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    關于氨合成裝置中對于流量計和液位計的設計選型探討

    發表時間:2017-04-17 ??點擊次數:888? 技術支持:1560-1403-222

    0    引言
           絕大多數金屬和合金如不銹鋼、鋁、鉛、鎂、貴金屬等對濕和干的氨氣、液氨和氨水都有良好的耐蝕性。但銅和所有的銅合金是一個例外,遭受濕和干的氨及氨水的 嚴重腐蝕,生成可溶的絡合物,并產生危險的應力腐蝕破 裂,反應方程式及電離方程式如下:

    2Cu+8NH3 +O2+2H2O=2[Cu(NH3)4](OH)2          (1)
    Cu+NH3+O2+H2O→[Cu(NH3)4]2  +OH                 (2)
            在有氨存在任何環境,即使在只含微量氨的大氣中, 都可能發生應力腐蝕。所以氨合成裝置現場儀表設計選型 *先注意要點就是嚴禁采用銅及銅合金材料。
            筆者參與了國內幾套氨合成裝置的工程設計,其中現 場儀表的選型設計存在多樣性及復雜性。本文結合國內某 煤化集團公司單套60萬噸/年總氨項目,采用國內的瑞 士Casale流程工藝,介紹氨合成裝置使用的主要現場儀表的 選型設計。

           1   溫度儀表
           1.1    多點式熱電偶
          大化肥合成塔、變換爐、精餾塔、存儲罐等裝置中, 通常采用熱電偶測量塔內觸媒層溫度。這些設備內工況一 般都是高溫、高壓,介質易燃易爆,一旦內部溫度長期異 常,則會影響生產效益,更嚴重時將會引起設備的局部泄漏甚至導致爆炸,所以對該類設備在運行過程中的溫度控 制要求非常高。
          熱電偶的結構形式分為高溫氧化鋁瓷珠絕緣的多點式 熱電偶和單點式鎧裝熱電偶。多點式熱電偶適用于生產現 場存在溫度梯度不顯著,需同時測量多個位置或位置的多 處測量[1]。
          多點式熱電偶有多支多點鎧裝熱電偶和單支多點鎧裝熱電偶,其鎧裝熱電偶與固定法蘭及接線盒組成一體。法蘭短管上可以設有散熱片,以免接線盒溫度過高。鎧裝熱 電偶有單支、雙支,多可達18支,每支內的熱電偶點數 有單點、2點,多可達36點。
    氨合成塔內部的溫度檢測采用多支多點式熱電偶,分 度號為K,所有熱電偶集中接至安裝在合成塔頂部的防爆接 線箱內。
          1.2    表面熱電偶
          表面熱電偶主要用于鍋爐管壁、爐壁、合成塔及其他 圓柱體表面溫度測量,采用Φ3-6mm的鎧裝元件作為測溫 探頭,引線至成熱電偶接線盒,測溫端焊接或用螺釘固定 在不銹鋼感溫片上,將帶有與表面相吻合的曲面的感溫片 焊接或抱箍在塔壁(管道)上。合成塔表面溫度及開工加 熱爐盤管表面溫度測量采用點式表面熱電偶,分度號為K, 其安裝結構見圖1。

    表格         2    流量儀表
             2.1   多孔孔板流量計
              多孔孔板流量計巧妙的設計在于將多孔 整流器和測量孔板合二為一,能大限度地將流場平衡調 整成理想狀態,有限降低了渦流、震動和信號噪音,大大 提高了流場穩定性和線性度,從而將差壓式流量計的優勢 發揮到**[2]。如圖2所示。
    多孔平衡流量計示意圖

    多孔孔板流量計      多孔孔板流量計具有測量精度高、重復性和長期穩定 性好、量程比寬、**壓損低、耐臟污不宜堵、可測高溫 高壓介質(≤850℃、42MPa)、直管段要求低(前后直管 段為0.5D~2D)等優點。同時還克服了標準節流裝置的雜物 滯留、堵塞和邊緣易磨損、維護和檢定成本高等缺點。
            氨合成工藝中的低壓蒸汽、蒸汽冷凝液、合成氣、液 氨等介質在滿足公稱通徑100mm≤D≤400mm以及量程比
    (即大流量與小流量的比值)小于10:1的情況下,均 選用多孔平衡流量計測量其流量。
    2.2    均速管流量計
              均速管流量計是基于皮托管原理發展起來的一種新型 差壓式流量測量儀表[3]。均速管流量探頭形式有阿牛巴(阿 紐巴)、德爾塔巴、威力巴、依特巴、拖巴、雙D巴、威 爾巴、橢圓巴等衍生品。其中子彈頭形威力巴流量計使得 一次源的測量精度、重復性和可靠性達到一個嶄新高度, 其主要特點有:1)精度高,可實現溫壓補償,精度可達
    ±1.0%;2)能夠保證精度的長期穩定;3)防堵設計;4) 無機械可動部件,可靠度高,穩定性好,維修量少;5)壓 損小,能耗低[4]。
              在氨合成工藝中,大管徑、大流量的蒸汽冷凝液、低 壓蒸汽及液氨的流量測量不在少數,為了使得流量儀表造 成的**壓力損失盡量小,防止液氨降壓汽化,降低能耗 從而減小工廠的運行成本,公稱通徑在400mm以上的蒸汽 冷凝液、低壓蒸汽、冷卻水及液氨等介質選用均速管流量 計測量其流量。
    2.3    質量流量計
              經過30多年的發展,以科里奧利力為原理而設計的質 量流量計已有多種形式[5]。根據檢測管的形狀來分,大體上可以歸納為直管型、彎管型、單管型、多管型(一般為雙 管型)四類。通常檢測管形狀總是上述幾種類型的組合, 目前常用的和已開發的有:雙U型、雙S型、雙Ω型、雙環 型、單直管型、雙直管型、單管多環型(一般為雙環)、 單管雙Q型、雙B型等。
    液氨為氨合成工段的產出成品。 用于貿易核算的計 量,對計量的可靠性和準確性都要求很高,所以氨合成工 藝中的中壓氨分離器出口液氨流量測量,選用了1臺質量流 量計。

    3    液位儀表
    3.1    遠傳雙法蘭液位計
            遠傳法蘭變送器在工業測量中有著大量的應用,通常 用于下列工況[6]:1)在高溫應用中(一般超過120℃),不 使用普通引壓管路降溫的情況下,將高溫介質和變送器隔 離;2)被測量介質對變送器的接液部分有腐蝕作用,特別 是變送器傳感器的膜片;3)被測量介質是高粘度或者由于 環境、流程、溫度變化而容易固化或結晶;4)容器液位的 測量;5)液體的密度或者是液/液界面測量;6)工藝上要 求被測量容器或者管道盡可能減少死角;7)不希望有進入 介質的引壓管路。
             遠傳法蘭變送器過程連接件除了常規的符合ANSI、 DIN、JIS標準的各種壓力等級的法蘭式過程連接件外,還 有其他多種獨特的、有很高應用價值的過程連接件,其常 用形式見表1。遠傳法蘭變送器常用填充液的性質及用途見 表2。

    遠傳法蘭變送器過程連接形式 

    形式 說明
    夾持型 它是被夾裝在兩個法蘭中間。法蘭可以使 用國產的產品,節省了采購成本
    凸膜型 測量膜片可以凸出安裝法蘭深入到設備內 部,能更好地接觸被測量介質,凸出長度 可以到225毫米
    高壓螺紋連接型 1/4″到1-1/2″的螺紋連接,耐壓可以到
    69MPa
    焊接型 根據工藝要求,可以直接焊接在管道和設 備上
    在線管道型 膜片和過程連接件被制造成和流通管道一 樣直徑的管路,適用于特別高粘度或者由 于環境、流程、溫度變化而容易固化或結 晶、不可以有任何流動死角的使用情況
    衛生型 符合國內3A標準,適用于制藥、食品等行 業應用
    2  填充油的物理特性數據
    名稱 一個大氣壓力下 的工作溫度范圍 密度 粘度 (25℃) 性質與用途
    DC200 -45~205℃ 0.934 9.5cs 一種硅油,綜合性能好,常使用
    S y l t h e r m
    XLT
    -75~150℃ 0.85 1.6cs 一種硅聚合物填充油,適用于溫度 較低的情況
    Inert
    (Halocarbon)
    -45~160℃ 1.85 6.5cs 鹵代碳氫化合物,化學穩定性好,不 易和其他物質反應,適用于測量氧 氣等場合
    DC704 0~315℃ 1.07 44cs 一種硅油,適用于高溫測量應用
    DC705 20~350℃ 1.09 175cs 一種硅油,適用于高溫測量應用
    蔬菜油 -15~225℃ 0.94 9.8cs 一種營養品,衛生型填充油
    甘油和水 -17~93℃ 1.13 12.5cs 含50%體積百分比甘油,衛生型填充 油
    丙烯乙二醇 和水 -17~93℃ 1.02 2.85cs 含30%體積百分比的丙烯乙二醇,衛 生型填充油

         遠傳法蘭變送器毛細管通常有三種不同直徑的毛 細管:0.03″(0.7mm)、0.04″(1.1mm)、0.07″
    (1.75mm)供選擇。主要特點有:1)細的毛細管因為內部 填充油少,更少受填充油熱脹冷縮的影響,有更好的溫度 穩定性;2)細的毛細管因為流通面積小,填充油流動阻力 大,使得遠傳法蘭變送器的動態響應性能變差;3)粗的毛 細管的性能正好相反,動態響應性能好,受填充油熱脹冷 縮的影響大。
         通過上述對遠傳法蘭變送器過程連接件、填充液、毛 細管特點及性能的介紹,結合氨合成高壓氨分液氨工況: 操作壓力14.1MPaG、操作溫度-10℃,高壓氨分液氨選用 雙法蘭液位變送器(高壓螺紋連接型(DN50)、Syltherm XLT、0.04″(1.1mm)),實踐證明在氨合成裝置開工及 運行維護中均顯現出良好檢測效果及性能。
    3.2    外浮筒液位開關
        合成氨裝置中用于聯鎖系統的液位測量,如高壓氨分 器、中壓氨分器、低壓氨分離器等設備,采用外浮筒液位 開關,具有耐高壓和適用于低比重液體的特點,**應用 于報警和控制功能中。
    4    控制閥
    4.1    高壓角閥
        合成氨放氨用的高壓液位控制閥始終是一個難題。問 題的關鍵是閥的前后壓差特別大,在高壓差條件下因液氨 閃蒸和液氨中的氫氮氣解吸形成了兩相流體。兩相流體中 存在的液滴具有液體的質量,同時具有高壓差條件下作為 載體的氣體高速度。這些液滴就有很高的動能,因而具有 很大的破壞力。普通的控制閥在這種工況下多只能工作2~3個月,閥心閥座即已損壞。對于氨合成裝置管道壓力等級不小于P N420
    (Class2500)的場合,因為壓差特別大,一般采用角閥。 介質流向采用底進側出式。角閥內部易于沖洗。由于角形 閥中的介質直接流向閥體內部下游管道的中心,而不是直 接沖擊體壁,所以可大大減少沖擊閥體體壁的飽和氣泡數 量,從而減弱了閃蒸破壞力。從氣蝕的直接結果看,造成 損傷是 因為材料硬 度不足以 抵抗氣泡破裂 而釋放的沖 擊 力,所以從這個角度我們可以考慮采用高硬度材料,一般 常用的 方法是在不 銹鋼基體 上進行堆焊或 噴焊司太萊 合 金,在流體氣蝕沖刷處形成硬化表面。當硬化表面出現損 傷后,可以進行二次堆焊或噴焊,這樣便能增加設備的使 用壽命,同時也減少了裝置的維修費用。
    4.2    高壓蝶閥
         對于大口徑、大流量、壓差小的場合可采用蝶閥[7],例 如氨合成塔主線合成氣流量遙控調節、二換熱器合成氣 流量調節、氨合成塔進口合成氣溫度調節、高壓鍋爐給水 預熱器合成氣溫度分程調節等。
    氨合成裝置的幾臺蝶閥均在重要場合下工作,若出現 故障將影響整個裝置的生產,因而應選用高質量的進口的蝶閥。 另外,遙控調節閥不可能完全按照調節閥的流量特 性和流通能力來考慮。調節閥是整個控制回路中的一個環 節,是在閉環條件下工作的。

    5    結束語
         隨著氨合成裝置生產工藝流程及自動化控制的要求越 來越高,會對測量及控制儀表提出更新、更高和更多的要 求。應該根據實際情況權衡利弊分類討論做出選擇,不要 盲目地根據經驗做出判斷。
    質量**的自控儀表必有標準可遵循。標準是根據大 量實驗數據、實用經驗歸納總結的寶貴經驗。測量及控制 儀表的選用是一項系統工程,對于某一具體的應用場所可 以采用的儀表可能有幾種方案,應根據實際工作情況量體 裁衣,選擇性能佳的測量儀表。
    選型不僅局限于標準化的儀表選型,思維應具有創新 性,如目前非標準化的多孔平衡流量計在很多方面具有其 他流量計不具備的優點,同樣在選型過程中值得商榷。

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