從裝置出來的瓦斯氣主要來自工藝廢氣，是裝置的“下水道”，因計(jì)量難度大，原裝置設(shè)計(jì)中一般沒有計(jì)量儀表。近年來，隨著計(jì)量技術(shù)進(jìn)步和企業(yè)管理要求不斷提高，節(jié)能、降損、環(huán)保等工作都對(duì)火炬管理提出了更高的要求。因此，消滅火炬成為各企業(yè)管理的重要目標(biāo)。生產(chǎn)裝置瓦斯排放量超出火炬系統(tǒng)回收能力是導(dǎo)致點(diǎn)火炬的直接原因，而瓦斯排放點(diǎn)多，又沒有可靠的計(jì)量數(shù)據(jù)認(rèn)定排放源，無法確定排放源，也是導(dǎo)致瓦斯排放量大、導(dǎo)致企業(yè)能源損失并產(chǎn)生環(huán)境污染的重要原因。因此，各企業(yè)都在尋求對(duì)瓦斯系統(tǒng)的排放實(shí)施計(jì)量監(jiān)控的措施，從源頭上控制瓦斯排放[1]。

瓦斯氣是來自生產(chǎn)裝置中的工藝廢氣。特點(diǎn)是壓力低、雜質(zhì)多、組分變化大、流量變化大，而且?guī)в兴畾?。因此，要求?jì)量儀表不僅具有量程比寬和防堵功能，而且還要多組分介質(zhì)密度實(shí)時(shí)補(bǔ)償；同時(shí)還能保證裝置在緊急情況所有氣體能夠快速安全排放。為此，節(jié)流裝置不能縮管；也不能選用阻力損失較大的流量儀表；再之就是瓦斯排放計(jì)量點(diǎn)多，幾乎每個(gè)裝置都有瓦斯線，瓦斯排放點(diǎn)多面雜，不便監(jiān)控管理。

1瓦斯氣的計(jì)量方案

1.1熱電偶+電動(dòng)閥

這種測量方法嚴(yán)格來說不屬于計(jì)量，屬于趨勢變化的監(jiān)控。結(jié)合瓦斯氣排放的特點(diǎn)，可根據(jù)溫度變化辨別排放情況。在未實(shí)施瓦斯監(jiān)控前，每次出現(xiàn)瓦斯不平衡時(shí)，通常要檢查人員到現(xiàn)場對(duì)可疑管線用手摸溫度來排查瓦斯來源，據(jù)此提出了采用“溫度+閥位”來判斷裝置是否排放異常。具體為在裝置瓦斯管線上增設(shè)熱電偶，將測溫及電動(dòng)閥開度信號(hào)接入DCS；手動(dòng)閥實(shí)施鉛封管理。將相應(yīng)的信號(hào)接入MES系統(tǒng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，裝置一旦出現(xiàn)異常情況， 監(jiān)控系統(tǒng)上溫度曲線就會(huì)表現(xiàn)出跳躍，再結(jié)合管線閥門的開關(guān)情況做出定性的判斷。

1.2熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量方案

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)利用的是熱傳導(dǎo)原理，即利用流動(dòng)中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測量管外加熱體）之間熱交換關(guān)系測量流體的流量，主要用于測量氣體。該流量計(jì)主要有兩大類，一是采用測量管外加熱進(jìn)行熱傳導(dǎo)的熱分布類；二是利用熱散效應(yīng)金氏定律的插入類；前者適用于口徑較小的場合，而后者主要用于大口徑。所以一般測量火炬氣基本都選用插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。

插入式熱式質(zhì)量流量計(jì)是應(yīng)用恒定加熱功率測量溫度差的原理，將兩個(gè)溫度傳感器分別置于兩個(gè)金屬管內(nèi)，金屬管插在被測氣體中，其中一個(gè)用于測量氣體溫度T1，另

一個(gè)用于電加熱，加熱溫度T ，氣體靜止時(shí)，△T=T -T 是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)有定質(zhì)量的氣體流動(dòng)時(shí)，氣體將帶走加熱的熱量。流速增加，帶走的熱量增多，△T減小，可通過△T 的變化計(jì)算出管道內(nèi)流動(dòng)氣體的氣體質(zhì)量。

1.3超聲波流量計(jì)計(jì)量方案

1.3.1超聲波流量計(jì)工作原理

超聲波流量計(jì)主要由超聲換能器（傳感器）、信號(hào)處理單元和（或）流量計(jì)算機(jī)組成。在管道的上下游安裝傳感器，兩個(gè)傳感器分別向氣體的順流和逆流的方向發(fā)射脈沖，又分別接收來自相對(duì)傳感器的發(fā)射脈沖[2]，如圖1所示。 超聲波流量計(jì)的工作原理是利用超聲波在流體中的傳

播特性來測量介質(zhì)流量。聲波在流體中的實(shí)際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度cf和流體軸向平均流速vm

在聲波傳播方向上的分量組成，順流和逆流傳播時(shí)間與各分量之間的關(guān)系見公式（1）：

             （1） 式（1）中， t ab ——超聲波在流體中順流傳播的時(shí)

間，s；

tba——超聲波在流體中逆流傳播的時(shí)間，s； L—— 聲 道 長 度 ，m；           cf——聲波在流體中傳播的速度，m/s； vm——流體的軸向平均流速，m/s；   φ——聲道角。

                        （2） 將測得的多個(gè)聲道的流體流速vi （i=l，2，…k），利

用數(shù)學(xué)的函數(shù)關(guān)系聯(lián)合起來，可得到管道平均流速的估計(jì)值，再乘以過流面積，即可得到體積流量。

1.3.2 火炬氣超聲波流量計(jì)系統(tǒng)方案

由于氣體隨著溫度、壓力、組分變化，其密度也隨之變化，所以要準(zhǔn)確測量氣體質(zhì)量流量，必須解決在線密度實(shí)時(shí)補(bǔ)償問題，否則就會(huì)給測量帶來很大誤差。常規(guī)的溫度、壓力補(bǔ)償，只是補(bǔ)償因溫度、壓力變化而產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)體積變化，無法反應(yīng)由于組分的變化而引起的密度變化。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，一種專門用來測量瓦斯氣的“火炬氣超聲波流量計(jì)”應(yīng)運(yùn)而生。這種流量計(jì)與普通超聲波流量計(jì)的區(qū)別是與之配套使用的流量計(jì)算機(jī)所具有的專用技術(shù)，它能通過聲速測量碳?xì)浠衔锏钠骄肿恿浚梢院芎玫亟鉀Q瓦斯氣變組分的問題，實(shí)現(xiàn)在線密度實(shí)時(shí)補(bǔ)償；再根據(jù)兩個(gè)傳感器互相接收對(duì)方發(fā)射的脈沖時(shí)間差，可直接計(jì)算出瓦斯氣的實(shí)際體積流量和質(zhì)量流量； 同時(shí)測量管徑可以從50mm～3m，有效地解決了瓦斯氣管徑一般都比較大（如600mm等）一般熱式質(zhì)量流量計(jì)難以達(dá)

到要求的問題；且測量準(zhǔn)確度比較高，校準(zhǔn)結(jié)果的***大允許誤差可達(dá)讀數(shù)的±0.5%。

如果要進(jìn)一步提高計(jì)量準(zhǔn)確度，可在同一管線上安裝兩組傳感器（即雙聲道）。

1.4一體化畢托巴火炬氣流量測量裝置方案

畢托巴測量裝置的工作原理可參考中石化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 0477—2012《畢托巴流量計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》4.1款所述。它是一種新型的差壓式流量計(jì)，由傳感器、差壓變送器、二次儀表組成，計(jì)算公式如下：

                            （3）

由于傳感器測出的是管道中心點(diǎn)的介質(zhì)流速，不能直接作為平均流速進(jìn)行流量計(jì)算，畢托巴火炬氣流量利用清華大學(xué)對(duì)管道流體狀態(tài)30余年的研究成果，對(duì)不同管道狀態(tài)下的流速分布建成無數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，形成一個(gè)龐大數(shù)據(jù)庫，其中包括各種介質(zhì)、壓力、溫度下的補(bǔ)償，以及管道直管段不足情況下的實(shí)驗(yàn)修正值。該數(shù)據(jù)庫可以配選出用戶任何工況的相應(yīng)管道模型，修正后計(jì)算出準(zhǔn)確的流量。其主要特點(diǎn)有：

1）量程比寬，適用范圍廣。流量計(jì)的管徑范圍在DN

2.5～DN6000管徑范圍內(nèi)，可準(zhǔn)確測量液體流速0.01m/s～

20m/s，準(zhǔn)確測量氣體流速0.2m/s～150m/s。對(duì)低流速、小流量、大管徑測量效果尤佳；流量計(jì)對(duì)介質(zhì)管道截面的幾何形狀無要求，圓形、橢圓形、方形、長方形、棱形、三角形、梯形等均適用。

2）準(zhǔn)確度高。每一臺(tái)傳感器都要在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞上從1m/s 風(fēng)速到150m/s風(fēng)速按要求逐點(diǎn)測出差壓值和風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)值一 一對(duì)應(yīng)，二次表在計(jì)算流量時(shí)采用分段修正的方法對(duì)所測信號(hào)進(jìn)行修正，在3％～100％（量程比：1：30）的流量范圍內(nèi)，可以保證傳感器誤差優(yōu)于0.2％。

對(duì)于液體或蒸汽等其它介質(zhì)，每臺(tái)傳感器在通過風(fēng)洞裝置標(biāo)定合格后，都要根據(jù)其標(biāo)定結(jié)果，結(jié)合液體或蒸汽等的計(jì)算模型進(jìn)行修正計(jì)算；對(duì)于蒸汽等受溫度壓力變化影響較大的介質(zhì)，在計(jì)算過程中加入了密度補(bǔ)償。因此， 在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞上標(biāo)定合格的傳感器用在液體或蒸汽介質(zhì)中時(shí)，其測量準(zhǔn)確度是沒有變化的。

3）彎管處不要求直管段。幾十年風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)庫能完美地呈現(xiàn)出各種工況下在彎管處到前15倍管徑之間的管段上安裝傳感器的修正系數(shù)數(shù)據(jù)庫，只要用戶提供現(xiàn)有直管段長度，通過系數(shù)修正即可保證測量準(zhǔn)確度。

對(duì)此技術(shù)有在蒸汽和空氣介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)裝置中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐。

4）成功解決防堵問題。針對(duì)粘性介質(zhì)及易堵塞介質(zhì)的流量計(jì)量，成功研制了防堵型傳感器，并已獲得實(shí)用新型專利，已成功應(yīng)用于高焦?fàn)t煤氣、一二次風(fēng)等易堵介質(zhì)的測量中。

5）實(shí)用性強(qiáng)。傳感器的構(gòu)造非常簡單，由Φ20mm不銹鋼棒制成，其截面積很小，在介質(zhì)管道中幾乎無壓力損失；且長時(shí)間應(yīng)用不易磨損，即使有所磨損、結(jié)垢，也不影響使效果；安裝也非常方便，只需在管道合適的位置上開一個(gè)規(guī)范的孔，可以在線開孔、在線安裝，可在線拆卸校準(zhǔn)，使用和維護(hù)很方便、安全。

1.5一體化畢托巴火炬氣流量測量裝置系統(tǒng)方案

1.5.1結(jié)構(gòu)組成

畢托巴流量裝置作為一種節(jié)能型產(chǎn)品（幾乎沒有壓力損失）已廣泛應(yīng)用于單組份氣體、液體和蒸汽計(jì)量過程。對(duì)于天然氣、火炬氣等多組分氣體的準(zhǔn)確計(jì)量，采用流量計(jì)和在線密度測量系統(tǒng)相結(jié)合的測量方式（簡稱火炬氣流量測量裝置），直接測量出介質(zhì)的標(biāo)況體積流量和質(zhì)量流量。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.5.2密度測量系統(tǒng)工作原理

瓦斯氣密度測量系統(tǒng)由采樣泵、過濾器、薄膜容器、壓力變送器和密度分析儀組成。它是基于薄膜圓柱容器的共振頻率隨環(huán)境氣體密度的變化而變化的特性，向同一容器提供兩種頻率，并測得諧振頻率的比值，測得的頻率是密度的函數(shù)。BTB402G型密度計(jì)是一種以微處理器為基礎(chǔ)的變送器，有兩種類型，以滿足一般區(qū)域和防爆區(qū)域應(yīng)用的要求。該密度測量系統(tǒng)不僅可以連續(xù)測量氣體密度，也可顯示氣體比重、分子重量和氣體濃度。另外，還可提供自動(dòng)、半自動(dòng)和 One-touch 一觸式人工校正操作3種不同校正方式供選擇。

1.5.3流量積算儀的功能

特殊開發(fā)的流量積算儀具有相關(guān)管道流體修正數(shù)據(jù)， 管道數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)計(jì)算軟件，具有溫度、壓力、差壓、濕度、密度、組分等多種補(bǔ)償運(yùn)算功能，可對(duì)流體流量進(jìn)行多點(diǎn)標(biāo)定數(shù)據(jù)修正；它還具有強(qiáng)大的通訊功能，可適配

（4～20）mA信號(hào)、脈沖信號(hào)及Modbus等數(shù)字信號(hào)；特有的歷史事件記憶、歷史事件存儲(chǔ)、雙重口令限制功能可用于監(jiān)控現(xiàn)場儀表的誤操作和儀表斷電管理。

2應(yīng)用案例

瓦斯計(jì)量要求一般有兩種：一種是定性，只需測量其流量變化狀態(tài)、趨勢，了解是否排放異常；另一種是定量，需要相對(duì)準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。建議瓦斯氣計(jì)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(shí)現(xiàn)瓦斯氣有效的計(jì)量和管理。

2.1采用綜合監(jiān)控方案實(shí)施火炬氣排放監(jiān)控案例

某煉化企業(yè)在生產(chǎn)管理中高、中壓瓦斯管網(wǎng)氣源不穩(wěn)定，管網(wǎng)壓力波動(dòng)大，高、中壓瓦斯產(chǎn)耗出現(xiàn)階段性不平衡；2006年底煉油千萬噸改擴(kuò)建裝置全面投產(chǎn)后，排放的低壓瓦斯點(diǎn)多而雜，壓力低，雜質(zhì)多，組分變化大，流量變化大，無計(jì)量手段，處于無序的排放狀態(tài)；而瓦斯排放系統(tǒng)點(diǎn)多，沒有可靠的數(shù)據(jù)認(rèn)定排放源，無法落實(shí)各基層的責(zé)任；超出火炬系統(tǒng)回收能力被迫點(diǎn)火炬。2009年企業(yè)將進(jìn)一步降低加工損失作為精細(xì)管理年重點(diǎn)工作目標(biāo)，產(chǎn)生了對(duì)瓦斯系統(tǒng)的排放實(shí)施計(jì)量監(jiān)控，從源頭上控制瓦斯排放量的想法。

企業(yè)在瓦斯監(jiān)控計(jì)量上通過摸索，***終形成了定量+ 定性相結(jié)合的綜合監(jiān)控方案。以生產(chǎn)作業(yè)部為監(jiān)控對(duì)象， 在區(qū)域總管或重點(diǎn)監(jiān)控裝置采用超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)定量測量，對(duì)一般生產(chǎn)裝置采用定性監(jiān)控，通過趨勢變化判斷排放情況，通過適當(dāng)合理布局配置實(shí)現(xiàn)瓦斯有效監(jiān)控。

2.1.1實(shí)施方案

在煉油區(qū)8個(gè)重點(diǎn)區(qū)域總管和關(guān)鍵裝置排放點(diǎn)采用GF868火炬氣超聲波流量計(jì)，采用兩個(gè)量程段設(shè)置，用于不同生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)測。測量量程分別設(shè)定為0km3/h～20km3/h 和0km3/h～600km3/h的瞬時(shí)體積流量及累計(jì)、瞬時(shí)質(zhì)量流量及累計(jì)、實(shí)時(shí)分子量和流速，所有數(shù)據(jù)通過DCS進(jìn)入瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。

在煉油區(qū)25套裝置出口進(jìn)行趨勢監(jiān)控，其中9套裝置采用該流量測量裝置，16套裝置出口采用“溫度+閥位”，信號(hào)進(jìn)DCS，并接入MES系統(tǒng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，裝置一旦出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)上溫度或流量曲線就會(huì)表現(xiàn)出跳躍，再結(jié)合管線閥門的開關(guān)情況做出火炬氣排放狀態(tài)的判斷。

結(jié)合裝置檢修及費(fèi)用計(jì)劃情況，分兩批組織實(shí)施。批對(duì)煉油四部區(qū)域總管火炬氣超聲波及煉油裝置溫度+閥位監(jiān)控，2009年煉油Ⅱ系列大修時(shí)組織實(shí)施。第二批監(jiān)控項(xiàng)目在2011年煉油Ⅰ系列大修時(shí)組織實(shí)施。

2.1.2實(shí)施效果

批火炬監(jiān)控項(xiàng)目實(shí)施后，相關(guān)區(qū)域總管排放量由7kNm3/h～8kNm3/h下降到目前的2kNm3/h～3kNm3/h。1號(hào)、2號(hào)火炬熄滅，壓縮機(jī)也由原來的開6臺(tái)減少為4臺(tái)。

第二批項(xiàng)目實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)了確保瓦斯回收，減少火炬排放的目標(biāo)。煉油區(qū)域火炬排放量由11km3/h降至7km3/h以下。每年可減少瓦斯脫硫3.504×108m3，節(jié)約脫硫費(fèi)用94萬元；減少火炬燃燒瓦斯1.50×107m3，折合人民幣300萬元； 節(jié)約火炬壓縮機(jī)用電726.12×107kw•h，折合人民幣480萬； 還可避免氣分裝置液化氣產(chǎn)品為瓦斯管網(wǎng)補(bǔ)壓。項(xiàng)目預(yù)計(jì)每年效益874萬元以上，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙收益。

2.2采用在線密度計(jì)和流量計(jì)一體化組合方式準(zhǔn)確測量瓦斯氣案例

中石化股份天津分公司煉油部聯(lián)合八車間延遲焦化裝置的火炬氣管道規(guī)格是DN600，使用進(jìn)口熱式質(zhì)量流量計(jì)測量流量，半年以后的測量結(jié)果是大流量計(jì)量不準(zhǔn)（與工藝匹配的估算量相比差距較大），小流量計(jì)量不上，只能采用“溫度+閥位”，信號(hào)進(jìn)DCS方式監(jiān)控瓦斯氣運(yùn)行狀態(tài)，裝置一旦出現(xiàn)異常，監(jiān)控系統(tǒng)上溫度曲線就會(huì)表現(xiàn)出跳躍，再結(jié)合管線閥門的開關(guān)情況做出火炬氣排放狀態(tài)的判斷。2015年9月，在原熱式質(zhì)量流量計(jì)的安裝插孔位置， 在不動(dòng)火的條件下成功更換成火炬氣畢托巴流量計(jì)，流量計(jì)現(xiàn)場安裝圖如圖3所示。在控制室DCS系統(tǒng)上顯示的2#焦化裝置火炬氣出裝置流量曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，火炬氣畢托巴流量計(jì)可以測量出DN600管道內(nèi)75Nm3/h的瓦斯氣流量，與工藝估算值基本相 符，達(dá)到了預(yù)期目的。