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煤化工苛刻工况下的流量温度液位仪表的设计与选型探讨

来源: 作者: 发布日期:2021-03-22

  要:本文详细阐述了煤化工仪表的各类苛刻工况,同时针对苛刻工况的工艺条件,给出相应的仪表设计和选型的意见,同时结合容易出现的煤化工仪表问题,给出了相应的解决方案,正确的煤化工仪表设计和选型,这样可以有效降低生产维修成本,减少安全生产事故。

 
1 引言
随着世界石油资源不断减少,煤化工有着更加广阔的前景,而煤气化在煤化工中占有重要地位,用于生产各种气体燃料,是洁净的能源。煤化工行业的生产过程非常复杂,应用于生产加工的机械设备也都是非常庞大、设备结构也非常复杂,加之整个加工生产过程的产线长、工艺多、规模大,所以一旦机械设备出现故障,进行检修和维护是非常困难的,同时提升生产的效率。煤化工仪表设计和选型就会显得尤为重要,特别是苛刻工况仪表的设计和选型对生产平稳运行更加重要,由于煤化工企业,能不能选择合适的仪表设计与合适选型,关系到企业的生产与安全,所以应当详细了解煤化工仪表的工作原理,保证仪表设计和选型的准确性。
 
2 煤化工温度仪表的设计和选型
煤化工苛刻工况的仪表有气化炉高温热电偶和气化炉表面温度仪表,在对煤化工苛刻温度仪表的设计和选型就非常重要。 
 
2.1 气化炉高温热电偶的设计和选型
气化炉内高温热电偶采用B分度的双铂铑热电偶测量,它不仅要承受约1300~1500℃的高温,而且要耐受煤融渣的冲刷,它的主要易损部件是温度计套管,据同类厂的使用实践,与国产特制金属陶瓷和刚玉温度计套管相比,国产套管使用效果不比进口的差,所以炉内高温热电偶可用国产产品,采用双套管结构。法兰和金属结构由国内厂商制造。
 
造气炉高温热偶选择测温元件要求选择B分度热电偶;保护套管选择碳化硅、二硅化钼等材质,同时内衬刚玉;热电偶的安装方式采取DN100/DN50双法兰组安装方式;同时保证热电偶插深在一定范围内可调;并且带有起保护作用的高温高压密封阻漏结构[2]。 2.2 气化炉表面热电偶的设计和选型气化炉表面热电偶要求实时测量气化炉表面温度并给予报警。同时要求炉表面温度反映了炉内耐火砖减薄的程度,可预先确定更换耐火砖的时间。为了使3600全面覆盖气化炉表面。每套系统包含多支表面热电偶,信号采集系统采用德国图尔克公司远程 I/O 系统,表面热电偶输出的K型mv信号通过冗余的MODBUS总线送至DCS 系统,对气化炉的各温区温度进行实时监测,可在0~600℃之间自行设定报警值。 
 
2.2.1 气化炉表面热电偶工作原理
表面热电偶的原理是基于热电效应,正负极偶丝对绞平行,偶丝之间均匀地填充了负温度系数材料(NTC材 料),负温度系数材料(NTC材料)在常温时呈高阻,阻值为兆欧级以上,随着温度的上升,阻值迅速降低。当在表面热电偶铺设区域出现高温点时,此处 NTC 材料阻值降低,在此点处形成热电偶的热接点,此时测得的是高温点的温度。因此,表面热电偶始终测量的是沿线的非常高温度。系统结构如图1所示。 
 
2.2.2 气化炉表面热电偶的选材说明
表面热电偶内部填充了 NTC 材料,属单元系材料,主要成份为锰基金属氧化物,为了保证材料的纯度,原料从国外进口,这些锰基氧化物按一定的比例混合,经研磨、烧结后,可在空气中直接使用,其电阻系数性能稳定,负温度系数大,并在高温情况下而不发生任何物理和化学的变化,性能稳定,一致性好。 
 
2.2.3 气化炉表面热电偶的安装方式
气化炉表面焊有特制M6螺母,表面热电偶按照设计图敷设在炉表面,并用压板和加固夹具固定,热电偶两端都有陶瓷插座连接件,并通过陶瓷插座连接件接上两根补偿导线,两根补偿导线连至现场接线箱,为冗余配置。每套陶瓷插座连接后安装保护盒,保护盒固定在接线板上。 
 
3、煤化工流量仪表设计和选型
煤化工中的水煤浆流量、氧气流量计、火炬气放空流量计应用的工况比较苛刻,针对这两种工况给出相应的设计和选型方案。
 
 4.1 水煤浆流量计的设计和选型
煤化工的水煤浆流量计仪表选型根据同类厂经验,用电磁流量计效果较好。测量煤浆的电磁流量计均采用低噪音电极,材质为哈氏合金HC外衬陶瓷,有良好的抗腐蚀性,严格避免产生电极表面效应,并且能承受-0.1MPa的真空工况,保证衬里长期耐用且测量准确可靠。电磁流量计的设计和选型具有良好的浆液噪音抑制措施,避免固体颗粒擦过电极表面,电极表面接触化学电势突然变化,输出流量信号出现尖峰脉冲状噪声,确保系统的强效稳定性和响应的高速性[2]。 
 
4.2 氧气流量计的设计和选型
氧气流量计尽量选择流速变化小,对流向改变小,撞击不严重的测量方式,如文丘里管;以某气化工况为例,进气化炉前氧气流量测量,流体温度40℃,操作压力8.6MPa,流量 13900Nm3/h,管道口径 DN150(139x6),管道材质 304;通过计算氧气流速为 2.92m/s,P*V=24.93<80MPa.m/s,管道材质可选用不锈钢;文丘里管否可以选用不锈钢,通过选型计算文丘里管喉部口径为72mm,而此场合为非撞击工况(入口与出口缩径比大于3:1的异径接头(偏心和同心)为撞击工况)可计算出喉部流速为12.6m/s,P*V=108.4>80MPa.m/s,因此文丘里管喉部及扩散段考虑采用镍基合金材质,同时为保持流量计的整体性,建议文丘里管整体使用镍基合金材质[3]。 
 
4.3 火炬气放空流量计的设计和选型
火炬气特点的需要很高的量程比(1:3000)的流量计、流量极其不稳定(0-120m/s流速)、介质肮脏、气体组分变化剧烈、气体压力极低、参考SH3009,API521相关规范,火炬系统必须在非常大排放量下,满足上游事故装置安全、连续排放要求;非常大排放量按照装置火灾、公用工程中断(停水停电等)、设备事故等工况排放量分析来确定;流量计要满足 GB31570-2015 石油炼制工业污染物排放标。根据以上工况一般选择超声波流量计,超声波流量计 可以满足需要很高的量程比;测量出极其不稳定、介质肮脏、气体组分变化剧烈、气体压力极低的流量;超声波流量计可根据声速计算质量流量;超声波流量计探头拆装无需停产等特点。 
 
5 液位仪表的设计和选型
煤化工中的激冷室液位计工况比较苛刻,激冷室的工况特点是高温、高压、防氢、防真空、防腐蚀、带冲洗、安全联锁。所以激冷室液位变送器一般选择双法兰液位变送器,变送器的膜片要求316L镀金,全焊接,硅油选择,具 有SIL认证的双法兰液位计。同时气化炉液位在系统升压后,采用工艺包提供的修正公式,把泡沫层等中间层液位一起计算进来,使用良好。计算差压考虑蒸汽密度;防氢脆、防真空处理;密封膜片316L加厚镀金;316L膜片、加厚316L膜片、金刚膜片、316L+镀金膜片、加厚316L+镀金膜片;防负压,小于-40KPa时建议选用全焊接式[4]。激冷室液位变送器:开车前,气化抽负时,打开变送器冲洗口,使膜片对大气;需要SIL2认证,不能只提供形式认证,从代码上体现;在气化炉设计之初,取消旁通管,缩短取压距离,降低堵塞出现的概率,冲洗效果更好;毛细管到法兰的连接处、膜头到毛细管连接处全部进行焊接[5]。 
 
6 分析仪表的设计和选型
在煤化工中气化炉各自的洗涤塔出口设置了在线分析仪表,用于合成气中H2、CO、CO2、CH4、O2、H2S等的实时分析检测,计算其体积百分比,用于指导气化炉操作,并估计气化炉内的温度。它们的成分是水煤浆气化工艺先进控制系统(APC)的主要参数,是气化炉运行好坏的重要标志,为所有气化工厂所重视。按测量原理,可采用气相色谱、红外加热导等方法分析。气相色谱价高,可作全组份分析,可作相关补偿和计算,但多流路多组份分析滞后较大。色谱仪还要设1台红外分析仪在线连续测量气化气中CH4的含量。比较便宜且适用的是用红外加热导分析仪,CO、CO2和CH4用三台红外分析仪分别测量,H2用一台热导分析仪分析。经过同类大化肥重油气化和水煤浆气化的实践,证明是切实可行的。气体分析仪的设计和选型中,共同的问题是采样样品的预处理装置的选择和使用,应采用国产具有丰富实践经验厂商的样品预处理系统产品。
 
同时针对煤化工分析仪表多的特点可以选择不同的分析仪表选择方案,以某煤气化装置中采用8台气化炉为例,为了更好的检测气化炉合成气的各组分含量,在8台气化炉各自的洗涤塔出口设置了在线分析仪表,用于合成气中 H2、CO、CO2、CH4、O2、H2S 等的实时分析检测。采用两种方案进行对比。
 
方案一红外分析仪方案:采用4个分析小屋、16台红外分析仪、8 台热导氢分析仪和 8 台氧分析仪。仅分析CO、CO2、H2、CH4和O2。
 
方案二质谱仪方案:采用2个分析小屋、两台质谱仪(冗余配置,更安全可靠)。实现每台质谱仪不仅完成CO,CO2,H2、CH4和 O2的实时监测分析,也可实现全组份分析,完成包括N2、H2S、Ar、COS等组份的测量。 
 
7 结束语
随着煤化工的不断发展进步,特别是对煤化工仪表要求也越来越高,这就要求必须熟悉掌握煤化工仪表使用的工况特点,要满足国家标准和行业标准来选择更加合适、更加安全的煤化工仪表设备,从煤化工苛刻的工况可以看出,要从根本上选择好适合安全生产的煤化工仪表设备,要知道工艺工况,了解仪表各种原理、熟悉国家各类仪表的规范要求、同时要参考同类装置的仪表使用情况,这样才能选择好煤化工苛刻工况的仪表,才能保证煤化工生产更加安全可靠[6]。

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