段天思，魏 晨，池光辉，张玉学，赵海涛

（北京航化节能环保技术有限公司，北京 100176）

0 引言

工业火炬系统一般用于天然气加工、炼油、石化、化工等工厂，它可以将无法回收和再加工的可燃或有毒气体收集后燃烧，是保障企业安全生产的一项重要措施。通过燃烧，火炬将废气转化为二氧化碳和水蒸气，从而大大降低废气的环境影响。这对保护工艺装置安全生产，节能降耗具有重要意义。

工业火炬排放气流量的计量一直以来都是炼油、石化、化工和其他各类工厂的需求，近年来，能源管理部门对工业火炬排放气流量计量提出了新的要求，必须实现持续不间断计量。随着企业内部精细化管理的不断深入，节能、减排对工业火炬排放气管理提出了更严格的要求，减少火炬气排放成为企业管理的重要任务之一[1]。

所以对工业火炬排放气流量能实现更加可靠、更准确的计量，具有十分重要的意义。然而，工业火炬排放气的计量对于设计单位和企业来说，一直都是介质流量计量中最为困难的，主要存在以下问题[2]：

1） 工业火炬排放气正常工况下排放量很小，而在上游生产装置出现故障时排放量很大，导致量程范围很宽，传统的流量测量方式难以测量。

2）工业火炬排放气在大量排放时，流速很高，对于测量元件的安全性要求很高。

3）工业火炬排放气工况多变，组分复杂，密度随之变化，增加计量难度。

4）工业火炬排放气管道口径不一，流量范围各异。

5）工业火炬排放气流量计不能对管道产生截流，影响紧急放空。

1 主要技术内容

通过对火炬排放气的现有计量方案进行深入调查研究，以工作中实际设计项目数据为例，选择出了可用于特定条件下的火炬排放气计量的流量计，从测量原理、技术参数、优缺点、使用性能、投资成本等各个方面进行了详细对比分析。

1.1 项目概况

内蒙古某大型企业新建年产100 万吨乙二醇项目需设一套高架火炬系统作为全厂开工、停车、事故排放及配套的安全设施。火炬采用高架捆绑火炬形式，总高120m，可保证装置在各工况下产生的火炬排放气能够及时、安全、可靠地放空燃烧，处理后的产物满足相关的环保要求。

本项目拟设置4 套火炬头，富氢事故火炬用于焚烧处理在气化炉开工、各装置事故、紧急、非正常生产工况下产生的易燃、有毒气体；酸性事故火炬用于焚烧处理在乙二醇装置开工、事故、紧急、非正常生产工况下产生的易燃、有毒气体；酸性气火炬用于焚烧处理在正常、事故、紧急、非正常生产工况下产生的酸性气体以及装置运行时产生的常排气体；低压火炬用于焚烧处理在正常、非正常生产工况下产生的易燃、有毒气体。

这4 个火炬系统可保证装置在开停车、事故及正常操作时产生的放空气能够及时、安全、可靠地放空燃烧，并对排放量进行准确的计量，满足相关的环保要求。

1.2 火炬排放气体汇总表

根据表1、表2 中的火炬排放气体相关条件可以得出：

表1 火炬排放气体汇总一Table 1 Summary of gas discharged from flare I

表2 火炬排放气体汇总二Table 2 Summary of flare emissions gas II

1）事故火炬排放气共有7 个工况，且成分各不相同，最大流量为2317.266t/h，最小流量为1.849t/h，有3 个工况含水量较高。

2）酸火炬排放气共有2 个工况，且成分各不相同，最大流量为12.733t/h，最小流量为0.833t/h。

3）酸性气火炬排放气共有1 个工况，最大流量为41.838t/h。

4） 低压火炬排放气共有3 个工况，其成分各不相同，且为连续排放，最大流量为2.163t/h，最小流量为0.006t/h。

1.3 火炬排放气的计量原理

1.3.1 热式气体质量流量计

热式气体质量流量计利用的是温差法测量原理，即利用流动中的流体与热源（流体中加热的物体）之间热交换关系测量流体的流量，主要用于测量气体[3]。

其工作原理如图1 所示。

图1 温差法测量原理Fig.1 Measurement principle of temperature difference method

该流量计的测量元件由两个RTD 铂热电阻组成。其中，一只RTD 作为参考端，用于检测介质的当前实际温度；另一只RTD 作为测量端，其内部装有一个独立的加热器，当传感器置于无流量的介质中时，由于测量端恒定功率加热的作用，将在两只RTD 间形成一个温度差值（∆T）。当介质流过测量端表面时，基于热传导原理，介质分子将带走测量端RTD 表面的部分热量，而参考端RTD 的温度将保持不变，进而造成两只RTD 间温度差值的变化。温差的变化与介质的流量及介质本身的热特性有关，较高的流速或密度较大的介质将加快两RTD 间温差的变化，两个RTD之间的温差在无流量的状态下达到最大。随着流量的增加，被加热的RTD 冷却，温差就减小。所以，根据两个RTD铂热电阻间温度差值的变化可以推算出介质的流量，通过线性化电路将温差的变化转换成与流量相对应的输出信号。

1.3.2 毕托巴流量计

毕托巴流量计采用压差法测量原理，主要由节流装置、引压管线以及差压变送器组成。当流体流经节流装置时，流体会在节流装置的作用下局部收缩。流经节流装置后，流速会瞬间增大，压力陡然降低，在节流装置前后会产生一个差压，管道内流体的流量越大，节流装置前后的差压就越大。差压的大小与流量、节流装置形式、流体的物理性质等因素有关[4,5]。

1.3.3 气体超声波流量计

超声波流量计采用时差法测量原理，即通过测量超声波束在流体中顺流和逆流传播的时间差来计算流体流量的一种方法[6]。

其工作原理如图2 所示。在管道上安装有超声波流量计的一对可直接接触被测气体的“湿式”超声波传感器，每个传感器都能发射和接收超声波信号。流量计电子部件能够精确地测量声波在两个传感器之间传播所用的时间，分别测量顺流方向和逆流方向传播所需的时间，进而得到顺流传播与逆流传播的时间差，管道内介质的流速与此时间差成比例关系。实际体积流量是流速和管道内横截面积的乘积。已知气体的温度和压力，即可计算标准体积流量[7-10]。

图2 时差法测量原理Fig.2 Measurement principle of time difference method

在图2 中，假设在流体静止时的超声波速度为V0，流体速度为V，传感器A 和B 的距离为L，超声波传播路线与管道水平方向的夹角为θ，管道公称直径为D，两个传感器安装的水平间距为d，超声波在传感器A 和B 之间的顺气流传播时间为t+，逆气流传播时间为t-。

则

t+和t-的差值∆t 为：

由于流体的流速V 远远小于超声波在介质中的速度V0，式（2）可简化为：

流体的流速为：

由式（4）可以得出：当V0 和d 为固定值时，流体的流速与超声波传播的时间差成正比关系。

所以流体的体积流量Qv 则可以表示为：

由以上可以得出，当V0、D 和d 为已知时，通过测量超声波传播的时间差就可以计算出流体的实时体积流量。

通过测量出超声在流体中波传播的时间，再由传播距离和传播时间可以得出实际传播速度。

式（6）中：Vs——超声波在流体中实际传播速度；tp——超声波在流体中传播的平均时间。

已知：在固定温度和压力下的同种流体，超声波在该流体中传播的速度保持不变，所以在知道超声波在流体中实际传播速度，并测得实际温度及压力后，可以反推出流体的平均分子量。

在知道流体的平均分子量、温度、压力后，可以求得流体的实际密度，然后再通过公式（7）计算后就可以得到准确度比较高的流体的质量流量。

式（7）中：Qm——流体的质量流量；ρ——流体的密度。

1.4 计量方案的总结分析

1.4.1 参数分析

通过对上述可用于工业火炬排放气的计量方案原理与实际使用条件进行对比分析，总结见表3。

表3 火炬排放气流量计参数分析表Table 3 Parameter analysis of flare discharge flowmeter

通过分析得出：

3 种流量计测量原理各不相同，直接导致了性能的差异化。

在适用温度方面，热式质量流量计和毕托巴流量计的传感器为全金属元件，所以对温度的适应性更强。超声波流量计由于需要通过电子元件发射声波，所以受电子元件耐温影响，不适应于高温环境。

量程比是火炬气测量的重要参数，超声波流量计由于是通过声速测量，声速可检测性强，故量程比表现优异，达到了3280:1；毕托巴流量计由于采用的是压差测量，受差压测量精度的影响，故量程比较低，仅为30:1；热式气体质量流量计表现居中。

适用气体组分范围方面，气体超声波流量计测量时受气体特性影响小，可适用气体范围广，不需要现场标定；热式气体质量流量计受气体特性影响较大，气体组分发生变化时，需要重新现场标定。

1.4.2 优缺点分析

气体超声波流量计测量不依赖于气体特性，具有量程比宽、精度高、维护简单等特点，可适用于各种复杂工况，但缺点是其价格相对较高，配件成本高，新产品性能有待市场长期使用验证。如果预算充足，超声波流量计是工业火炬排放气测量比较理想的产品。

他是山东省章丘市食品药品监管局的负责人。在他的带领下，该局先后荣获全国食品药品监管系统先进集体、省食品药品监管系统先进集体和先进基层党组织、省级文明单位等荣誉称号。

热式气体质量流量计具有精度高、量程比宽、响应速度快、耐温高、价格适中等特点，但缺点是需要使用被测气体进行标定校准，不适用于气体组分复杂多变的工况。如果工业火炬排放气组分相对固定，工况较少，热式质量流量计是一款高性价比的产品。

毕托巴流量计的主要优点是成本低，并且该流量计所采用的差压测量技术已经非常成熟。但缺点是其量程比较窄，对于低压工业火炬排放气的测量不适用。但是目前此类仪表国产化较多，在合适的工况下可以选用差压流量计，节省成本的同时，可以推进工业火炬排放气测量国产化的进程。

1.5 对本案例项目计量方案的设计

从技术层面，经过对该项目设计基础参数的计算和使用条件的选择，得出：

1）气体超声波流量计由于量程比宽，测量不受气体特性的影响，所以对于4 套火炬装置的排放气均能适用。

2）热式气体质量流量计由于量程比较宽，直接测量气体的质量流量，不因压力、温度波动而失准，但由于其需要根据不同的测量工况进行标定，不适用于复杂工况的测量。所以对于事故火炬不适用，对于酸火炬、酸性气火炬和低压火炬可以适用。

3）毕托巴流量计由于量程比较窄，不适用于测量密度变化大的气体，所以可适用于酸性气火炬排放气的测量。

从成本层面，气体超声波流量计虽适用范围广，但为了保证精度需要使用双声道产品，其价格极高；热式气体质量流量计适用范围不及气体超声波流量计，但也能适用部分工况，其价格适中；毕托巴流量计虽然价格较低，但是适用范围较窄，仅适用于少数工况。

最后，通过对企业的计量要求，现有各种计量方案、技术参数、使用条件、测量精度、前期投入成本和后期维护等的综合考虑，最终方案为：事故火炬选用1 台气体超声波流量计，酸火炬、酸性气火炬和低压火炬选用3 台热式气体质量流量计。

2 技术方案应用、验证及前景

针对现有火炬排放气计量方案的不足，结合各种现有计量方案的特点，以及内蒙古某大型企业新建年产100 万吨乙二醇项目所排工业火炬排放气组分的条件，对火炬排放气计量监控方案进行新型优化选型设计。通过对工业火炬排放气排放条件的分析，经过详细的计算和选型对比，得出无论选用哪一种单一的计量方案，都不是最优的计量监控方案，最终通过对企业计量需求以及相关部门计量要求的研究，以及现有各种计量方案的技术参数、使用条件、测量精度、前期投入成本和后期维护等的综合考虑，最终提出的计量方案在满足企业计量要求的同时，总投资成本比企业最初预计的使用4 台超声波流量计，节省了约200万，在满足相关部门要求的同时，为企业节省了大量成本。并经项目开车使用验证，该火炬排放气计量方案实现了安装简单，测量数据准确，维护工作量小，有效满足测量要求，节省了投资成本和维护成本。

笔者认为工业火炬排放气计量要整体布局，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，实现火炬排放气有效的计量和管理。此“量性结合”综合计量监控方案，即在重要火炬系统排放气采用超声波流量计实现高精度定量测量；对一般火炬系统采用精准定性与粗定量相结合，通过趋势变化判断排放情况，通过适当合理布局配置实现火炬排放气的有效监控，最终实现企业经济和环保双收益。

随着近年来企业精细化管理的不断深入，该计量监控方案不仅可以实现计量需求，为企业节省投资，还可以减少物料损失，为工艺装置的生产安全保障提供准确的数据支持，缓解企业安全管理压力，为企业火炬系统的节能、减排增加可量化的管理模式，有效落实各基层的责任，达到减少工业火炬排放气排放，减少环境影响，为企业各方面增添效益，具有广泛的应用和推广价值。该方案可以应用于其他化工、石化、炼油、煤化工等行业高架火炬、封闭式地面火炬、敞式地面火炬等各种有毒有害火炬排放气的计量和监控。

3 结论

本文通过对目前可适用于工业火炬排放气流量计量方案进行深入地分析研究，结合各行业火炬排放气的工况及基础条件，最终选择出了气体超声波流量计、热式气体质量流量计、毕托巴流量计等3 种流量计，可用于特定条件下的火炬排放气计量，从3 种流量计的测量原理、技术参数、优缺点、使用性能、投资成本、适用性等方面进行了详细对比分析。通过对现有检测手段的对比分析，以及目前计量方案的不足之处，进行新型优化选型设计，提出一种“量性结合”的综合计量监控方案，并结合实际的大型火炬系统项目。从设计选型、安装施工、调试开车、使用维护等进行全程跟踪，有效实现企业的计量需求，满足相关部门的计量监控要求的同时，降低企业投资和维护成本，实现了一定的技术和经济效应。

随着目前环保部门及企业对于工业火炬排放气计量要求越来越高，新型的火炬排放气的计量方案的应用也将越来越广泛，可以帮助火炬系统的设计单位形成一套可行的火炬排放气的计量解决方案，为相关设计人员提供技术参考，为企业减少投资，帮助火炬成套供应商提高项目竞争力，带来更多的经济增长。