氟化工生产装置仪表设计选型与应用

 摘 要: 为了提高氟化工装置仪表的安全性,降低企业生产的成本,防止和减少因仪表选型不当造成的安全事故的发生,结合作者多年氟化工装置设计经验,概括介绍了氟化工生产装置温度、压力、液位、流量、调节阀以及开关阀等仪表设计选型与应用情况。
0、前言:
  随着中国氟化工产业的发展壮大,新建和改造氟化工装置越来越多,对于自控仪表的设计选型及应用亦显得越来越重要。自控仪表的设计选型对于提高企业的生产效率、确保生产的安全性、提升产品的质量有着重要的作用。
 大部分氟化工装置的工艺介质有不少具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀性、强渗透性等特点,针对氟化工这些介质特点,对自控仪表的检测原件的材质、工艺连接形式以及防爆等级提出了具体要求。
  对于涉及到有重大危险源的、需要设置安全仪表系统紧急停车或者联锁的氟化工装置,测量仪表和执行元件需采用满足安全仪表认证并符合标准的安全仪表,氟化工安全仪表系统定性分析安全完整性等级一般不超过 SIL2 级。
 
1、温度仪表:
1. 1、反应器热电偶:

   HCFC - 22、HFC - 32 等装置的立式氟化反应器温度的控制非常重要,采用多点热电偶,可以测量不同深度的温度,有利于掌握反应器内部反应温度的分布。另外,反应器内温度、压力较高,介质具有腐蚀性,设备内部设置了温度计保护管,保护温度计免受介质腐蚀。
   四氟乙烯生产装置的裂解反应器属于管式反应器,由于反应器结构和材质的原因,只能测量其表面温度,因此采用了表面接触式热电偶。热电偶采用直径为 6 mm 的铠装原件作为测温探头,补偿导线引至热电偶接线盒。在反应器表面,将带有与反应器曲面相吻合的感温片焊接或抱箍在反应器外壁上,热电偶的分度号为 K 型。图 1 为反应器热电偶示意图。
 图 1	反应器热电偶

图 1 反应器热电偶

1. 2、工艺设备及管道温度计:
  工艺设备及管道就地温度计选用双金属温度计,400 ℃ 以下的远传温度计采用 Pt100 热电阻。对于温度不高、有腐蚀性介质的塑料管道或碳钢衬 PTFE 管道上的温度计采用法兰安装,温度计保护管采用不锈钢外包 PTFE 的双金属温度计或装配式热电阻。对温度较高、有腐蚀性介质 ( 例如AHF) 的管道上的温度计采用法兰安装,温度计保护管材质采用 Inconel600。对于普通钢管道上的温度计采用螺纹连接。
 对于塔器设备上的温度计,可要求设备供货商自带温度计套管,采用铠装热电阻。设备自带温度计套管方便温度计的在线检修和维护,也降低了因介质腐蚀严重而造成泄漏的可能性。

2、压力仪表:
  氟化工装置的集中压力仪表形式基本有两类:一类是普通引压管连接的压力( 差压) 变送器,另外一类是带隔膜膜片的压力( 差压) 变送器。
  带有隔离膜片的压力( 差压) 变送器一般用于含有氢氟酸或盐酸等腐蚀性介质的管道或者设备上,隔膜材质一般选用不锈钢喷涂 PTFE,这样对温度不高、有腐蚀性的介质起到防腐作用。
  由于无水氟化氢( AHF) 在一般情况下对普通金属管道的腐蚀性很低,但在 100 ℃ 左右对金属的腐蚀性非常大,理论上这种工况下测量压力膜片材质选用不锈钢喷涂 PTFE 是可行的,而且比较经济,但在实际应用中膜片材质很快就会被腐蚀,效果很差。若膜片采用哈氏合金 C 镀金在实际应用中安全性高,使用效果相对较好,但价格相对较高。
 
3、液位仪表:
  目前,氟化工装置液位仪表一般采用常规的磁翻柱液位计、磁致伸缩液位计、雷达液位计、双法兰液位计以及射频导纳液位计等。
 
3. 1、磁致伸缩液位计:
  磁致伸缩液位计的传感器测量杆外配有一浮子,浮子内部有一组磁环,此浮子可以沿测量杆随液位的变化而上下移动。传感器的电路部分将在波导丝上激励出脉冲电流,该电流沿波导丝传播时会在波导丝的周围产生脉冲电流磁场。当脉冲电流磁场与浮子产生的磁环磁场相遇时,浮子周围的磁场发生改变从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲,这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以地确定浮子所在的位置,即液面的位置。磁致伸缩液位计具有以下优点:

 
1) 精度高,***高可达到 1 mm;
 
2) 可以测量界面;
 
3) 分辨率高,***高可达微米级别;
 
4) 维护量低。
在一些具有腐蚀性介质的塔釜采用了磁翻板液位计内挂磁致伸缩液位计。磁翻板液位计测量管材质采用不锈钢衬 PTFE,磁致伸缩液位计的测量杆及浮球均采用不锈钢衬 PTFE 材质。由于磁致伸缩液位计的可动部件只有浮球一个部分,因此维护量极低,相对比仅用磁翻板液位计更有效。  在一些需要测量界面的贮槽内使用磁致伸缩液位计,同时设置了调节回路,使用效果较好。例如HCFC - 22 生产装置的碱分离器采用磁致伸缩液位计,可有效地测量罐内界面的位置。
 
3. 2、雷达液位计:
 对于雷达液位计的选用,主要应用于含有 AHF的反应器和容器类设备上。出于安全考虑,氟化工装置对贮存 AHF、且大于一定容积的设备一般不允许设备侧面和底部开管口。在这种情况下,设计选用了雷达液位计。雷达液位计无可动部件,并且免受介质密度和温度的变化,而测量精度不受影响。
 另外雷达液位计测量含有 AHF 介质的液位时,也采用测量杆( 缆) 衬 PTFE 的防腐措施,延长了仪表设备使用时间。目前,氟化工装置内的 AHF 贮槽一般属于重点监管的重大危险释放源,因此,雷达液位计纳入了安全仪表系统,安全完整性等级为 SIL2,信号引入安全仪表系统( SIS) 。
 
3. 3 、双法兰液位计:
 在氟化工装置内液位仪表也有很多使用双法兰膜片液位计,主要用在含有强腐蚀性介质和低温的设备上。
 对于含有盐酸、氢氟酸和硫酸等强腐蚀性介质设备上,设置双液位计的场合考虑采用双法兰液位计,液位计膜片材质采用不锈钢喷涂 PTFE。另外,对于具有腐蚀性介质的塔釜远传液位计,也采用双法兰液位计,与塔釜磁翻板液位计进行对比校正。
 对于 AHF 介质,温度在 100 ℃ 左右其对金属的腐蚀性较大。与压力变送器一致,双法兰液位计膜片材质同样采用哈氏合金 C 镀金,可以起到不错的防腐效果。

 
4、流量仪表:
  远传流量仪表以常用的流量仪表为主。转子流量计、电磁流量计和涡街流量计占据了氟化工装置流量仪表的主流。另外还选用了孔板节流装置( 同心) + 差压变送器和质量流量计等。
 
4. 1、转子流量计:
  氟化工装置工艺介质一般具有流量小、量程比大、强腐蚀性等特点,而转子流量计的优良性能恰恰适合氟化工装置对这些方面流量测量的要求。转子流量计适用于小管径、低流速的测量,对上下游的直管段要求低,降低了配管要求,流量范围可宽至 10 ∶ 1,大多数情况能满足工艺介质流量波动的要求。转子流量计对腐蚀性介质也能够做到不锈钢衬 PTFE或者采用塑料的材质,而且相对其他流量计来说,价格不高,经济性能佳。
 
4. 2、电磁流量计:
  电磁流量计主要应用在具有强酸、强碱等腐蚀性导电介质的氟化工装置上。电磁流量计比转子流量计有更宽的量程比,精度更高,可应用于大直径的管道,强酸或强碱介质中也可选用耐腐蚀性的材质。相对涡街流量计来说前后直管段要求低,降低了配管的难度。
  对于循环水总管( 大直径管道) ,采用插入式电磁流量计,安装维护方便,计量精度高,造价相对较低,应用效果比其他类型流量计更好。

4. 3、质量流量计:
  质量流量计具有很高的测量精度,并且测量不受流体物性的影响,无上、下直管段的要求并且可以多参数测量,如温度、密度等,但成本较高。
  在氟化工装置内,质量流量计主要应用于进出装置物料计量,利用质量流量计精度高的特点,方便企业成本核算,满足其计量的需求。
  由于质量流量计具有多参数测量的优点,在含氟污水处理装置中用来测量含有氢氧化钙固体颗粒污水质量流量,同时输出密度参数。
 
5、控制阀:

  根据被测介质的性质( 介质状态、温度、压力和 腐蚀性) 及阀门用途( 调节、两位开关阀) 选用不同类型、材质的调节阀和开关阀。一般设计阀体材质等级不低于管道材质等级,阀内件( 阀芯、阀杆和阀座) 材质选用 SS316; 对于含有腐蚀性介质 ( AHF、 HCl 等) 要求选用波纹管密封阀门。图 2 为控制阀阀盖结构图。
 图 2	控制阀阀盖结构


图 2 控制阀阀盖结构

5. 1、调节阀:
  氟化工装置内的调节阀都选用了气动薄膜调节阀。由于氟化工装置有不少介质属于易燃易爆物,防爆等级要求较高,选用气动阀门大大降低了因电火花可能对装置造成的危害。气动调节阀的设备及使用成本较低,并且可以利用调节阀的故障开关实现部分简单的联锁功能,降低了企业的生产成本。
  氟化工装置中对于普通气动调节阀阀芯一般选用柱塞型,能够很好地实现工艺所要求的参数控制,对于压差较大的气动调节阀,阀芯形式选用了套筒类的调节阀,避免了普通柱塞阀因压差大造成的调节不准确的缺点。
  对于腐蚀性的液体或气体,一般选用不锈钢衬PTFE 的气动阀,对温度较高的腐蚀性气体选用哈氏合金 C 防腐材质,甚至选用 Inconel600 材质,可靠性好,但成本较高。
 
5. 2、开关阀:
 与调节阀一样,在大部分情况下开关阀选用了气动阀门。工艺物料介质选用气动切断球阀,尤其是关键部位的联锁或安全切断部分,对进入 SIS 的开关阀有安全完整性等级的要求。对于公用工程管道上的开关阀,小口径选用开关球阀,大口径( 200 mm 以上) 则选用了气动切断蝶阀。可根据不同工况,选用不同形式的开关阀,既可有效降低企业生产成本,又能满足工艺联锁和安全控制的要求。
  对调节阀和开关阀在选型设计时要特别注意密封填料的性能,不仅看耐温参数,也要看耐腐蚀性能。只有将可能出现的情况考虑周全,才能降低仪表维护频率,为装置长周期运行提供保证,降低企业的维修成本。
 
6、其他:
  由于氟化工装置的特殊性,还需要设置一些用量较少但很重要的其他类型仪表。例如在线水含量分析仪、在线氧含量分析仪、在线氟离子分析仪以及可燃、有毒气体报警仪等仪表 。
  有些工艺介质需要确保较低的水、氧含量,用到水含量、氧含量分析仪。四氟乙烯是特别需要注意的介质,在较低水含量、氧含量的条件下纯四氟乙烯安全性较高,一旦水含量或氧含量超标,四氟乙烯易产生自聚、堵塞设备、剧烈放热,可能引起超压或爆炸,危险性极高,因此四氟乙烯生产装置内设置在线水含量、氧含量分析仪很有必要。
  对于含有易燃、易爆或有毒气体的装置区域,需要设置可燃或有毒气体检测报警器。对提高装置安全性、保证现场人员的人身安全是不可缺少的仪表安全系统。
 
7、结束语:
  氟化工装置自控设计是一项系统工程,它是由多项工作相互协调、相互关联、密切合作完成的。仪表选型是自控设计的基础工作,基础工作做不好将会给整个系统设计留下隐患,并暴露在后续的施工、开车及装置的运行中。仪表选型首先要考虑到测量的准确性、合理性和可靠性,其次考虑用户的适用性、经济性和维护的方便性。

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