氨合成裝置氨用閥門儀表設(shè)計選型探討

    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)場儀表設(shè)計選型*注意要點就是嚴(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，其中現(xiàn)場儀表的選型設(shè)計存在多樣性及復(fù)雜性。本文結(jié)合國內(nèi)某煤化集團公司單套60萬噸/年總氨項目，采用國際先進的瑞士Casale流程工藝，介紹氨合成裝置使用的主要現(xiàn)場儀表的選型設(shè)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(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，則會影響生產(chǎn)效益，更嚴(yán)重時將會引起設(shè)備的局部泄漏甚至導(dǎo)致爆炸，所以對該類設(shè)備在運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式熱電偶和單點式鎧裝熱電偶。多點式熱電偶適用于生產(chǎn)現(xiàn)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。

    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(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)的熱電偶點數(shù)有單點、2點，*多可達(dá)36點。

    氨合成塔內(nèi)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(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(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

    多孔平衡流量計（多孔孔板）巧妙的設(shè)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(diào)整成理想狀態(tài)，有限降低了渦流、震動和信號噪音，大大提高了流場穩(wěn)定性和線性度，從而將差壓式流量計的優(yōu)勢發(fā)揮到*。如圖2所示。

圖2 多孔平衡流量計示意圖

    多孔平衡流量計具有測量精度高、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。同時還克服了標(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(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(fā)展起來的一種新型差壓式流量測量儀表。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使得一次源的測量精度、重復(fù)性和可靠性達(dá)到一個嶄新高度，其主要特點有：1）精度高，可實現(xiàn)溫壓補償，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；4）無機械可動部件，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)選用均速管流量計測量其流量。

    2.3 質(zhì)量流量計

    經(jīng)過30多年的發(fā)展，以科里奧利力為原理而設(shè)計的質(zhì)量流量計已有多種形式。根據(jù)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(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)易核算的計量，對計量的可靠性和準(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量，選用了1臺質(zhì)量流量計。

    3 液位儀表

    3.1 遠(yuǎn)傳雙法蘭液位計

    遠(yuǎn)傳法蘭變送器在工業(yè)測量中有著大量的應(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）被測量介質(zhì)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(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(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)的各種壓力等級的法蘭式過程連接件外，還有其他多種獨特的、有很高應(yīng)用價值的過程連接件，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。主要特點有：1）細(xì)的毛細(xì)管因為內(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)管因為流通面積小，填充油流動阻力大，使得遠(yuǎn)傳法蘭變送器的動態(tài)響應(yīng)性能變差；3）粗的毛細(xì)管的性能正好相反，動態(tài)響應(yīng)性能好，受填充油熱脹冷縮的影響大。

    通過上述對遠(yuǎn)傳法蘭變送器過程連接件、填充液、毛細(xì)管特點及性能的介紹，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）），實踐證明在氨合成裝置開工及運行維護中均顯現(xiàn)出良好檢測效果及性能。

    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，廣泛應(yīng)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(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(zhì)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PN420（Class2500）的場合，因為壓差特別大，一般采用角閥。介質(zhì)流向采用底進側(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，所以可大大減少沖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(dāng)硬化表面出現(xiàn)損傷后，可以進行二次堆焊或噴焊，這樣便能增加設(shè)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(diào)節(jié)、第二換熱器合成氣流量調(diào)節(jié)、氨合成塔進口合成氣溫度調(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。

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

    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)閥是整個控制回路中的一個環(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(yīng)該根據(jù)實際情況權(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)大量實驗數(shù)據(jù)、實用經(jīng)驗歸納總結(jié)的寶貴經(jīng)驗。測量及控制儀表的選用是一項系統(tǒng)工程，對于某一具體的應(yīng)用場所可以采用的儀表可能有幾種方案，應(yīng)根據(jù)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(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在很多方面具有其他流量計不具備的優(yōu)點，同樣在選型過程中值得商榷。