关于氨合成装置中对于流量计和液位计的设计选型探讨

0    引言
       绝大多数金属和合金如不锈钢、铝、铅、镁、贵金属等对湿和干的氨气、液氨和氨水都有良好的耐蚀性。但铜和所有的铜合金是一个例外，遭受湿和干的氨及氨水的 严重腐蚀，生成可溶的络合物，并产生危险的应力腐蚀破 裂，反应方程式及电离方程式如下：

2Cu+8NH3 +O2+2H2O=2[Cu(NH3)4](OH)2          (1)
Cu+NH3+O2+H2O→[Cu(NH3)4]2  +OH                 (2)
        在有氨存在任何环境，即使在只含微量氨的大气中， 都可能发生应力腐蚀。所以氨合成装置现场仪表设计选型 *先注意要点就是严禁采用铜及铜合金材料。
        笔者参与了国内几套氨合成装置的工程设计，其中现 场仪表的选型设计存在多样性及复杂性。本文结合国内某 煤化集团公司单套60万吨/年总氨项目，采用国内的瑞 士Casale流程工艺，介绍氨合成装置使用的主要现场仪表的 选型设计。

       1   温度仪表
       1.1    多点式热电偶
      大化肥合成塔、变换炉、精馏塔、存储罐等装置中， 通常采用热电偶测量塔内触媒层温度。这些设备内工况一 般都是高温、高压，介质易燃易爆，一旦内部温度长期异 常，则会影响生产效益，更严重时将会引起设备的局部泄漏甚至导致爆炸，所以对该类设备在运行过程中的温度控 制要求非常高。
      热电偶的结构形式分为高温氧化铝瓷珠绝缘的多点式 热电偶和单点式铠装热电偶。多点式热电偶适用于生产现 场存在温度梯度不显著，需同时测量多个位置或位置的多 处测量[1]。
      多点式热电偶有多支多点铠装热电偶和单支多点铠装热电偶，其铠装热电偶与固定法兰及接线盒组成一体。法兰短管上可以设有散热片，以免接线盒温度过高。铠装热 电偶有单支、双支，多可达18支，每支内的热电偶点数 有单点、2点，多可达36点。
氨合成塔内部的温度检测采用多支多点式热电偶，分 度号为K，所有热电偶集中接至安装在合成塔顶部的防爆接 线箱内。
      1.2    表面热电偶
      表面热电偶主要用于锅炉管壁、炉壁、合成塔及其他 圆柱体表面温度测量，采用Φ3-6mm的铠装元件作为测温 探头，引线至成热电偶接线盒，测温端焊接或用螺钉固定 在不锈钢感温片上，将带有与表面相吻合的曲面的感温片 焊接或抱箍在塔壁（管道）上。合成塔表面温度及开工加 热炉盘管表面温度测量采用点式表面热电偶，分度号为K， 其安装结构见图1。

         2    流量仪表
         2.1   多孔孔板流量计
          多孔孔板流量计巧妙的设计在于将多孔 整流器和测量孔板合二为一，能大限度地将流场平衡调 整成理想状态，有限降低了涡流、震动和信号噪音，大大 提高了流场稳定性和线性度，从而将差压式流量计的优势 发挥到**[2]。如图2所示。
图2  多孔平衡流量计示意图

      多孔孔板流量计具有测量精度高、重复性和长期稳定 性好、量程比宽、**压损低、耐脏污不宜堵、可测高温 高压介质（≤850℃、42MPa）、直管段要求低（前后直管 段为0.5D~2D）等优点。同时还克服了标准节流装置的杂物 滞留、堵塞和边缘易磨损、维护和检定成本高等缺点。
        氨合成工艺中的低压蒸汽、蒸汽冷凝液、合成气、液 氨等介质在满足公称通径100mm≤D≤400mm以及量程比
（即大流量与小流量的比值）小于10：1的情况下，均 选用多孔平衡流量计测量其流量。
2.2    均速管流量计
          均速管流量计是基于皮托管原理发展起来的一种新型 差压式流量测量仪表[3]。均速管流量探头形式有阿牛巴（阿 纽巴）、德尔塔巴、威力巴、依特巴、拖巴、双D巴、威 尔巴、椭圆巴等衍生品。其中子弹头形威力巴流量计使得 一次源的测量精度、重复性和可靠性达到一个崭新高度， 其主要特点有：1）精度高，可实现温压补偿，精度可达
±1.0%；2）能够保证精度的长期稳定；3）防堵设计；4） 无机械可动部件，可靠度高，稳定性好，维修量少；5）压 损小，能耗低[4]。
          在氨合成工艺中，大管径、大流量的蒸汽冷凝液、低 压蒸汽及液氨的流量测量不在少数，为了使得流量仪表造 成的**压力损失尽量小，防止液氨降压汽化，降低能耗 从而减小工厂的运行成本，公称通径在400mm以上的蒸汽 冷凝液、低压蒸汽、冷却水及液氨等介质选用均速管流量 计测量其流量。
2.3    质量流量计
          经过30多年的发展，以科里奥利力为原理而设计的质 量流量计已有多种形式[5]。根据检测管的形状来分，大体上可以归纳为直管型、弯管型、单管型、多管型（一般为双 管型）四类。通常检测管形状总是上述几种类型的组合， 目前常用的和已开发的有：双U型、双S型、双Ω型、双环 型、单直管型、双直管型、单管多环型（一般为双环）、 单管双Q型、双B型等。
液氨为氨合成工段的产出成品。 用于贸易核算的计 量，对计量的可靠性和准确性都要求很高，所以氨合成工 艺中的中压氨分离器出口液氨流量测量，选用了1台质量流 量计。

3    液位仪表
3.1    远传双法兰液位计
        远传法兰变送器在工业测量中有着大量的应用，通常 用于下列工况[6]：1）在高温应用中（一般超过120℃），不 使用普通引压管路降温的情况下，将高温介质和变送器隔 离；2）被测量介质对变送器的接液部分有腐蚀作用，特别 是变送器传感器的膜片；3）被测量介质是高粘度或者由于 环境、流程、温度变化而容易固化或结晶；4）容器液位的 测量；5）液体的密度或者是液/液界面测量；6）工艺上要 求被测量容器或者管道尽可能减少死角；7）不希望有进入 介质的引压管路。
         远传法兰变送器过程连接件除了常规的符合ANSI、 DIN、JIS标准的各种压力等级的法兰式过程连接件外，还 有其他多种独特的、有很高应用价值的过程连接件，其常 用形式见表1。远传法兰变送器常用填充液的性质及用途见 表2。

表1  远传法兰变送器过程连接形式 

形式	说明
夹持型	它是被夹装在两个法兰中间。法兰可以使 用国产的产品，节省了采购成本
凸膜型	测量膜片可以凸出安装法兰深入到设备内 部，能更好地接触被测量介质，凸出长度 可以到225毫米
高压螺纹连接型	1/4″到1-1/2″的螺纹连接，耐压可以到 69MPa
焊接型	根据工艺要求，可以直接焊接在管道和设 备上
在线管道型	膜片和过程连接件被制造成和流通管道一 样直径的管路，适用于特别高粘度或者由 于环境、流程、温度变化而容易固化或结 晶、不可以有任何流动死角的使用情况
卫生型	符合国内3A标准，适用于制药、食品等行 业应用

表2  填充油的物理特性数据

名称	一个大气压力下 的工作温度范围	密度	粘度 (25℃)	性质与用途
DC200	-45～205℃	0.934	9.5cs	一种硅油，综合性能好，常使用
S y l t h e r m XLT	-75～150℃	0.85	1.6cs	一种硅聚合物填充油，适用于温度 较低的情况
Inert (Halocarbon)	-45～160℃	1.85	6.5cs	卤代碳氢化合物，化学稳定性好，不 易和其他物质反应，适用于测量氧 气等场合
DC704	0～315℃	1.07	44cs	一种硅油，适用于高温测量应用
DC705	20～350℃	1.09	175cs	一种硅油，适用于高温测量应用
蔬菜油	-15～225℃	0.94	9.8cs	一种营养品，卫生型填充油
甘油和水	-17～93℃	1.13	12.5cs	含50%体积百分比甘油，卫生型填充 油
丙烯乙二醇 和水	-17～93℃	1.02	2.85cs	含30%体积百分比的丙烯乙二醇，卫 生型填充油

     远传法兰变送器毛细管通常有三种不同直径的毛 细管：0.03″（0.7mm）、0.04″（1.1mm）、0.07″
（1.75mm）供选择。主要特点有：1）细的毛细管因为内部 填充油少，更少受填充油热胀冷缩的影响，有更好的温度 稳定性；2）细的毛细管因为流通面积小，填充油流动阻力 大，使得远传法兰变送器的动态响应性能变差；3）粗的毛 细管的性能正好相反，动态响应性能好，受填充油热胀冷 缩的影响大。
     通过上述对远传法兰变送器过程连接件、填充液、毛 细管特点及性能的介绍，结合氨合成高压氨分液氨工况： 操作压力14.1MPaG、操作温度-10℃，高压氨分液氨选用 双法兰液位变送器（高压螺纹连接型（DN50）、Syltherm XLT、0.04″（1.1mm）），实践证明在氨合成装置开工及 运行维护中均显现出良好检测效果及性能。
3.2    外浮筒液位开关
    合成氨装置中用于联锁系统的液位测量，如高压氨分 器、中压氨分器、低压氨分离器等设备，采用外浮筒液位 开关，具有耐高压和适用于低比重液体的特点，**应用 于报警和控制功能中。
4    控制阀
4.1    高压角阀
    合成氨放氨用的高压液位控制阀始终是一个难题。问 题的关键是阀的前后压差特别大，在高压差条件下因液氨 闪蒸和液氨中的氢氮气解吸形成了两相流体。两相流体中 存在的液滴具有液体的质量，同时具有高压差条件下作为 载体的气体高速度。这些液滴就有很高的动能，因而具有 很大的破坏力。普通的控制阀在这种工况下多只能工作2~3个月，阀心阀座即已损坏。对于氨合成装置管道压力等级不小于P N420
（Class2500）的场合，因为压差特别大，一般采用角阀。 介质流向采用底进侧出式。角阀内部易于冲洗。由于角形 阀中的介质直接流向阀体内部下游管道的中心，而不是直 接冲击体壁，所以可大大减少冲击阀体体壁的饱和气泡数 量，从而减弱了闪蒸破坏力。从气蚀的直接结果看，造成 损伤是 因为材料硬 度不足以 抵抗气泡破裂 而释放的冲 击 力，所以从这个角度我们可以考虑采用高硬度材料，一般 常用的 方法是在不 锈钢基体 上进行堆焊或 喷焊司太莱 合 金，在流体气蚀冲刷处形成硬化表面。当硬化表面出现损 伤后，可以进行二次堆焊或喷焊，这样便能增加设备的使 用寿命，同时也减少了装置的维修费用。
4.2    高压蝶阀
     对于大口径、大流量、压差小的场合可采用蝶阀[7]，例 如氨合成塔主线合成气流量遥控调节、二换热器合成气 流量调节、氨合成塔进口合成气温度调节、高压锅炉给水 预热器合成气温度分程调节等。
氨合成装置的几台蝶阀均在重要场合下工作，若出现 故障将影响整个装置的生产，因而应选用高质量的进口的蝶阀。 另外，遥控调节阀不可能完全按照调节阀的流量特 性和流通能力来考虑。调节阀是整个控制回路中的一个环 节，是在闭环条件下工作的。

5    结束语
     随着氨合成装置生产工艺流程及自动化控制的要求越 来越高，会对测量及控制仪表提出更新、更高和更多的要 求。应该根据实际情况权衡利弊分类讨论做出选择，不要 盲目地根据经验做出判断。
质量**的自控仪表必有标准可遵循。标准是根据大 量实验数据、实用经验归纳总结的宝贵经验。测量及控制 仪表的选用是一项系统工程，对于某一具体的应用场所可 以采用的仪表可能有几种方案，应根据实际工作情况量体 裁衣，选择性能佳的测量仪表。
选型不仅局限于标准化的仪表选型，思维应具有创新 性，如目前非标准化的多孔平衡流量计在很多方面具有其 他流量计不具备的优点，同样在选型过程中值得商榷。

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