浅议硫磺制酸装置中冷冻水流量计及其他流量计的选用

摘要: 介绍了硫磺制酸装置各种介质流量计的选型及使用情况，探讨了流量计应用的考量点、流量计检定及能源计量的合规性等多方面问题。实践证明: 自动化仪表控制是减少装置安全风险的根本性手段。自动化仪表方案一定要简单有效，配置的检测设备要能很好适应所测量的环境，*好能达到 3年免维护稳定可靠运行，并且价格不高。
流量、物位、温度、压力是过程控制的四大参数，但流量的测量*为复杂。如何选用好流量计一直是行业难点。流量计相关的理论书籍很多，产品资料也很丰富，一方面很好地指导了流量计的应用，另一方面也容易产生选用流量计上的困惑。借鉴各行业积累的成功应用案例，是减小选用风险*为有效的途径。如选用的仪表能一步测量到位、长期稳定运行，不仅能提高生产控制的安全可靠性，还能有效控制环保指标，节能降耗。
硫磺制酸装置涉及的流量测量有工艺水、循环水、生活水、脱盐水、污水、硫酸铵、硫酸钠、液氨( 气液混合氨) 、液体硫磺、130 ℃ 以下硫酸、230 ℃ 以下硫酸、低压蒸汽、中压蒸汽、压缩空气、仪表空气、主风机风量、尾气等。
 1 各介质流量计的选用
1. 1 工艺水、循环水、生活水流量测量工艺水、循环水、生活水流量测量可选用差压类、电磁类、涡街类、旋翼螺翼类、涡轮类、超声波等流量计。
水类介质一般不复杂，旋翼螺翼流量计( 或带传讯装置) 和冷冻水流量计是较好的选择。旋翼螺翼流量计阻力小，较为节能，量程比在 100 以上，有的甚至达到 250。在水流量大范围变化时也能实现准确测量，其寿命一般超过 10 年，基本免维护。旋翼螺翼流量计价格非常便宜，是冷冻水流量计的 1 /2 以 下。如要冷冻水流量计运行超过 10 年，建议选用进口品*产品。
其他类型流量计量程比都比较小，一般在 30 以下; 有的价格高，有的需要维护，有的有可动部件。旋翼螺翼流量计也有可动部件，但大品*寿命一般在 10 年以上。
对于 DN800 以上大口径流量测量，如输送泵带变频装置，仍推荐选用进口冷冻水流量计，可靠又节能; 如选国产产品，建议做好表头备件。如对管路阻力不敏感，可考虑选用孔板流量计，其测量系统非常便宜。选超声波流量计要慎重，因为管道的结垢、锈蚀和腐蚀*可能造成超声波失信或信号品质差，从而导致测量失灵。
1. 2 污水流量测量
污水流量测量可选冷冻水流量计、差压类流量计、超声波流量计。硫酸的污水流量变化较大，推荐选用冷冻水流量计，其电*材质可考虑选用哈氏合金、钽。
1. 3 脱盐水流量测量
脱盐水流量测量可选用差压类流量计、旋涡类流量计。差压类流量计如孔板或喷嘴流量计价格便宜，如量程比要求不高，可以选用。旋涡流量计推荐选用横河 DY 型，笔者使用过十几台该类型的流量计，历经 10 多年没有一台出现问题，该流量计还可以耐受很高程度的振动。对电导率较高的脱盐水，也有建议选用电容式冷冻水流量计，但该流量计比较贵，并且在低电导率下运行不太稳定。
1. 4 硫酸铵、硫酸钠流量测量
硫酸铵、硫酸钠流量测量可选用冷冻水流量计、质量流量计。质量流量计可增选密度输出，对硫酸铵、硫酸钠的操作指标控制有帮助。不过结垢对质量流量计密度测量影响比较明显，需定期清理，比如配管增加热水或蒸汽的冲洗接口。
1. 5 氨流量测量
氨属于价值较高的介质，且易气化，建议氨流量测量直接选用质量流量计。该流量计不仅准确，且量程比高。选用前需对氨的压力和温度作细致考证。如确定氨存在气液混相，建议选横河质量流量计，流量大时还需多个流量计并联使用。笔者有连续 4 年使用该流量计的经历，该流量计可测量程比超过 600，物料核算合理且长期稳定。
1. 6 液体硫磺流量测量
液体硫磺流量测量可选用质量流量计、转子流量计、超声波流量计、楔式流量计、涡街流量计等。如该流量计长期测量稳定准确，可为有效预防升华硫提供条件，也便于核算消耗。经验表明，罗斯蒙特 CMF 质量流量计可实现该目标。笔者曾用过一款 E+H 质量流量计，有时零漂特别大。横河质量流量计据说也有成功运行的业绩。有条件的单位尽量选用进口质量流量计。有资料或厂家对质量流量计有如下使用要求: 需要加支撑，手不能摸，风吹大了有影响，不能有安装应力。实际这些要求都可忽略，现实应用中几乎没有这么理想的条件。转子流量计容易出现卡涩。笔者认为，设备供应商可以对导向结构进行改进，以解决转子流量计卡涩的问题。
超声波流量计国外有应用业绩，施工安装稍显麻烦，且价格较高。
楔式流量计因采用差压原理，会有零漂，量程比偏低，准确性也不太高。
涡街流量计*好选用国产机械滤波产品，响应速度快，结构简单，准确性尚可。如是卡片式，可不需要夹套。涡街流量计是以上流量计中价格*便宜的，可测量量程比在 10 以上; 如表头质量好，可实现 3 年免维护运行。限于雷诺数考虑，表压损稍大。笔者用过横河 DY 产品，该流量计不稳定，甚至不能测量，可能其柱塞结构并不适合该测量环境。其他如 E+H 电容式流量计有挠舌结构，间隙小，有硅油; 罗斯蒙特流量计采用波纹管结构，下限死区大，探头可在线更换。这些进口的涡街流量计结构比较复杂，不一定适用液体硫磺流量测量。
1. 7 130 ℃以下硫酸、230 ℃以下硫酸流量测量
130 ℃以下硫酸流量测量可采用冷冻水流量计，准确稳定。贸易计量时建议采用 2 个进口冷冻水流量计串联对比使用，其精度可媲美质量流量计。也可采用质量流量计，但价格较高。笔者曾见过 2个进口质量流量计在常温硫酸介质使用不到 3 年，振荡管均在同一位置出现了裂纹。 230 ℃以下硫酸流量测量可采用弗莱克森超声波流量计、多孔孔板流量计。如管道内壁腐蚀比较严重，超声波流量计有可能会出现测量失灵。采用蒸发器酸侧本身的压差，也可以模拟出流量的测量，完全可满足操作控制、联锁的需要。
1. 8 低压蒸汽、中压蒸汽流量测量
低压蒸汽、中压蒸汽流量测量可采用的流量计有差压类( 孔板、多孔孔板、喷嘴、德尔塔巴、阿牛巴、V 锥) 流量计、涡街流量计。如需要测量范围大、测量精度高，450 ℃ 以下蒸汽流量测量优先选用横河 DY 涡街流量计，427 ℃以下也可选用其他进口品*产品。如测量元件需要检定，则选标准孔板、喷嘴类流量计。现在使用文丘里流量计的用户已经很少了。如温度太高，口径太大，特别是饱和蒸汽并需要检定，喷嘴流量计几乎是**的选择。
如是生产操作控制需要，则以上流量计均可作为选用对象。但不推荐 DN150 以下选用差压类流量计。该类流量计价格较高、测量范围窄、精度较低。笔者曾遇到这种情况: 蒸汽管道 DN150 选用了多参量阿牛巴流量计，该流量计量程差压不足 1 kPa，使用时出现测量波动范围大( 0. 5 ～ 6. 0 t /h) ，物流核算偏大或不稳定; 换成进口涡街流量计后，流量基本稳定在 2. 2 t /h，完全符合工艺状态，物流核算也准确，该流量计价格还便宜。但如下情况可以直接选高压差标准孔板流量计: 流量波动范围不大、对压损不敏感、精度要求不高、要求投资成本低。
1. 9 主风机风量、尾气流量测量主风机风量、尾气流量测量建议直接选巴类流量计，有条件的厂家可选进口产品。进口巴类流量计一般压差大、测量稳定性好、适应流态好、数学模型准确。巴类流量计压损低，在大流量测量中，*低的阻力降具备很大运行效益。不建议选多孔板、V 锥、孔板等高压差类型产品。尾气在线分析厂家往往使用皮托管测量流量，测量值多只有实际值的 65%。能不能用该类流量计测量值得分析探讨。笔者建议选巴类流量计。其有均压结构，容易实现准确测量。
1. 10 压缩空气、仪表空气流量测量压缩空气、仪表空气流量测量可选用横河 DY等进口品*涡街流量计，*好减小一级选型。该类流量计价格不高，量程比*大。
2 有关流量计应用的探讨
2. 1 流量计是否可用的基本考量点
实际流量发生变化时流量计测量的值也要相应变化; 实际流量为 0 时，流量计测量结果也要为零( 可有限切除) 。无论什么产品，如不能连续 1 年以上实现这两点要求，产品质量都值得怀疑。如产品经过认真分析整改仍然实现不了，就应考虑改型或改换产品。
流量测量是否正常，有时受安装因素影响。比如曾有一台 V 锥流量计测量蒸汽，原来经常出现蒸汽实际流量为 0 时流量计测量值却为满值，且不随实际蒸汽流量的变化而变化的问题。但该流量计取压整改后恢复正常。
笔者曾试验过 2 个国产品*涡街流量计测量压缩空气流量，均出现实际流量变大时涡街流量计测得的流量反而变小，而串联的横河 DY 涡街流量计反应正常。说明实现上述两个考量点并不容易。
2. 2 流量计检定
有些流量计实际上是无法得到法定检定结果的，比如测量蒸汽的 V 锥、德尔塔巴等流量计，但实际应用中仍会大量使用。一些产品样本所宣称的精度或检定也**于水的标定结果，实际精度大多没有实际标准去验证，也得不到蒸汽条件下的检定**。迄今为止，笔者没有了解到哪个用户能全面地、真正地按规范要求对强检流量计实施检定，检定往往是选择性的、局部的。这当然也不能完全怪用户的不作为，操作上实在有难度，财力物力消耗巨大; 某些介质能有一个流量仪表反映流量变化趋势就不错了。这些难题值得行业人员不断地研究和探讨。
2. 3 关于直管段
大多数流量计都需要直管段，但如果实际条件实在不能满足，技术人员可通过分析管路的流态、合理选 型、调整施工安装方式，实现较好的测量效果。
比如测量鼓风机 DN1 800 空气管压缩气体流量，风机出口直管段只有 5 m 左右，进口直管段 4 m左右，进、出口管两端都是 90°弯。初始流量计安装在出口管，流量测量值直接超过量程，后改为安装到风机进口。改造后，无论采用进口或国产的均速管、V 锥流量计，均实现了很好的测量效果。再如其他管段式仪表，工艺管和流量计两者的内径差或安装错位大多会导致测量值超标。 2. 4 关于差压式流量计以笔者看来，差压式流量计远没有理论所讲的那么简单。
示例 1: 2 种类型流量计串联测量 0. 5 MPa、微过热、20 t /h 的蒸汽流量。两表相距 6 m 左右，采用同一温度和压力、使用相同温压补偿模块进行补偿。测量结果曲线见图 1。

根据物料平衡反复研究，涡街流量计测量的质量流量动态曲线比较客观反映了蒸汽流量的变化; 而 V 锥流量计测量的质量流量偏大 5%。说明该差压流量计元件没能产生和实际流量变化对应的差压。
示例 2: 德尔塔巴和 V 锥流量计串联测量某蒸汽流量。蒸汽流量在 40 t /h 左右时，德尔塔巴流量计测量值比 V 锥流量计少 6 t /h。根据物料平衡分析结果来看德尔塔巴流量计更准确。在运行 4 年 后，德尔塔巴测量值出现下降，2 个流量计测量差增加到 10 t /h。经各方面检查无明显异常。这说明有的差压类流量计产生的差压值稳定性不好。
示例 3: 某测量水流量的 V 锥流量计开始时测量正常，运行 3 年后无法正常测量。技术人员多次检查和调试都没有效果，换冷冻水流量计后测量非常灵敏稳定。这进一步说明了差压类流量计的复杂性。介质流态对差压类流量计测量结果也有巨大影响。
有厂家推出槽管差压式流量计。这种创新精神及解决用户的可测量问题值得称赞。但其宣称槽管差压式流量计有 500 ∶ 1的量程比值得商榷。先不说测量元件线性度、可重复性、普适性是否都处于数学可明确表达的范围，至少不能把差压变送器可测量出的差压值，比如将几十帕或几百帕以下，也直接理解为能反映流量值。正如几乎所有差压变送器测量流量时都有零漂一样，正负漂移都不能当做流量的测量值，多大的漂移不能算其实有时候很难界定。其对常用流量范围的测量值有多大影响也不易评估。
2. 5 涡街流量计
涡街流量计原理上与介质性质无关，没有可动部件，没有差压式流量计类似的零漂，量程比大，且国外品*产品测量模型成熟，产品不容易损坏。这也是笔者推崇进口涡街流量计的原因。
某国产产品宣称其涡街流量计量程比超过80 ∶ 1，从理论上和实践应用上都难以置信。笔者曾就液体硫磺流量测量向其咨询，反馈的结果是和常规涡街流量计的可测量范围差不多，压损还更大，价格很高，已接近质量流量计价格了。旋进旋涡流量计应用时*好加过滤器，以防止堵塞。
2. 6 不轻易使用插入式流量计
类似插入式冷冻水流量计、插入式涡街流量计、靶式流量计等，以点带面测量流量本身有难度，介质往往因为流量计的插入导致介质流态更加恶化，更难准确测量。靶式流量计还存在非流量应力产生的严重干扰问题。
2. 7 能源计量的合规性
GB 17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》对各能源介质测量准确性要求很高。其实有些介质流量的测量，不要说准确度要求，有时连是否能稳定可靠的测量都很困难。产品价格昂贵、流量计的周期检定也是生产厂家难以逾越的坎。
2. 8 安全仪表系统
2014 年，**安监总局发布〔2014〕116 号文《**安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》，相关内容有: 1) 从 2018 年 1 月 1 日起，所有新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施要设计符合要求的安全仪表系统。其他新建化工装置、危险化学品储存设施安全仪表系统，从 2020 年 1 月 1 日起 ，应执行功能安全相关标准要求，设计符合要求的安全仪表系统; 在役装置 2019 年底前完成安全仪表系统评估和完善工作。 2) 老旧装置及新建项目如未配套安全仪表系统和未进行 SIL 定级则将不核发新的《安全生产许可证》。
笔者无法预测该规定是否会得到认真有效地执行，但面对日益严格的安全管控趋势，硫酸行业这么多生产厂该何去何从。
安监总科技〔2016〕100 号文《关于推动安全生产科技创新若干意见》指出，应系统部署机械化换人、自动化减人这一科技创新在安全生产中对遏制重特大事故的作用。显然，实施好的流量仪表检测方案，能促进这些工作，也是基础性工作。
笔者认为，自动化仪表控制才是减少装置安全风险根本性的主要手段。其中需要注意以下两点:
1) 仪表选型要很好适应所测量的环境，*好能达到 3 年免维护稳定可靠运行，冗余的仪表也要满足。笔者过去十几年使用国产带有电子线路的仪表中，3 年内大部分都会出现故障，甚至报废。而进口的( 含合资) 大多数产品十几年自身不会出现故障，偶尔会有测量问题。
2) 涉及联锁、控制、报警等诸多相关内容，都需要将工作做扎实。自动化仪表方案一定要优化有效，配置的检测设备*好一步到位成功运营，且价格不高。只有这样，类似的安全仪表系统、自动化减人才能得到公司的大力支持，**的政策才能真正落地，企业的安全才能得到真正的、*大程度的保障。