關于氨合成裝置中對于流量計和液位計的設計選型探討

0    引言
       絕大多數金屬和合金如不銹鋼、鋁、鉛、鎂、貴金屬等對濕和干的氨氣、液氨和氨水都有良好的耐蝕性。但銅和所有的銅合金是一個例外，遭受濕和干的氨及氨水的 嚴重腐蝕，生成可溶的絡合物，并產生危險的應力腐蝕破 裂，反應方程式及電離方程式如下：

2Cu+8NH3 +O2+2H2O=2[Cu(NH3)4](OH)2          (1)
Cu+NH3+O2+H2O→[Cu(NH3)4]2  +OH                 (2)
        在有氨存在任何環境，即使在只含微量氨的大氣中， 都可能發生應力腐蝕。所以氨合成裝置現場儀表設計選型 *先注意要點就是嚴禁采用銅及銅合金材料。
        筆者參與了國內幾套氨合成裝置的工程設計，其中現 場儀表的選型設計存在多樣性及復雜性。本文結合國內某 煤化集團公司單套60萬噸/年總氨項目，采用國內的瑞 士Casale流程工藝，介紹氨合成裝置使用的主要現場儀表的 選型設計。

       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觸媒層溫度。這些設備內工況一 般都是高溫、高壓，介質易燃易爆，一旦內部溫度長期異 常，則會影響生產效益，更嚴重時將會引起設備的局部泄漏甚至導致爆炸，所以對該類設備在運行過程中的溫度控 制要求非常高。
      熱電偶的結構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現 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[1]。
      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18支，每支內的熱電偶點數 有單點、2點，多可達36點。
氨合成塔內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。
      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， 其安裝結構見圖1。

         2    流量儀表
         2.1   多孔孔板流量計
          多孔孔板流量計巧妙的設計在于將多孔 整流器和測量孔板合二為一，能大限度地將流場平衡調 整成理想狀態，有限降低了渦流、震動和信號噪音，大大 提高了流場穩定性和線性度，從而將差壓式流量計的優勢 發揮到**[2]。如圖2所示。
圖2  多孔平衡流量計示意圖

      多孔孔板流量計具有測量精度高、重復性和長期穩定 性好、量程比寬、**壓損低、耐臟污不宜堵、可測高溫 高壓介質（≤850℃、42MPa）、直管段要求低（前后直管 段為0.5D~2D）等優點。同時還克服了標準節流裝置的雜物 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展起來的一種新型 差壓式流量測量儀表[3]。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、重復性和可靠性達到一個嶄新高度， 其主要特點有：1）精度高，可實現溫壓補償，精度可達
±1.0%；2）能夠保證精度的長期穩定；3）防堵設計；4） 無機械可動部件，可靠度高，穩定性好，維修量少；5）壓 損小，能耗低[4]。
          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，為了使得流量儀表造 成的**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選用均速管流量 計測量其流量。
2.3    質量流量計
          經過30多年的發展，以科里奧利力為原理而設計的質 量流量計已有多種形式[5]。根據檢測管的形狀來分，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的有：雙U型、雙S型、雙Ω型、雙環 型、單直管型、雙直管型、單管多環型（一般為雙環）、 單管雙Q型、雙B型等。
液氨為氨合成工段的產出成品。 用于貿易核算的計 量，對計量的可靠性和準確性都要求很高，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臺質量流 量計。

3    液位儀表
3.1    遠傳雙法蘭液位計
        遠傳法蘭變送器在工業測量中有著大量的應用，通常 用于下列工況[6]：1）在高溫應用中（一般超過120℃），不 使用普通引壓管路降溫的情況下，將高溫介質和變送器隔 離；2）被測量介質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）被測量介質是高粘度或者由于 環境、流程、溫度變化而容易固化或結晶；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 介質的引壓管路。
         遠傳法蘭變送器過程連接件除了常規的符合ANSI、 DIN、JIS標準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、有很高應用價值的過程連接件，其常 用形式見表1。遠傳法蘭變送器常用填充液的性質及用途見 表2。

表1  遠傳法蘭變送器過程連接形式 

形式	說明
夾持型	它是被夾裝在兩個法蘭中間。法蘭可以使 用國產的產品，節省了采購成本
凸膜型	測量膜片可以凸出安裝法蘭深入到設備內 部，能更好地接觸被測量介質，凸出長度 可以到225毫米
高壓螺紋連接型	1/4″到1-1/2″的螺紋連接，耐壓可以到 69MPa
焊接型	根據工藝要求，可以直接焊接在管道和設 備上
在線管道型	膜片和過程連接件被制造成和流通管道一 樣直徑的管路，適用于特別高粘度或者由 于環境、流程、溫度變化而容易固化或結 晶、不可以有任何流動死角的使用情況
衛生型	符合國內3A標準，適用于制藥、食品等行 業應用

表2  填充油的物理特性數據

名稱	一個大氣壓力下 的工作溫度范圍	密度	粘度 (25℃)	性質與用途
DC200	-45～205℃	0.934	9.5cs	一種硅油，綜合性能好，常使用
S y l t h e r m XLT	-75～150℃	0.85	1.6cs	一種硅聚合物填充油，適用于溫度 較低的情況
Inert (Halocarbon)	-45～160℃	1.85	6.5cs	鹵代碳氫化合物，化學穩定性好，不 易和其他物質反應，適用于測量氧 氣等場合
DC704	0～315℃	1.07	44cs	一種硅油，適用于高溫測量應用
DC705	20～350℃	1.09	175cs	一種硅油，適用于高溫測量應用
蔬菜油	-15～225℃	0.94	9.8cs	一種營養品，衛生型填充油
甘油和水	-17～93℃	1.13	12.5cs	含50%體積百分比甘油，衛生型填充 油
丙烯乙二醇 和水	-17～93℃	1.02	2.85cs	含30%體積百分比的丙烯乙二醇，衛 生型填充油

     遠傳法蘭變送器毛細管通常有三種不同直徑的毛 細管：0.03″（0.7mm）、0.04″（1.1mm）、0.07″
（1.75mm）供選擇。主要特點有：1）細的毛細管因為內部 填充油少，更少受填充油熱脹冷縮的影響，有更好的溫度 穩定性；2）細的毛細管因為流通面積小，填充油流動阻力 大，使得遠傳法蘭變送器的動態響應性能變差；3）粗的毛 細管的性能正好相反，動態響應性能好，受填充油熱脹冷 縮的影響大。
     通過上述對遠傳法蘭變送器過程連接件、填充液、毛 細管特點及性能的介紹，結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）、Syltherm XLT、0.04″（1.1mm）），實踐證明在氨合成裝置開工及 運行維護中均顯現出良好檢測效果及性能。
3.2    外浮筒液位開關
    合成氨裝置中用于聯鎖系統的液位測量，如高壓氨分 器、中壓氨分器、低壓氨分離器等設備，采用外浮筒液位 開關，具有耐高壓和適用于低比重液體的特點，**應用 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P N420
（Class2500）的場合，因為壓差特別大，一般采用角閥。 介質流向采用底進側出式。角閥內部易于沖洗。由于角形 閥中的介質直接流向閥體內部下游管道的中心，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 量，從而減弱了閃蒸破壞力。從氣蝕的直接結果看，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。當硬化表面出現損 傷后，可以進行二次堆焊或噴焊，這樣便能增加設備的使 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節、二換熱器合成氣 流量調節、氨合成塔進口合成氣溫度調節、高壓鍋爐給水 預熱器合成氣溫度分程調節等。
氨合成裝置的幾臺蝶閥均在重要場合下工作，若出現 故障將影響整個裝置的生產，因而應選用高質量的進口的蝶閥。 另外，遙控調節閥不可能完全按照調節閥的流量特 性和流通能力來考慮。調節閥是整個控制回路中的一個環 節，是在閉環條件下工作的。

5    結束語
     隨著氨合成裝置生產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。應該根據實際情況權衡利弊分類討論做出選擇，不要 盲目地根據經驗做出判斷。
質量**的自控儀表必有標準可遵循。標準是根據大 量實驗數據、實用經驗歸納總結的寶貴經驗。測量及控制 儀表的選用是一項系統工程，對于某一具體的應用場所可 以采用的儀表可能有幾種方案，應根據實際工作情況量體 裁衣，選擇性能佳的測量儀表。
選型不僅局限于標準化的儀表選型，思維應具有創新 性，如目前非標準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點，同樣在選型過程中值得商榷。

上一條：對于如何縮短流量計安裝時間的研究分析
下一條：淺談電磁流量計在重金屬廢水自動監測系統中的應用