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氟化工生產裝置儀表設計選型與應用


氟化工生產裝置儀表設計選型與應用,為了提高氟化工裝置儀表的安全性,降低企業生產的成本,防止和減少因儀表選型不當造成的安全事故的發生,結合作者多年氟化工裝置設計經驗,概括介紹了氟化工生產裝置溫度、壓力、液位、流量、調節閥以及開關閥等儀表設計選型與應用情況。
       隨著中國氟化工產業的發展壯大,新建和改造氟化工裝置越來越多,對于自控儀表的設計選型及應用亦顯得越來越重要。自控儀表的設計選型對于提高企業的生產效率、確保生產的安全性、提升產品的質量有著重要的作用。
 大部分氟化工裝置的工藝介質有不少具有易燃、易爆、有毒、強腐蝕性、強滲透性等特點,針對氟化工這些介質特點,對自控儀表的檢測原件的材質、工藝連接形式以及防爆等級提出了具體要求。
  對于涉及到有重大危險源的、需要設置安全儀表系統緊急停車或者聯鎖的氟化工裝置,測量儀表和執行元件需采用滿足國家安全儀表認證并符合國家標準的安全儀表,氟化工安全儀表系統定性分析安全完整性等級一般不超過 SIL2 級。
1、溫度儀表:
1. 1、反應器熱電偶

   HCFC - 22、HFC - 32 等裝置的立式氟化反應器溫度的控制非常重要,采用多點熱電偶,可以測量不同深度的溫度,有利于掌握反應器內部反應溫度的分布。另外,反應器內溫度、壓力較高,介質具有腐蝕性,設備內部設置了溫度計保護管,保護溫度計免受介質腐蝕。
   四氟乙烯生產裝置的裂解反應器屬于管式反應器,由于反應器結構和材質的原因,只能測量其表面溫度,因此采用了表面接觸式熱電偶。熱電偶采用直徑為 6 mm 的鎧裝原件作為測溫探頭,補償導線引至熱電偶接線盒。在反應器表面,將帶有與反應器曲面相吻合的感溫片焊接或抱箍在反應器外壁上,熱電偶的分度號為 K 型。圖 1 為反應器熱電偶示意圖。
圖 1 反應器熱電偶
1. 2、工藝設備及管道溫度計:
  工藝設備及管道就地溫度計選用雙金屬溫度計,400 ℃ 以下的遠傳溫度計采用 Pt100熱電阻。對于溫度不高、有腐蝕性介質的塑料管道或碳鋼襯 PTFE 管道上的溫度計采用法蘭安裝,溫度計保護管采用不銹鋼外包 PTFE 的雙金屬溫度計或裝配式熱電阻。對溫度較高、有腐蝕性介質 ( 例如AHF) 的管道上的溫度計采用法蘭安裝,溫度計保護管材質采用 Inconel600。對于普通鋼管道上的溫度計采用螺紋連接。
 對于塔器設備上的溫度計,可要求設備供貨商自帶溫度計套管,采用鎧裝熱電阻。設備自帶溫度計套管方便溫度計的在線檢修和維護,也降低了因介質腐蝕嚴重而造成泄漏的可能性。
2、壓力儀表:
  氟化工裝置的集中壓力儀表形式基本有兩類:一類是普通引壓管連接的壓力( 差壓) 變送器,另外一類是帶隔膜膜片的壓力( 差壓) 變送器。
  帶有隔離膜片的壓力( 差壓) 變送器一般用于含有氫氟酸或鹽酸等腐蝕性介質的管道或者設備上,隔膜材質一般選用不銹鋼噴涂 PTFE,這樣對溫度不高、有腐蝕性的介質起到防腐作用。
  由于無水氟化氫( AHF) 在一般情況下對普通金屬管道的腐蝕性很低,但在 100 ℃ 左右對金屬的腐蝕性非常大,理論上這種工況下測量壓力膜片材質選用不銹鋼噴涂 PTFE 是可行的,而且比較經濟,但在實際應用中膜片材質很快就會被腐蝕,效果很差。若膜片采用哈氏合金 C 鍍金在實際應用中安全性高,使用效果相對較好,但價格相對較高。
3、液位儀表:
  目前,氟化工裝置液位儀表一般采用常規的磁翻柱液位計、磁致伸縮液位計、雷達液位計、雙法蘭液位計以及射頻導納液位計等。
3. 1、磁致伸縮液位計:
  磁致伸縮液位計的傳感器測量桿外配有一浮子,浮子內部有一組長久磁環,此浮子可以沿測量桿隨液位的變化而上下移動。傳感器的電路部分將在波導絲上激勵出脈沖電流,該電流沿波導絲傳播時會在波導絲的周圍產生脈沖電流磁場。當脈沖電流磁場與浮子產生的磁環磁場相遇時,浮子周圍的磁場發生改變從而使得由磁致伸縮材料做成的波導絲在浮子所在的位置產生一個扭轉波脈沖,這個脈沖以固定的速度沿波導絲傳回并由檢出機構檢出。通過測量脈沖電流與扭轉波的時間差可以**地確定浮子所在的位置,即液面的位置。磁致伸縮液位計具有以下優點:

1) 精度高,*高可達到 1 mm;
2) 可以測量界面;
3) 分辨率高,*高可達微米級別;
4) 維護量低。
在一些具有腐蝕性介質的塔釜采用了磁翻板液位計內掛磁致伸縮液位計。磁翻板液位計測量管材質采用不銹鋼襯 PTFE,磁致伸縮液位計的測量桿及浮球均采用不銹鋼襯 PTFE 材質。由于磁致伸縮液位計的可動部件只有浮球一個部分,因此維護量極低,相對比僅用磁翻板液位計更有效。  在一些需要測量界面的貯槽內使用磁致伸縮液位計,同時設置了調節回路,使用效果較好。例如HCFC - 22 生產裝置的堿分離器采用磁致伸縮液位計,可有效地測量罐內界面的位置。
3. 2、雷達液位計:

 對于雷達液位計的選用,主要應用于含有 AHF的反應器和容器類設備上。出于安全考慮,氟化工裝置對貯存 AHF、且大于一定容積的設備一般不允許設備側面和底部開管口。在這種情況下,設計選用了雷達液位計。雷達液位計無可動部件,并且免受介質密度和溫度的變化,而測量精度不受影響。
 另外雷達液位計測量含有 AHF 介質的液位時,也采用測量桿( 纜) 襯 PTFE 的防腐措施,延長了儀表設備使用時間。目前,氟化工裝置內的 AHF 貯槽一般屬于國家重點監管的重大危險釋放源,因此,雷達液位計納入了安全儀表系統,安全完整性等級為 SIL2,信號引入安全儀表系統( SIS) 。
3. 3 、雙法蘭液位計:
 在氟化工裝置內液位儀表也有很多使用雙法蘭膜片液位計,主要用在含有強腐蝕性介質和低溫的設備上。
 對于含有鹽酸、氫氟酸和硫酸等強腐蝕性介質設備上,設置雙液位計的場合考慮采用雙法蘭液位計,液位計膜片材質采用不銹鋼噴涂 PTFE。另外,對于具有腐蝕性介質的塔釜遠傳液位計,也采用雙法蘭液位計,與塔釜磁翻板液位計進行對比校正。
 對于 AHF 介質,溫度在 100 ℃ 左右其對金屬的腐蝕性較大。與壓力變送器一致,雙法蘭液位計膜片材質同樣采用哈氏合金 C 鍍金,可以起到不錯的防腐效果。
4、流量儀表:
  遠傳流量儀表以常用的流量儀表為主,轉子流量計、電磁流量計和渦街流量計占據了氟化工裝置流量儀表的主流。另外還選用了孔板節流裝置( 同心) +差壓變送器和質量流量計等。
4. 1、轉子流量計
  氟化工裝置工藝介質一般具有流量小、量程比大、強腐蝕性等特點,而轉子流量計的優良性能恰恰適合氟化工裝置對這些方面流量測量的要求。轉子流量計適用于小管徑、低流速的測量,對上下游的直管段要求低,降低了配管要求,流量范圍可寬至 10 ∶ 1,大多數情況能滿足工藝介質流量波動的要求。轉子流量計對腐蝕性介質也能夠做到不銹鋼襯 PTFE或者采用塑料的材質,而且相對其他流量計來說,價格不高,經濟性能佳。
4. 2、電磁流量計:
  電磁流量計主要應用在具有強酸、強堿等腐蝕性導電介質的氟化工裝置上。電磁流量計比轉子流量計有更寬的量程比,精度更高,可應用于大直徑的管道,強酸或強堿介質中也可選用耐腐蝕性的材質。相對渦街流量計來說前后直管段要求低,降低了配管的難度。
  對于循環水總管( 大直徑管道) ,采用插入式電磁流量計,安裝維護方便,計量精度高,造價相對較低,應用效果比其他類型流量計更好
4. 3、質量流量計:
  質量流量計具有很高的測量精度,并且測量不受流體物性的影響,無上、下直管段的要求并且可以多參數測量,如溫度、密度等,但成本較高。
  在氟化工裝置內,質量流量計主要應用于進出裝置物料計量,利用質量流量計精度高的特點,方便企業成本核算,滿足其計量的需求。
  由于質量流量計具有多參數測量的優點,在含氟污水處理裝置中用來測量含有氫氧化鈣固體顆粒污水質量流量,同時輸出密度參數。
5、控制閥
  根據被測介質的性質( 介質狀態、溫度、壓力和 腐蝕性) 及閥門用途( 調節、兩位開關閥) 選用不同類型、材質的調節閥和開關閥。一般設計閥體材質等級不低于管道材質等級,閥內件( 閥芯、閥桿和閥座) 材質選用 SS316; 對于含有腐蝕性介質 ( AHF、 HCl 等) 要求選用波紋管密封閥門。圖 2 為控制閥閥蓋結構圖
5. 1、調節閥:
  氟化工裝置內的調節閥都選用了氣動薄膜調節閥。由于氟化工裝置有不少介質屬于易燃易爆物,防爆等級要求較高,選用氣動閥門大大降低了因電火花可能對裝置造成的危害。氣動調節閥的設備及使用成本較低,并且可以利用調節閥的故障開關實現部分簡單的聯鎖功能,降低了企業的生產成本。
  氟化工裝置中對于普通氣動調節閥閥芯一般選用柱塞型,能夠很好地實現工藝所要求的參數控制,對于壓差較大的氣動調節閥,閥芯形式選用了套筒類的調節閥,避免了普通柱塞閥因壓差大造成的調節不準確的缺點。
  對于腐蝕性的液體或氣體,一般選用不銹鋼襯PTFE 的氣動閥,對溫度較高的腐蝕性氣體選用哈氏合金 C 防腐材質,甚至選用 Inconel600 材質,可靠性好,但成本較高。
5. 2、開關閥:
 與調節閥一樣,在大部分情況下開關閥選用了氣動閥門。工藝物料介質選用氣動切斷球閥,尤其是關鍵部位的聯鎖或安全切斷部分,對進入 SIS 的開關閥有安全完整性等級的要求。對于公用工程管道上的開關閥,小口徑選用開關球閥,大口徑( 200 mm 以上) 則選用了氣動切斷蝶閥??筛鶕煌r,選用不同形式的開關閥,既可有效降低企業生產成本,又能滿足工藝聯鎖和安全控制的要求。
  對調節閥和開關閥在選型設計時要特別注意密封填料的性能,不僅看耐溫參數,也要看耐腐蝕性能。只有將可能出現的情況考慮周全,才能降低儀表維護頻率,為裝置長周期運行提供保證,降低企業的維修成本。
6、其他:
  由于氟化工裝置的特殊性,還需要設置一些用量較少但很重要的其他類型儀表。例如在線水含量分析儀、在線氧含量分析儀、在線氟離子分析儀以及可燃、有毒氣體報警儀等儀表 。
  有些工藝介質需要確保較低的水、氧含量,用到水含量、氧含量分析儀。四氟乙烯是特別需要注意的介質,在較低水含量、氧含量的條件下純四氟乙烯安全性較高,一旦水含量或氧含量超標,四氟乙烯易產生自聚、堵雙色液位計塞設備、劇烈放熱,可能引起超壓或爆炸,危險性極高,因此四氟乙烯生產裝置內設置在線水含量、氧含量分析儀很有必要。
  對于含有易燃、易爆或有毒氣體的裝置區域,需要設置可燃或有毒氣體檢測報警器。對提高裝置安全性、保證現場人員的人身安全是不可缺少的儀表安全系統。
7、結束語:
  氟化工裝置自控設計是一項系統工程,它是由多項工作相互協調、相互關聯、密切合作完成的。儀表選型是自控設計的基礎工作,基礎工作做不好將會給整個系統設計留下隱患,并暴露在后續的施工、開車及裝置的運行中。儀表選型首先要考慮到測量的準確性、合理性和可靠性,其次考慮用戶的適用性、經濟性和維護的方便性。
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