速安全排放。为此，节流装置不能缩管；也不能选用阻力损失较大的流量仪表；再之就是瓦斯排放计量点多，几乎每个装置都有瓦斯线，瓦斯排放点多面杂，不便监控管理。

1 瓦斯气的计量方案

1.1 热电偶+电动阀

图1 超声波流量计工作原理示意图Fig.1 A schematic diagram of working principle of ultrasonic flowmeter

这种测量方法严格来说不属于计量，属于趋势变化的监控。结合瓦斯气排放的特点，可根据温度变化辨别排放情况。在未实施瓦斯监控前，每次出现瓦斯不平衡时，通常要检查人员到现场对可疑管线用手摸温度来排查瓦斯来源，据此提出了采用“温度+阀位”来判断装置是否排放异常。具体为在装置瓦斯管线上增设热电偶，将测温及电动阀开度信号接入DCS；手动阀实施铅封管理。将相应的信号接入MES系统瓦斯监控系统，装置一旦出现异常情况，监控系统上温度曲线就会表现出跳跃，再结合管线阀门的开关情况做出定性的判断。

1.2 热式气体质量流量计计量方案

热式气体质量流量计利用的是热传导原理，即利用流动中的流体与热源（流体中加热的物体或测量管外加热体）之间热交换关系测量流体的流量，主要用于测量气体。该流量计主要有两大类，一是采用测量管外加热进行热传导的热分布类；二是利用热散效应金氏定律的插入类；前者适用于口径较小的场合，而后者主要用于大口径。所以一般测量火炬气基本都选用插入式热式气体质量流量计。

插入式热式质量流量计是应用恒定加热功率测量温度差的原理，将两个温度传感器分别置于两个金属管内，金属管插在被测气体中，其中一个用于测量气体温度T1，另一个用于电加热，加热温度T2，气体静止时，△T=T2-T1是一个常数。当有定质量的气体流动时，气体将带走加热的热量。流速增加，带走的热量增多，△T减小，可通过△T的变化计算出管道内流动气体的气体质量。

1.3 超声波流量计计量方案

1.3.1 超声波流量计工作原理

超声波流量计主要由超声换能器（传感器）、信号处理单元和（或）流量计算机组成。在管道的上下游安装传感器，两个传感器分别向气体的顺流和逆流的方向发射脉冲，又分别接收来自相对传感器的发射脉冲[2]，如图1所示。

超声波流量计的工作原理是利用超声波在流体中的传播特性来测量介质流量。声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度cf和流体轴向平均流速vm在声波传播方向上的分量组成，顺流和逆流传播时间与各分量之间的关系见公式（1）：

式（1）中，tab——超声波在流体中顺流传播的时间，s；

tba——超声波在流体中逆流传播的时间，s；

L——声道长度，m；

cf——声波在流体中传播的速度，m/s；

vm——流体的轴向平均流速，m/s；

φ——声道角。

将测得的多个声道的流体流速vi （i=l，2，…k），利用数学的函数关系联合起来，可得到管道平均流速的估计值，再乘以过流面积，即可得到体积流量。

1.3.2 火炬气超声波流量计系统方案

由于气体随着温度、压力、组分变化，其密度也随之变化，所以要准确测量气体质量流量，必须解决在线密度实时补偿问题，否则就会给测量带来很大误差。常规的温度、压力补偿，只是补偿因温度、压力变化而产生的标准体积变化，无法反应由于组分的变化而引起的密度变化。

随着科学技术的飞速发展，一种专门用来测量瓦斯气的“火炬气超声波流量计”应运而生。这种流量计与普通超声波流量计的区别是与之配套使用的流量计算机所具有的专用技术，它能通过声速测量碳氢化合物的平均分子量，可以很好地解决瓦斯气变组分的问题，实现在线密度实时补偿；再根据两个传感器互相接收对方发射的脉冲时间差，可直接计算出瓦斯气的实际体积流量和质量流量；同时测量管径可以从50mm～3m，有效地解决了瓦斯气管径一般都比较大（如600mm等）一般热式质量流量计难以达到要求的问题；且测量准确度比较高，校准结果的最大允许误差可达读数的±0.5%。

如果要进一步提高计量准确度，可在同一管线上安装两组传感器（即双声道）。

1.4 一体化毕托巴火炬气流量测量装置方案

毕托巴测量装置的工作原理可参考中石化企业标准Q/SH 0477—2012《毕托巴流量计校准规范》4.1款所述。它是一种新型的差压式流量计，由传感器、差压变送器、二次仪表组成，计算公式如下：

由于传感器测出的是管道中心点的介质流速，不能直接作为平均流速进行流量计算，毕托巴火炬气流量利用清华大学对管道流体状态30余年的研究成果，对不同管道状态下的流速分布建成无数实验模型，形成一个庞大数据库，其中包括各种介质、压力、温度下的补偿，以及管道直管段不足情况下的实验修正值。该数据库可以配选出用户任何工况的相应管道模型，精确修正后计算出准确的流量。其主要特点有：

1）量程比宽，适用范围广。流量计的管径范围在DN 2.5～DN6000管径范围内，可准确测量液体流速0.01m/s～20m/s，准确测量气体流速0.2m/s～150m/s。对低流速、小流量、大管径测量效果尤佳；流量计对介质管道截面的几何形状无要求，圆形、椭圆形、方形、长方形、棱形、三角形、梯形等均适用。

2）准确度高。每一台传感器都要在标准风洞上从1m/s风速到150m/s风速按要求逐点测出差压值和风洞标准值一一对应，二次表在计算流量时采用分段修正的方法对所测信号进行修正，在3%～100%（量程比：1：30）的流量范围内，可以保证传感器误差优于0.2%。

对于液体或蒸汽等其它介质，每台传感器在通过风洞装置标定合格后，都要根据其标定结果，结合液体或蒸汽等的计算模型进行修正计算；对于蒸汽等受温度压力变化影响较大的介质，在计算过程中加入了密度补偿。因此，在标准风洞上标定合格的传感器用在液体或蒸汽介质中时，其测量准确度是没有变化的。

3）弯管处不要求直管段。几十年风洞实验积累的数据库能完美地呈现出各种工况下在弯管处到前15倍管径之间的管段上安装传感器的修正系数数据库，只要用户提供现有直管段长度，通过系数修正即可保证测量准确度。

对此技术有在蒸汽和空气介质标准装置中的试验数据做支撑。

4）成功解决防堵问题。针对粘性介质及易堵塞介质的流量计量，成功研制了防堵型传感器，并已获得实用新型专利，已成功应用于高焦炉煤气、一二次风等易堵介质的测量中。

5）实用性强。传感器的构造非常简单，由Φ20mm不锈钢棒制成，其截面积很小，在介质管道中几乎无压力损失；且长时间应用不易磨损，即使有所磨损、结垢，也不影响使效果；安装也非常方便，只需在管道合适的位置上开一个规范的孔，可以在线开孔、在线安装，可在线拆卸校准，使用和维护很方便、安全。

1.5 一体化毕托巴火炬气流量测量装置系统方案

1.5.1 结构组成

毕托巴流量装置作为一种节能型产品（几乎没有压力损失）已广泛应用于单组份气体、液体和蒸汽计量过程。对于天然气、火炬气等多组分气体的准确计量，采用流量计和在线密度测量系统相结合的测量方式（简称火炬气流量测量装置），直接测量出介质的标况体积流量和质量流量。其结构示意图如图2所示。

图2 火炬气流量测量装置结构示意图Fig.2 Structure of torch gas flow measurement device

1.5.2 密度测量系统工作原理

瓦斯气密度测量系统由采样泵、过滤器、薄膜容器、压力变送器和密度分析仪组成。它是基于薄膜圆柱容器的共振频率随环境气体密度的变化而变化的特性，向同一容器提供两种频率，并测得谐振频率的比值，测得的频率是密度的函数。BTB402G型密度计是一种以微处理器为基础的变送器，有两种类型，以满足一般区域和防爆区域应用的要求。该密度测量系统不仅可以连续测量气体密度，也可显示气体比重、分子重量和气体浓度。另外，还可提供自动、半自动和 One-touch 一触式人工校正操作3种不同校正方式供选择。

1.5.3 流量积算仪的功能

特殊开发的流量积算仪具有相关管道流体修正数据，管道数学模型和相应计算软件，具有温度、压力、差压、湿度、密度、组分等多种补偿运算功能，可对流体流量进行多点标定数据修正；它还具有强大的通讯功能，可适配（4～20）mA信号、脉冲信号及Modbus等数字信号；特有的历史事件记忆、历史事件存储、双重口令限制功能可用于监控现场仪表的误操作和仪表断电管理。

2 应用案例

瓦斯计量要求一般有两种：一种是定性，只需测量其流量变化状态、趋势，了解是否排放异常；另一种是定量，需要相对准确的流量数据。建议瓦斯气计量要整体布局，考虑投资和需求两方面因素，根据不同的测量要求选择组合的测量方案，实现瓦斯气有效的计量和管理。

2.1 采用综合监控方案实施火炬气排放监控案例

某炼化企业在生产管理中高、中压瓦斯管网气源不稳定，管网压力波动大，高、中压瓦斯产耗出现阶段性不平衡；2006年底炼油千万吨改扩建装置全面投产后，排放的低压瓦斯点多而杂，压力低，杂质多，组分变化大，流量变化大，无计量手段，处于无序的排放状态；而瓦斯排放系统点多，没有可靠的数据认定排放源，无法落实各基层的责任；超出火炬系统回收能力被迫点火炬。2009年企业将进一步降低加工损失作为精细管理年重点工作目标，产生了对瓦斯系统的排放实施计量监控，从源头上控制瓦斯排放量的想法。

企业在瓦斯监控计量上通过摸索，最终形成了定量+定性相结合的综合监控方案。以生产作业部为监控对象，在区域总管或重点监控装置采用超声波流量计实现定量测量，对一般生产装置采用定性监控，通过趋势变化判断排放情况，通过适当合理布局配置实现瓦斯有效监控。

2.1.1 实施方案

在炼油区8个重点区域总管和关键装置排放点采用GF868火炬气超声波流量计，采用两个量程段设置，用于不同生产状态的监测。测量量程分别设定为0km3/h～20km3/h和0km3/h～600km3/h的瞬时体积流量及累计、瞬时质量流量及累计、实时分子量和流速，所有数据通过DCS进入瓦斯监控系统。

在炼油区25套装置出口进行趋势监控，其中9套装置采用该流量测量装置，16套装置出口采用“温度+阀位”，信号进DCS，并接入MES系统瓦斯监控系统，装置一旦出现异常情况，监控系统上温度或流量曲线就会表现出跳跃，再结合管线阀门的开关情况做出火炬气排放状态的判断。

结合装置检修及费用计划情况，分两批组织实施。第一批对炼油四部区域总管火炬气超声波及炼油装置温度+阀位监控，2009年炼油Ⅱ系列大修时组织实施。第二批监控项目在2011年炼油Ⅰ系列大修时组织实施。

2.1.2 实施效果

第一批火炬监控项目实施后，相关区域总管排放量由7kNm3/h～8kNm3/h下降到目前的2kNm3/h～3kNm3/h。1号、2号火炬熄灭，压缩机也由原来的开6台减少为4台。

第二批项目实施后，实现了确保瓦斯回收，减少火炬排放的目标。炼油区域火炬排放量由11km3/h降至7km3/h以下。每年可减少瓦斯脱硫3.504×108m3，节约脱硫费用94万元；减少火炬燃烧瓦斯1.50×107m3，折合人民币300万元；节约火炬压缩机用电726.12×107kw·h，折合人民币480万；还可避免气分装置液化气产品为瓦斯管网补压。项目预计每年效益874万元以上，实现经济和环保双收益。

2.2 采用在线密度计和流量计一体化组合方式准确测量瓦斯气案例

图3 火炬气毕托巴流量计现场安装图Fig.3 Torch gas Bituoba flowmeter field installation map

图4 焦化装置火炬气出装置流量曲线Fig.4 Flow curve of torchlight outlet unit of coking device

中石化股份天津分公司炼油部联合八车间延迟焦化装置的火炬气管道规格是DN600，使用进口热式质量流量计测量流量，半年以后的测量结果是大流量计量不准（与工艺匹配的估算量相比差距较大），小流量计量不上，只能采用“温度+阀位”，信号进DCS方式监控瓦斯气运行状态，装置一旦出现异常，监控系统上温度曲线就会表现出跳跃，再结合管线阀门的开关情况做出火炬气排放状态的判断。2015年9月，在原热式质量流量计的安装插孔位置，在不动火的条件下成功更换成火炬气毕托巴流量计，流量计现场安装图如图3所示。在控制室DCS系统上显示的2#焦化装置火炬气出装置流量曲线如图4所示。

由图4可以看出，火炬气毕托巴流量计可以测量出DN600管道内75Nm3/h的瓦斯气流量，与工艺估算值基本相符，达到了预期目的。

3 几种测量瓦斯气方法的优缺点分析

1）“温度+阀位”监控起到了定性监控排放的作用，但是当瓦斯组份没有发生变化时，流量变化不能引起温度变化，这部分监控效果体现不出来。同时对于持续地排放由于没有流量指示，无法对降低排放提供帮助。这种方法只能定性分析瓦斯气的排放情况。

2）热质流量计反应灵敏，有利于依靠流量变化趋势判断装置排放情况。

表1 工业常用消烟蒸汽火炬气流量数据Table 1 Data of gas flow of steam torch commonly used in industry

优点：直接测量气体的质量流量，不因压力、温度波动而失准；反应灵敏，可实现大口径小流量的测量；无可动部件，安装维护都比较简单，安装时注意流体方向应与热质式质量流量计方向一致；压损小可忽略；量程比宽；流量测量的最大允许误差可高达±0.5%。

缺点：对于采用恒定加热功率，测量温度差法的热式质量流量计，由于瓦斯气含有水分或带液，容易在加热探头上凝结，△T的误差将直接带来计量结果的误差，影响准确度，且瓦斯气中的污垢容易附着在传感器的表面，使之热传导性能变差而导致计量不准；对于采用恒温差法的热式质量流量计，必须提高加热功率，以达到以前的加热温度。因此，容易导致电加热回路断路，仪表故障率较高。

3）火炬气超声波流量计不仅能测量瓦斯流量，而且可以测量分子量，对分析确定瓦斯的组分，确定瓦斯具体装置来源有帮助。由于计量瓦斯气的超声波流量计绝大部分是进口产品，所以价格比较高。由于原理技术要求的原因，对安装条件要求比较高，二次检测难度大，服务费用相对高一些。

4）体积式流量计测量瓦斯气，由于瓦斯气密度变化较大，如果没有很好的密度补偿措施，其测得的质量流量准确度比较低，可用于依靠流量变化趋势判断装置的瓦斯气排放情况。

5）毕托巴流量计测量火炬气系统方案，是近几年计量技术发展才实现的。采用在线密度计与毕托巴流量计相结合的测量方式，可以准确测量瓦斯气的质量流量。火炬气毕托巴流量计是国产品牌，与同准确度的测量瓦斯气流量计相比，价廉物美[3]。

4 火炬消烟蒸汽计量方式

火炬气在炼化装置中燃烧后会生成烟灰，火炬冒黑烟将严重污染环境。为此，可加入蒸汽或空气来保证火炬气充分燃烧，消除烟灰与飞尘。因此，对如何提高火炬消烟蒸汽测量的准确性和可靠性，具有十分重要的实用价值。

4.1 消烟蒸汽的计量难点

某炼化企业100万吨／年乙烯工程火炬气系统，火炬使用的是1.6MPa等级蒸汽，用汽有两个用途：消烟（高架火炬与地面火炬）与伴热（各管线、仪表、罐、液位计等）。高架火炬量程是220t/h，地面火炬量程是50t/h，流量计量程是按事故状态下用量98t/h（高架火炬）、50t/h（地面火炬）设计的。

图5 毕托巴消烟蒸汽火炬气流量计安装方式Fig.5 Installation of Bitobar smoke steam torch gas flowmeter

火炬气通常分为正常生产时排放和非正常生产时的排放。在正常生产时排放气流量非常小、流速非常低，消烟蒸汽（助燃蒸汽）流量0.5t/h，相应流速非常低，V≤1m/s；火炬气在非正常排放时消烟蒸汽的流量会增加到470多倍，相应流速达50m/s。因此，准确测量难度非常大[4]。具体数据详见表1。

根据表1中数据，蒸汽测量仪表必须同时满足以下条件：

① 必须有大于1: 470的流量量程比，以满足不同流量的计量要求。

② 流量计必须长时间稳定、准确地在低流速（V≤1m/s）下测量。

③ 在非正常排放时，蒸汽流速会对传感器产生一定的冲击，流量传感器必须保证相应结构强度，保证安全稳定计量。

4.2 消烟蒸汽流量计测量方法

毕托巴消烟蒸汽流量计采用飞机空速管的测量原理。直接测量管道内介质流速。目前已能测量气体流速V＞6倍音速（6×340m/s（音速）＝2040m/s），也可测气体V≥0.3m/s时的低流速。气体流速量程比可达1：2000，完全可满足消烟蒸汽排放的宽量程比特殊测量需求。测量元件专门设计，传感器探头取压斜面等角对称设计，是下端的流动压力传导到取压孔，辅助增大传感器差压，最后需经过高精度风洞逐点标定修正，可以稳定准确测量V≥0.3m/s的流体速度。对于宽量程工况进行多台差压变送器并联组合，选用3台差压变送器，两台大量程的差压变送器和一台微差压变送器，经在流量标准装置实验验证，通过流量计算机自动无扰动优选切换并输出一个唯一的测量数据。