氨合成裝置氨用閥門儀表設(shè)計(jì)選型探討

    在有氨存在任何環(huán)境，即使在只含微量氨的大氣中，都可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕。所以氨合成裝置現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)計(jì)選型*注意要點(diǎn)就是嚴(yán)禁采用銅及銅合金材料。

    筆者參與了國內(nèi)幾套氨合成裝置的工程設(shè)計(jì)，其中現(xiàn)場(chǎng)儀表的選型設(shè)計(jì)存在多樣性及復(fù)雜性。本文結(jié)合國內(nèi)某煤化集團(tuán)公司單套60萬噸/年總氨項(xiàng)目，采用國際先進(jìn)的瑞士Casale流程工藝，介紹氨合成裝置使用的主要現(xiàn)場(chǎng)儀表的選型設(shè)計(jì)。

    1 溫度儀表

    1.1 多點(diǎn)式熱電偶

    大化肥合成塔、變換爐、精餾塔、存儲(chǔ)罐等裝置中，通常采用熱電偶測(cè)量塔內(nèi)觸媒層溫度。這些設(shè)備內(nèi)工況一般都是高溫、高壓，介質(zhì)易燃易爆，一旦內(nèi)部溫度長期異常，則會(huì)影響生產(chǎn)效益，更嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起設(shè)備的局部泄漏甚至導(dǎo)致爆炸，所以對(duì)該類設(shè)備在運(yùn)行過程中的溫度控制要求非常高。熱電偶的結(jié)構(gòu)形式分為高溫氧化鋁瓷珠絕緣的多點(diǎn)式熱電偶和單點(diǎn)式鎧裝熱電偶。多點(diǎn)式熱電偶適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在溫度梯度不顯著，需同時(shí)測(cè)量多個(gè)位置或位置的多處測(cè)量。

    多點(diǎn)式熱電偶有多支多點(diǎn)鎧裝熱電偶和單支多點(diǎn)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(shè)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(dá)18支，每支內(nèi)的熱電偶點(diǎn)數(shù)有單點(diǎn)、2點(diǎn)，*多可達(dá)36點(diǎn)。

    氨合成塔內(nèi)部的溫度檢測(cè)采用多支多點(diǎn)式熱電偶，分度號(hào)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(nèi)。

    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(cè)量，采用Φ3-6mm的鎧裝元件作為測(cè)溫探頭，引線至成熱電偶接線盒，測(cè)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(cè)量采用點(diǎn)式表面熱電偶，分度號(hào)為K，其安裝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 1（A、B、C、D）——導(dǎo)熱塊 2——抱箍鋼帶

    2 流量儀表

    2.1 多孔平衡流量計(jì)

    多孔平衡流量計(jì)（多孔孔板）巧妙的設(shè)計(jì)在于將多孔整流器和測(cè)量孔板合二為一，能*大限度地將流場(chǎng)平衡調(diào)整成理想狀態(tài)，有限降低了渦流、震動(dòng)和信號(hào)噪音，大大提高了流場(chǎng)穩(wěn)定性和線性度，從而將差壓式流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到*。如圖2所示。

圖2 多孔平衡流量計(jì)示意圖

    多孔平衡流量計(jì)具有測(cè)量精度高、重復(fù)性和長期穩(wěn)定性好、量程比寬、永久壓損低、耐臟污不宜堵、可測(cè)高溫高壓介質(zhì)（≤850℃、42MPa）、直管段要求低（前后直管段為0.5D~2D）等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還克服了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的雜物滯留、堵塞和邊緣易磨損、維護(hù)和檢定成本高等缺點(diǎn)。

    氨合成工藝中的低壓蒸汽、蒸汽冷凝液、合成氣、液氨等介質(zhì)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(jì)測(cè)量其流量。

    2.2 均速管流量計(jì)

    均速管流量計(jì)是基于皮托管原理發(fā)展起來的一種新型差壓式流量測(cè)量儀表。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(jì)使得一次源的測(cè)量精度、重復(fù)性和可靠性達(dá)到一個(gè)嶄新高度，其主要特點(diǎn)有：1）精度高，可實(shí)現(xiàn)溫壓補(bǔ)償，精度可達(dá)±1.0%；2）能夠保證精度的長期穩(wěn)定；3）防堵設(shè)計(jì)；4）無機(jī)械可動(dòng)部件，可靠度高，穩(wěn)定性好，維修量少；5）壓損小，能耗低。

    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(cè)量不在少數(shù)，為了使得流量儀表造成的永久壓力損失盡量小，防止液氨降壓汽化，降低能耗從而減小工廠的運(yùn)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(zhì)選用均速管流量計(jì)測(cè)量其流量。

    2.3 質(zhì)量流量計(jì)

    經(jīng)過30多年的發(fā)展，以科里奧利力為原理而設(shè)計(jì)的質(zhì)量流量計(jì)已有多種形式。根據(jù)檢測(cè)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(cè)管形狀總是上述幾種類型的組合，目前常用的和已開發(fā)的有：雙U型、雙S型、雙Ω型、雙環(huán)型、單直管型、雙直管型、單管多環(huán)型（一般為雙環(huán)）、單管雙Q型、雙B型等。

    液氨為氨合成工段的產(chǎn)出成品。用于貿(mào)易核算的計(jì)量，對(duì)計(jì)量的可靠性和準(zhǔn)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(cè)量，選用了1臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)。

    3 液位儀表

    3.1 遠(yuǎn)傳雙法蘭液位計(jì)

    遠(yuǎn)傳法蘭變送器在工業(yè)測(cè)量中有著大量的應(yīng)用，通常用于下列工況：1）在高溫應(yīng)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(zhì)和變送器隔離；2）被測(cè)量介質(zhì)對(duì)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(cè)量介質(zhì)是高粘度或者由于環(huán)境、流程、溫度變化而容易固化或結(jié)晶；4）容器液位的測(cè)量；5）液體的密度或者是液/液界面測(cè)量；6）工藝上要求被測(cè)量容器或者管道盡可能減少死角；7）不希望有進(jìn)入介質(zhì)的引壓管路。

    遠(yuǎn)傳法蘭變送器過程連接件除了常規(guī)的符合ANSI、DIN、JIS標(biāo)準(zhǔn)的各種壓力等級(jí)的法蘭式過程連接件外，還有其他多種獨(dú)特的、有很高應(yīng)用價(jià)值的過程連接件，其常用形式見表1。遠(yuǎn)傳法蘭變送器常用填充液的性質(zhì)及用途見表2。

表1 遠(yuǎn)傳法蘭變送器過程連接形式

表2 填充油的物理特性數(shù)據(jù)

    遠(yuǎn)傳法蘭變送器毛細(xì)管通常有三種不同直徑的毛細(xì)管：0.03″（0.7mm）、0.04″（1.1mm）、0.07″（1.75mm）供選擇。主要特點(diǎn)有：1）細(xì)的毛細(xì)管因?yàn)閮?nèi)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(wěn)定性；2）細(xì)的毛細(xì)管因?yàn)榱魍�面積小，填充油流動(dòng)阻力大，使得遠(yuǎn)傳法蘭變送器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能變差；3）粗的毛細(xì)管的性能正好相反，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，受填充油熱脹冷縮的影響大。

    通過上述對(duì)遠(yuǎn)傳法蘭變送器過程連接件、填充液、毛細(xì)管特點(diǎn)及性能的介紹，結(jié)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）、SylthermXLT、0.04″（1.1mm）），實(shí)踐證明在氨合成裝置開工及運(yùn)行維護(hù)中均顯現(xiàn)出良好檢測(cè)效果及性能。

    3.2 外浮筒液位開關(guān)

    合成氨裝置中用于聯(lián)鎖系統(tǒng)的液位測(cè)量，如高壓氨分器、中壓氨分器、低壓氨分離器等設(shè)備，采用外浮筒液位開關(guān)，具有耐高壓和適用于低比重液體的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于報(bào)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(gè)難題。問題的關(guān)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?dú)饨馕�形成了兩相流體。兩相流體中存在的液滴具有液體的質(zhì)量，同時(shí)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(dòng)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(gè)月，閥心閥座即已損壞。

    對(duì)于氨合成裝置管道壓力等級(jí)不小于PN420（Class2500）的場(chǎng)合，因?yàn)閴翰钐貏e大，一般采用角閥。介質(zhì)流向采用底進(jìn)側(cè)出式。角閥內(nèi)部易于沖洗。由于角形閥中的介質(zhì)直接流向閥體內(nèi)部下游管道的中心，而不是直接沖擊體壁，所以可大大減少?zèng)_擊閥體體壁的飽和氣泡數(shù)量，從而減弱了閃蒸破壞力。從氣蝕的直接結(jié)果看，造成損傷是因?yàn)椴牧嫌捕炔蛔阋缘挚箽馀萜屏讯�釋放的沖擊力，所以從這個(gè)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(jìn)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(dāng)硬化表面出現(xiàn)損傷后，可以進(jìn)行二次堆焊或噴焊，這樣便能增加設(shè)備的使用壽命，同時(shí)也減少了裝置的維修費(fèi)用。

    4.2 高壓蝶閥

    對(duì)于大口徑、大流量、壓差小的場(chǎng)合可采用蝶閥[7]，例如氨合成塔主線合成氣流量遙控調(diào)節(jié)、第二換熱器合成氣流量調(diào)節(jié)、氨合成塔進(jìn)口合成氣溫度調(diào)節(jié)、高壓鍋爐給水預(yù)熱器合成氣溫度分程調(diào)節(jié)等。

    氨合成裝置的幾臺(tái)蝶閥均在重要場(chǎng)合下工作，若出現(xiàn)故障將影響整個(gè)裝置的生產(chǎn)，因而應(yīng)選用高質(zhì)量的進(jìn)口的蝶閥。

    另外，遙控調(diào)節(jié)閥不可能完全按照調(diào)節(jié)閥的流量特性和流通能力來考慮。調(diào)節(jié)閥是整個(gè)控制回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，是在閉環(huán)條件下工作的。

    5 結(jié)束語

    隨著氨合成裝置生產(chǎn)工藝流程及自動(dòng)化控制的要求越來越高，會(huì)對(duì)測(cè)量及控制儀表提出更新、更高和更多的要求。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡利弊分類討論做出選擇，不要盲目地根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出判斷。

    質(zhì)量優(yōu)秀的自控儀表必有標(biāo)準(zhǔn)可遵循。標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)用經(jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。測(cè)量及控制儀表的選用是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，對(duì)于某一具體的應(yīng)用場(chǎng)所可以采用的儀表可能有幾種方案，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作情況量體裁衣，選擇性能*佳的測(cè)量儀表。

    選型不僅局限于標(biāo)準(zhǔn)化的儀表選型，思維應(yīng)具有創(chuàng)新性，如目前非標(biāo)準(zhǔn)化的多孔平衡流量計(jì)在很多方面具有其他流量計(jì)不具備的優(yōu)點(diǎn)，同樣在選型過程中值得商榷。