唐文冬
(廣西安生安全技術(shù)有限公司,廣西 南寧 530000)
合成氨為當(dāng)化工行業(yè)的原料基礎(chǔ),合成氨除了在農(nóng)業(yè)中有廣泛應(yīng)用外,還在工業(yè)、國防以及人民生活中占據(jù)著非常重要的地位。目前,我國合成氨工廠雖然在各自工序環(huán)節(jié)中已經(jīng)初步實現(xiàn)了自動化的控制,但是各個工序均是相對獨立的[1]。隨著DCS 系統(tǒng)的應(yīng)用,實現(xiàn)對合成氨各個工序環(huán)節(jié)的集中控制,對于提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本具有重要意義。本文以60 萬t 合成氨產(chǎn)量的工廠為例開展研究,該工廠為了提高煤炭的利用率,配套了最為先進(jìn)的粉煤加壓氣化技術(shù);為滿足合成氨的產(chǎn)量和生產(chǎn)成本等要求,對合成氨的集中控制改造勢在必行,以變換工段為例對現(xiàn)場儀表進(jìn)行選型,并完成了工程實現(xiàn)設(shè)計。
合成氨工廠的關(guān)鍵工序包括有氣化、空分、變換、硫回收、脫硫脫碳處理等;此外,還包括有污水治理、給誰、脫鹽水、中水回用等輔助工序??偟膩碇v,該工廠合成氨的工藝流程相對較長;據(jù)統(tǒng)計,從最初的氣化工序到最終氨合成總共包含了24 個工序段,涉及到的操作站為58 臺,ESD 控制柜有2 臺。
重點以合成氨工廠中的變換工段為例開展研究。所謂變換工段指的是由氣化工序所產(chǎn)生的粗煤氣經(jīng)過氣液分離器、變換爐中的變換反應(yīng)后進(jìn)入脫硫脫碳的工序段。對變換工段的集中控制主要是對該區(qū)域中工藝生產(chǎn)中涉及到的溫度、壓力、流量、液位以及氣體分析等參數(shù)進(jìn)行檢測分析和控制;同時,基于DCS 控制系統(tǒng)還需對該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的有毒或者可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測,并對超標(biāo)情況進(jìn)行報警。
根據(jù)合成氨工廠中變換工段的工藝要求,其自動化控制技術(shù)方案,如圖1 所示。
圖1 合成氨變換工段自動化控制技術(shù)方案
根據(jù)現(xiàn)場工藝要求,為合成氨變換工段設(shè)計198個控制點,具體分配方案,如表1 所示。
表1 合成氨變換工段控制點分配
合成氨工廠變換工段的儀表類型包括有檢測、顯示、控制、執(zhí)行等類型;各類儀表均發(fā)揮其應(yīng)用的作用和功能,對保證合成氨工廠變換工段的安全運(yùn)行具有重要意義。
現(xiàn)場各類儀表均具有不同的功能和作用,在選型時需綜合結(jié)合合成氨工程變換工段的工藝條件和實際工況對儀表進(jìn)行選型,尤其是需要遵循相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的原則,具體如下:
1)變化工段儀表的選型,需重點考慮儀表應(yīng)用設(shè)備的特點、工藝條件以及工況等。比如:儀表所應(yīng)用的工藝條件、壓力以及化工行業(yè)中需特殊考慮的是否存在腐蝕性的特點等;
2)針對合成氨工程的地域環(huán)境特點,對儀表的耐溫性、防雷措施等均需要特殊考慮;
3)盡量保證所選型儀表的國產(chǎn)化替代工作,以確保儀表的售后的短周期、快速響應(yīng)[2]。
溫度為合成氨工廠必不可少的監(jiān)測的參數(shù),常見的監(jiān)測溫度儀表包括有熱電阻、熱電偶、雙金屬溫度計以及一體化溫度變送器等。各類溫度儀表根據(jù)其工藝和特點綜合選用。其中,根據(jù)變換工段的工藝要求,測量范圍在500 ℃以下的選用熱電阻溫度計;測量范圍在500 ℃以上的選用熱電偶溫度計;上述兩種儀表均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸;而對于現(xiàn)場溫度的監(jiān)測需求,一般選用雙金屬溫度計。鑒于合成氨工廠生產(chǎn)的惡劣性,需要將熱電阻和熱電偶溫度計安裝在保護(hù)套管中,并通過法蘭式的形式實現(xiàn)與設(shè)備的連接;采用螺旋連接方式實現(xiàn)與管道的連接[3]。
本項目所選型的熱電阻儀表類型為Pt100;根據(jù)應(yīng)用場所為Pt100 熱電阻儀安裝相應(yīng)等級的保護(hù)套;為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,要求熱電阻儀表插入管道工程直徑的1/3 至2/3 處。為熱電阻儀表安裝的外保護(hù)套管的結(jié)構(gòu),如圖2 所示。
圖2 熱電阻儀表外保護(hù)套管結(jié)構(gòu)示意圖
在高溫測量區(qū)域,采區(qū)熱電偶溫度計,根據(jù)合成氨變換工段的工藝要求,本項目選用的熱電偶的溫度最高測量限值為2 500 ℃,選用熱電偶的類型為裝配式熱電偶。
本項目合成氨變換工段需要對現(xiàn)場溫度測量,根據(jù)現(xiàn)場溫度測量要求,本項目采用精度為±1.5%,表盤為150 mm 的表盤;并根據(jù)現(xiàn)場公稱壓力大于5 MPa 的工況特點,為雙金屬溫度計配套整體鉆孔錐形保護(hù)管。
常見的壓力儀表包括有壓力變送器、隔膜密封壓力變送器、差壓變送器和就地壓力表等。合成氨變換工段的最大測量壓力為3.67 MPa;因此,本項目采用普通壓力變送器即可滿足實際工況的應(yīng)用要求。同時,鑒于合成氨工程變換工段工藝中存在易結(jié)晶、有毒介質(zhì)的組分。綜上所述,本項目在工藝管路中選用隔膜密封壓力變送器[4]。
本項目中氣液分離器的冷凝管溫度為145 ℃,額定工況為4.55 MPa;而且,該氣液分離器中存在硫化氫等腐蝕性氣液體對變送器造成腐蝕。因此,本項目選用DC704 硅油為填充液的隔膜密封式壓力變送器。
常見的流量儀表包括有節(jié)流裝置、渦街流量計、金屬管浮子流量計、電磁流量計以及橢圓齒輪流量計。根據(jù)合成氨變換工段的工藝環(huán)節(jié)和要求,對其流量計的選型結(jié)果如下:
1)針對溫度小于500 ℃,管路直徑小于300 mm的蒸汽流量的監(jiān)測選用渦街流量計;而對于除蒸汽外的液體流量的監(jiān)測選用節(jié)流裝置流量變送器;針對除蒸汽之外的普通其他流量的監(jiān)測選用德爾塔流量計。
2)針對管路直徑小于25 mm 的管路選用金屬管浮子流量計對其流量進(jìn)行監(jiān)測。
上述關(guān)鍵儀表的選型是實現(xiàn)合成氨變換工段自動化控制和管理的基礎(chǔ)。結(jié)合變換工段的工藝條件需求,實現(xiàn)對各個環(huán)節(jié)的分散和集中控制。經(jīng)實踐表明,合成氨工廠變換工段開始運(yùn)行后,現(xiàn)場各個儀表的運(yùn)行狀況良好,而且可以實現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行[5]。同時,現(xiàn)場作業(yè)人員可以實時的掌握現(xiàn)場各個位置的工況信息,從而實現(xiàn)對各個回路的精準(zhǔn)控制,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性;解決了由于控制系統(tǒng)的故障而導(dǎo)致停車的問題,從而提高了合成氨的生產(chǎn)效率。
合成氨作為基礎(chǔ)化工原料,其在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中應(yīng)用廣泛,包括在農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及國防等領(lǐng)域。隨著DCS 系統(tǒng)的應(yīng)用,實現(xiàn)對合成氨各個工序環(huán)節(jié)的集中控制,對于提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本具有重要意義。本文重點結(jié)合合成氨變換工段工藝要求完成了關(guān)鍵儀表的選型,尤其是關(guān)于溫度儀表、壓力儀表以及流量儀表的選型。通過實踐表明,所選型儀表在合成氨變化工段與DCS 控制系統(tǒng)應(yīng)用后極大提升了合成氨變換工段運(yùn)行的安全性和可靠性,對于提升合成氨的生產(chǎn)效率具有重要意義