外夹式超声波流量计在硫磺制酸HRS系统的应用
介绍了硫磺制酸 HＲS 系统流量计的选择及外夹式超声波流量计测量探头安装方式、安装位置要求及注意事项。威顿达州 2 套硫磺制酸装置 HＲS 系统一级吸收酸流量计均采用 FLUXUS ADM 7407 外夹式超声波流量计，目前装置已稳定运行 4 年，2 台流量计测量准确，未发生故障。
硫磺制酸 HＲS 系统吸收三氧化硫过程中，反应热的情况比较复杂。目前一般认为，该反应包括了三氧化硫生成 w ( H2 SO4 ) 100% 硫酸液的反应热、 w( H2 SO4 ) 100% 硫酸稀释到出塔酸浓度的稀释热以及进塔酸浓度提高到出塔酸浓度时的浓缩热。其中浓缩热负值，其他是正值，他们的代数和即为吸收过程的反应热。反应式如下:
nSO3 + H2 O →H2 SO4 + ( n － 1 ) SO3 + 89 247 J吸收 SO3 产生的热量占整个硫酸生产过程中总热量的 25% ，而 HＲS 系统回收的热量又占整个硫酸生产吸收热的 95% 。HＲS 系统回收热能同时又大大减少了循环水的用量。
HＲS 热回收塔主要回收的热能包括: HＲS 热回收塔吸收 SO3 时产生的反应热、进入 HＲS 热回收塔烟气带入的显热和稀释器加水产生的稀释热。
HＲS 工序的 3 个换热设备是 HＲS 预热器、HＲS 加热器和 HＲS 锅炉。HＲS 预热器利用 HＲS 产酸的热量将 20 ℃脱盐水预热到 70 ℃，HＲS 加热器利用 HＲS 产酸的热量将 100 ℃ 除氧水加热到 150 ℃，HＲS 锅炉利用 HＲS 循环酸的热量将 HＲS 加热器送来150 ℃ 除氧水加热产生 0. 8 MPa 左右的饱和蒸汽。
HＲS 系统在一个特殊工艺条件下工作，系统对工艺指标要求苛刻，设置多个工艺联锁来保护系统设备安全; 要保证装置长周期安全运行，对现场仪表的可靠性要求极高。该系统工艺介质具有高温、强腐蚀的特点，且管道尺寸大，特别是系统安全的几个重要参数: 一级吸收酸浓度、一级吸收酸流量、泵槽液位等的控制非常重要。下面介绍高温一级吸收酸流量计的应用情况。
1.HＲS 系统一级吸收酸流量计选择
HＲS 系统接触酸的材料均采用孟莫克公司提供的专用材料。一级吸收酸流量计设计工作温度170℃ ，介质为 w( H2 SO4 ) 99. 5% 的浓硫酸。
1.1差压式流量计
流量计取压元件( 耐高温浓硫酸的特殊材料)直接与介质接触，随着运行时间增加，取压元件由于流体冲刷易造成压差偏离设计范围、测量精度差、日常仪表运行维护量大、差压式流量计管道阻力增加，消耗更多酸泵功率，长周期运行不经济，增加单位吨酸能耗。
1. 2 电磁流量计
电磁流量计衬里的绝缘材料和励磁线圈的绝缘材料暂时还没有能测量高于 160 ℃ 的介质，因此该位置无法选用电磁流量计。
1. 3 超声波流量计
超声波流量计是近十几年随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表。由超声波换能器( 探头) 、电子线路及流量计算仪三部分组成。超声波换能器( 探头) 用来发送和接收超声波，超声波在流体中传播速度受被测流体流速的影响，超声波流量计就是根据这一原理进行流体流量测量的。根据检测的方法不同，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。
外夹式超声波流量计是管外安装型超声波流量计，由于其测量探头与测量介质不接触，所以外夹式超声波流量计不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行，因而是一种理想的节能型流量计。
外夹式超声波流量计流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、黏度、密度等参数的影响，尤其适合应用在测量强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量。因此，在 HＲS 系统一级吸收酸流量测量中选用外夹式超声波流量计是适合该工况的***佳选择。
2.外夹式超声波流量计安装
外夹式超声波流量计是不和被测流体接触的流量测量仪表，没有接液部件和阻流元件，使得安装、使用、维修非常方便，不必断流、不用切开管道、不影响生产过程，没有压力损失。由于外夹式超声波流量计在流量测量仪表中属于产品，很多用户对于该仪表的安装还比较陌生。外夹式超声波流量计测量探头安装是外夹式超声波流量计能否正常工作的关键。
2. 1 测量探头安装方式
2.1. 1 反射式安装( Ｒeflect)
时差式换能器在安装时，一组换能器可以安装在管道的同侧，超声波需要借助于对面的管道壁反射。在条件允许的情况下，使用反射式安装。反射式安装的好处有: ①一组探头安装在管道同侧，安装简便，安装精度较高，测量精度好; ②反射式安装可以克服横向流场的干扰，因此抗扰动性能更好。如图 1 所示。
2.1. 2 直射式安装( Direct)
直射式安装时，一组换能器安装在管道的对侧，这种安装方式超声波声束的声程***短，可以提高信号强度，当管道和液体的声导性能差时，要考虑使用直射式安装。如图 2 所示。
2.2 探头安装位置要求及注意事项
选择一个合适的安装位置，对于顺利地通过安装程序，获得***高的测量精度是至关重要的。一般在选择安装位置时需要考虑下面的因素。
1) ***小直管段要求。上游直管段大于 10D，下游直管段大于 5D( 其中 D 为管道直径) ，如果现场条件允许尽量多一些。这个条件是为了在安装探头的位置能够获得稳定的流态分布，有利于提高测量精度和测量的稳定性。
2) 需保证管道始终满管，如果流体不满管，就会造成测量误差偏大或超声波信号的阻断，无法正常测量。
3) 不要直接安装在能够产生压降的设备下游，如扩径、阀门、插入装置等，由于管道内的液体当压力降低时会不同程度地释放出气体，产生气泡，液体中气体含量增加会降低信号的强度，同时增加了噪声。
4) 所选位置管道的口径和仪表编程一致。管道外径必须地实际测量。
5) 探头安装在垂直管道时，实惠的流体方向是自下而上，只有在现场条件不具备时，才考虑自上而下，但是这时必须保证管道内的背压，确保管道内液体处于满管状态。
6) 远离管道焊缝，不要把探头装在焊缝上。
7) 避免把探头安装于水平管道的底部或顶部位置，由于管道底部会经常有沉积物，顶部会聚集一些气体，这样都会影响超声波信号的传输。
8) 按照流量计主机安装菜单中提示的探头间距处理管道表面，除去表面的油脂、砂砾、腐蚀、铁锈、疏松的油漆等。使用研磨块处理管道，使和探头接触的管道表面干净平滑。研磨的区域要比探头的发射/ 接收面略大，大概两侧多出探头面积的一半即可。
2. 3 外夹式超声波流量计安装基本步骤
①收集现场数据; ②选择合适的探头安装位置; ③探头安装位置管道表面的处理; ④进入主机安装菜单输入下列数据并保存: 探头安装位置管道数据; 工艺介质数据; 流量量程、单位; 体积流量或质量流量; ⑤把探头安装在管道上与主机连接;⑥设置相关的参数结束安装。
3.超声波流量计应用
3.1外夹式超声波现场应用对比
威顿达州化工有限责任公司有 800 kt / a、400 kt / a 2套硫磺制酸装置，均采用 HＲS 系统［一级吸收酸 w( H2 SO4 ) 99. 5%、温度 196 ℃］。800 kt / a 装置 HＲS 系统一级吸收酸流量计采用的是 FLUXUS ADM 7407 外夹式超声波流量计，自装置开车至今一直正常工作。
400 kt / a 装置 HＲS 系统原始设计一级吸收酸流量计采用的是另一品牌外夹式超声波流量计( 传感器***高工作温度上限 200 ℃ ) 。HＲS 系统开车运行后，当一级吸收酸温度小于 110 ℃ 时该流量计能正常工作; 当酸温大于 110 ℃ 、w( H2 SO4 ) 大于 99% 时，超声波流量计开始出现流量输出信号不稳直到流量输出消失，***终导致流量计无法测量一级吸收酸流量。该流量计厂家多次现场售后服务无法解决问题，并返厂测试该流量计性能正常，但重新安装在现场故障依然存在。于是把该流量计换成了 FLUXUS ADM 7407 外夹式超声波流量计。
FLUXUS ADM 7407 可固定安装的外夹式超声波流量计适用于几乎所有液体流量测量，特别是在工业环境中。随仪表成对提供的探头带内部温度补偿功能 ( 符合 ANSI / ASME 规定) ，使得整个测量系统无漂移和零点稳定，确保读数。此外，自动识别探头及其标定数据，有效地缩短了设置时间。采用独特的双核技术，高速采样和自动适应信号处理技术，即使在苛刻的测量工况下，FLUXUS ADM 7407 也能可靠而稳定地工作，是 HＲS 系统测量一级吸收酸理想仪表。这款液体流量计可测量内径范围从 6 ～ 12 m 的管道( 无特殊材质需求) 和温度从－ 40 ～ 200 ℃ 的介质( 通过高低温导波器可测温度为－200 ～400 ℃) 。
3. 2 超声波流量计维护
3.2. 1 核实校验对于现场安装固定外夹式超声波流量计数量大、范围广的用户来讲，可以配备 1 台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。①坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准; ②对在线运行的外夹式超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。
3. 2. 2 定期维护
超声波流量计的维护量相对比较小。如对于外贴换能器超声波流量计，安装以后无水压损失，无潜在漏水，只需定期检查换能器是否松动，与管道之间的偶合剂是否良好即可。定期维护可以确保超声波流量计的长期稳定运行。目前 FLUXUS ADM 7407 外夹式超声波流量计探头已采用耦合片安装，基本上实现流量计日常运行免维护。
4.结语
一级吸收酸流量是 HＲS 系统一个重要参数，准确测量是装置经济安全运行的有力保障。威顿达州化工有限责任公司 2 套制酸装置经过 4 年运行，2 台一级吸收酸超声波流量计均保持可靠运行，测量准确，没有因为流量计故障引起装置联锁动作.