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    关于氨合成装置中对于流量计和液位计的设计选型探讨

    发表时间:2017-04-17   点击次数:  技术支持:15601403222

    0    引言
           绝大多数金属和合金如不锈钢、铝、铅、镁、贵金属等对湿和干的氨气、液氨和氨水都有良好的耐蚀性。但铜和所有的铜合金是一个例外,遭受湿和干的氨及氨水的 严重腐蚀,生成可溶的络合物,并产生危险的应力腐蚀破 裂,反应方程式及电离方程式如下:

    2Cu+8NH3 +O2+2H2O=2[Cu(NH3)4](OH)2          (1)
    Cu+NH3+O2+H2O→[Cu(NH3)4]2  +OH                 (2)
            在有氨存在任何环境,即使在只含微量氨的大气中, 都可能发生应力腐蚀。所以氨合成装置现场仪表设计选型 *先注意要点就是严禁采用铜及铜合金材料。
            笔者参与了国内几套氨合成装置的工程设计,其中现 场仪表的选型设计存在多样性及复杂性。本文结合国内某 煤化集团公司单套60万吨/年总氨项目,采用国内的瑞 士Casale流程工艺,介绍氨合成装置使用的主要现场仪表的 选型设计。

           1   温度仪表
           1.1    多点式热电偶
          大化肥合成塔、变换炉、精馏塔、存储罐等装置中, 通常采用热电偶测量塔内触媒层温度。这些设备内工况一 般都是高温、高压,介质易燃易爆,一旦内部温度长期异 常,则会影响生产效益,更严重时将会引起设备的局部泄漏甚至导致爆炸,所以对该类设备在运行过程中的温度控 制要求非常高。
          热电偶的结构形式分为高温氧化铝瓷珠绝缘的多点式 热电偶和单点式铠装热电偶。多点式热电偶适用于生产现 场存在温度梯度不显著,需同时测量多个位置或位置的多 处测量[1]。
          多点式热电偶有多支多点铠装热电偶和单支多点铠装热电偶,其铠装热电偶与固定法兰及接线盒组成一体。法兰短管上可以设有散热片,以免接线盒温度过高。铠装热 电偶有单支、双支,多可达18支,每支内的热电偶点数 有单点、2点,多可达36点。
    氨合成塔内部的温度检测采用多支多点式热电偶,分 度号为K,所有热电偶集中接至安装在合成塔顶部的防爆接 线箱内。
          1.2    表面热电偶
          表面热电偶主要用于锅炉管壁、炉壁、合成塔及其他 圆柱体表面温度测量,采用Φ3-6mm的铠装元件作为测温 探头,引线至成热电偶接线盒,测温端焊接或用螺钉固定 在不锈钢感温片上,将带有与表面相吻合的曲面的感温片 焊接或抱箍在塔壁(管道)上。合成塔表面温度及开工加 热炉盘管表面温度测量采用点式表面热电偶,分度号为K, 其安装结构见图1。

    表格         2    流量仪表
             2.1   多孔孔板流量计
              多孔孔板流量计巧妙的设计在于将多孔 整流器和测量孔板合二为一,能大限度地将流场平衡调 整成理想状态,有限降低了涡流、震动和信号噪音,大大 提高了流场稳定性和线性度,从而将差压式流量计的优势 发挥到极致[2]。如图2所示。
    多孔平衡流量计示意图

    多孔孔板流量计      多孔孔板流量计具有测量精度高、重复性和长期稳定 性好、量程比宽、永久压损低、耐脏污不宜堵、可测高温 高压介质(≤850℃、42MPa)、直管段要求低(前后直管 段为0.5D~2D)等优点。同时还克服了标准节流装置的杂物 滞留、堵塞和边缘易磨损、维护和检定成本高等缺点。
            氨合成工艺中的低压蒸汽、蒸汽冷凝液、合成气、液 氨等介质在满足公称通径100mm≤D≤400mm以及量程比
    (即大流量与小流量的比值)小于10:1的情况下,均 选用多孔平衡流量计测量其流量。
    2.2    均速管流量计
              均速管流量计是基于皮托管原理发展起来的一种新型 差压式流量测量仪表[3]。均速管流量探头形式有阿牛巴(阿 纽巴)、德尔塔巴、威力巴、依特巴、拖巴、双D巴、威 尔巴、椭圆巴等衍生品。其中子弹头形威力巴流量计使得 一次源的测量精度、重复性和可靠性达到一个崭新高度, 其主要特点有:1)精度高,可实现温压补偿,精度可达
    ±1.0%;2)能够保证精度的长期稳定;3)防堵设计;4) 无机械可动部件,可靠度高,稳定性好,维修量少;5)压 损小,能耗低[4]。
              在氨合成工艺中,大管径、大流量的蒸汽冷凝液、低 压蒸汽及液氨的流量测量不在少数,为了使得流量仪表造 成的永久压力损失尽量小,防止液氨降压汽化,降低能耗 从而减小工厂的运行成本,公称通径在400mm以上的蒸汽 冷凝液、低压蒸汽、冷却水及液氨等介质选用均速管流量 计测量其流量。
    2.3    质量流量计
              经过30多年的发展,以科里奥利力为原理而设计的质 量流量计已有多种形式[5]。根据检测管的形状来分,大体上可以归纳为直管型、弯管型、单管型、多管型(一般为双 管型)四类。通常检测管形状总是上述几种类型的组合, 目前常用的和已开发的有:双U型、双S型、双Ω型、双环 型、单直管型、双直管型、单管多环型(一般为双环)、 单管双Q型、双B型等。
    液氨为氨合成工段的产出成品。 用于贸易核算的计 量,对计量的可靠性和准确性都要求很高,所以氨合成工 艺中的中压氨分离器出口液氨流量测量,选用了1台质量流 量计。

    3    液位仪表
    3.1    远传双法兰液位计
            远传法兰变送器在工业测量中有着大量的应用,通常 用于下列工况[6]:1)在高温应用中(一般超过120℃),不 使用普通引压管路降温的情况下,将高温介质和变送器隔 离;2)被测量介质对变送器的接液部分有腐蚀作用,特别 是变送器传感器的膜片;3)被测量介质是高粘度或者由于 环境、流程、温度变化而容易固化或结晶;4)容器液位的 测量;5)液体的密度或者是液/液界面测量;6)工艺上要 求被测量容器或者管道尽可能减少死角;7)不希望有进入 介质的引压管路。
             远传法兰变送器过程连接件除了常规的符合ANSI、 DIN、JIS标准的各种压力等级的法兰式过程连接件外,还 有其他多种独特的、有很高应用价值的过程连接件,其常 用形式见表1。远传法兰变送器常用填充液的性质及用途见 表2。

    远传法兰变送器过程连接形式 

    形式 说明
    夹持型 它是被夹装在两个法兰中间。法兰可以使 用国产的产品,节省了采购成本
    凸膜型 测量膜片可以凸出安装法兰深入到设备内 部,能更好地接触被测量介质,凸出长度 可以到225毫米
    高压螺纹连接型 1/4″到1-1/2″的螺纹连接,耐压可以到
    69MPa
    焊接型 根据工艺要求,可以直接焊接在管道和设 备上
    在线管道型 膜片和过程连接件被制造成和流通管道一 样直径的管路,适用于特别高粘度或者由 于环境、流程、温度变化而容易固化或结 晶、不可以有任何流动死角的使用情况
    卫生型 符合国内3A标准,适用于制药、食品等行 业应用
    2  填充油的物理特性数据
    名称 一个大气压力下 的工作温度范围 密度 粘度 (25℃) 性质与用途
    DC200 -45~205℃ 0.934 9.5cs 一种硅油,综合性能好,常使用
    S y l t h e r m
    XLT
    -75~150℃ 0.85 1.6cs 一种硅聚合物填充油,适用于温度 较低的情况
    Inert
    (Halocarbon)
    -45~160℃ 1.85 6.5cs 卤代碳氢化合物,化学稳定性好,不 易和其他物质反应,适用于测量氧 气等场合
    DC704 0~315℃ 1.07 44cs 一种硅油,适用于高温测量应用
    DC705 20~350℃ 1.09 175cs 一种硅油,适用于高温测量应用
    蔬菜油 -15~225℃ 0.94 9.8cs 一种营养品,卫生型填充油
    甘油和水 -17~93℃ 1.13 12.5cs 含50%体积百分比甘油,卫生型填充 油
    丙烯乙二醇 和水 -17~93℃ 1.02 2.85cs 含30%体积百分比的丙烯乙二醇,卫 生型填充油

         远传法兰变送器毛细管通常有三种不同直径的毛 细管:0.03″(0.7mm)、0.04″(1.1mm)、0.07″
    (1.75mm)供选择。主要特点有:1)细的毛细管因为内部 填充油少,更少受填充油热胀冷缩的影响,有更好的温度 稳定性;2)细的毛细管因为流通面积小,填充油流动阻力 大,使得远传法兰变送器的动态响应性能变差;3)粗的毛 细管的性能正好相反,动态响应性能好,受填充油热胀冷 缩的影响大。
         通过上述对远传法兰变送器过程连接件、填充液、毛 细管特点及性能的介绍,结合氨合成高压氨分液氨工况: 操作压力14.1MPaG、操作温度-10℃,高压氨分液氨选用 双法兰液位变送器(高压螺纹连接型(DN50)、Syltherm XLT、0.04″(1.1mm)),实践证明在氨合成装置开工及 运行维护中均显现出良好检测效果及性能。
    3.2    外浮筒液位开关
        合成氨装置中用于联锁系统的液位测量,如高压氨分 器、中压氨分器、低压氨分离器等设备,采用外浮筒液位 开关,具有耐高压和适用于低比重液体的特点,广泛应用 于报警和控制功能中。
    4    控制阀
    4.1    高压角阀
        合成氨放氨用的高压液位控制阀始终是一个难题。问 题的关键是阀的前后压差特别大,在高压差条件下因液氨 闪蒸和液氨中的氢氮气解吸形成了两相流体。两相流体中 存在的液滴具有液体的质量,同时具有高压差条件下作为 载体的气体高速度。这些液滴就有很高的动能,因而具有 很大的破坏力。普通的控制阀在这种工况下多只能工作2~3个月,阀心阀座即已损坏。对于氨合成装置管道压力等级不小于P N420
    (Class2500)的场合,因为压差特别大,一般采用角阀。 介质流向采用底进侧出式。角阀内部易于冲洗。由于角形 阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心,而不是直 接冲击体壁,所以可大大减少冲击阀体体壁的饱和气泡数 量,从而减弱了闪蒸破坏力。从气蚀的直接结果看,造成 损伤是 因为材料硬 度不足以 抵抗气泡破裂 而释放的冲 击 力,所以从这个角度我们可以考虑采用高硬度材料,一般 常用的 方法是在不 锈钢基体 上进行堆焊或 喷焊司太莱 合 金,在流体气蚀冲刷处形成硬化表面。当硬化表面出现损 伤后,可以进行二次堆焊或喷焊,这样便能增加设备的使 用寿命,同时也减少了装置的维修费用。
    4.2    高压蝶阀
         对于大口径、大流量、压差小的场合可采用蝶阀[7],例 如氨合成塔主线合成气流量遥控调节、二换热器合成气 流量调节、氨合成塔进口合成气温度调节、高压锅炉给水 预热器合成气温度分程调节等。
    氨合成装置的几台蝶阀均在重要场合下工作,若出现 故障将影响整个装置的生产,因而应选用高质量的进口的蝶阀。 另外,遥控调节阀不可能完全按照调节阀的流量特 性和流通能力来考虑。调节阀是整个控制回路中的一个环 节,是在闭环条件下工作的。

    5    结束语
         随着氨合成装置生产工艺流程及自动化控制的要求越 来越高,会对测量及控制仪表提出更新、更高和更多的要 求。应该根据实际情况权衡利弊分类讨论做出选择,不要 盲目地根据经验做出判断。
    质量优秀的自控仪表必有标准可遵循。标准是根据大 量实验数据、实用经验归纳总结的宝贵经验。测量及控制 仪表的选用是一项系统工程,对于某一具体的应用场所可 以采用的仪表可能有几种方案,应根据实际工作情况量体 裁衣,选择性能佳的测量仪表。
    选型不仅局限于标准化的仪表选型,思维应具有创新 性,如目前非标准化的多孔平衡流量计在很多方面具有其 他流量计不具备的优点,同样在选型过程中值得商榷。

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