新型現場儀表在化工裝置關鍵工況中的應用

2014-04-09 何謙 瀘天化股份公司總工辦

1、引言

  在現代生產過程中,自動化就是通過過程檢測儀表獲取、轉換、顯示、傳送各類信息(物料的溫度、壓力、流量、組分,靜止設備的物位、界面,轉動設備振動的振幅、速度、加速度、轉速、位移等),再經過程控制系統(tǒng)(DCS、ITCC等)處理后發(fā)出指令,控制調節(jié)閥等。生產過程自動化的目的就是使工藝參數保持在需要的數值上,設備處于最佳工作狀態(tài)。就過程檢測儀表和調節(jié)閥而言,它們好比人的“五官”和“四肢”。如果對控制參數不能有效準確的檢測和調節(jié),控制就成為無源之水、無本之木。

  進入21世紀以來,以雷達液位計和迷宮閥為代表的新型過程檢測儀表和調節(jié)閥技術發(fā)展日趨成熟,應用愈加廣泛,尤其是在化工裝置上應對和解決各種復雜、惡劣、關鍵的工況中,取得了顯著的效果。

2、雷達液位計

2.1、測量原理

  如圖1所示,以纜式導波雷達液位計為例,其測量原理是基于時間行程,即儀表測量從參考點(儀表過程連接處)到液位表面的距離:探頭發(fā)出高頻雷達波并沿纜繩傳播,當雷達波遇到液位表面時反射回來被儀表內的接收器接收,由于信號頻率在改變,回波與信號發(fā)射瞬間相比,其頻率稍有不同。該頻率差正比于至液面的距離,并且可精確地計算,由此測得液位高度值。

圖1 雷達液位計測量原理示意圖

2.2、結構特點

  1)與介質密度、溫度、壓力等因素無關,測量精度高且應用廣泛;

  2)無移動部件,可靠性高且可實現免維護;

  3)根據設備要求可以選擇多種安裝方式,靈活適應性強;

  4)可采用液晶表頭、手持智能終端、以及電腦軟件等多種方式進行參數組態(tài),調試方便;

  5)采用專用軟件可以完成對儀表的組態(tài)、數據保護、信號分析、文件處理等功能,分析診斷功能強大;

  6)電子部件均集成在顯示表頭,可以在線拆卸、互換,維修方便。

2.3、應用案例

  在化工生產裝置中,主要應用于4種典型工況。

2.3.1、液氨儲罐

2.3.1.1、工況概況

  實際案例為合成氨裝置液氨儲罐120-F,高約23m,內徑約21m的立式圓柱儲罐,設計容量為5000m3的液氨,設計溫度為-33.3℃,設計表壓為0.07MPa(氣相層)。

  該氨罐過去采用鋼帶式液位計進行就地顯示(后因磨損嚴重、故障頻繁、修復費用高,現已停用),并采用差壓變送器和外測式液位計將液位測量信號引入DCS進行顯示、后增設雷達液位計,其信號引入DCS顯示,同時引入ESD,與差壓變送器測量信號構成2oo2的邏輯表決進行液位高低聯鎖保護。

2.3.1.2、選型和安裝

  采用E+H公司的纜式智能HART導波雷達液位計(FMP40型),過程接口法蘭為DN40,壓力等級為PN40,材質為316L,纜繩長23.5m,直徑6mm,材質為316,配分離型顯示表(安裝在儲罐地面上,電纜長約30m),測量范圍為20m。

  該雷達液位計安裝在氨罐頂部,纜繩頂端安裝一DN150×2m的短管,并用對中環(huán)進行限位約束,底端探頭采用螺栓固定在罐體內底部并接地。

2.3.1.3、使用效果

  該雷達液位計于2006年3月份系統(tǒng)大修期間氨罐清洗時安裝并投用,其測量信號引入DCS進行顯示和報警,同時還引入ESD進行聯鎖保護,使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準確,2011年顯示表頭故障而更換過,基本屬于免維護狀態(tài)。

2.3.2、鍋爐汽包

2.3.2.1、工況概況

  實際案例為快鍋裝置鍋爐汽包,設計溫度為370℃,設計表壓為3.85MPa(氣相層)。

  該汽包過去采用電極式液位開關、浮子開關和差壓變送器進行測量、報警和聯鎖,后取消電極式液位開關,增設桿式導波雷達液位計,采用2oo3邏輯表決方式進行液位低低聯鎖保護。

2.3.2.2、選型和安裝

  采用Rosemount公司的智能HART桿式導波雷達液位計(3301HTHP型),過程接口法蘭為DN50,壓力等級為ANSI600#,材質為316,導波桿長800mm,直徑6mm,材質316,測量范圍為500mm。該高溫高壓型雷達液位計的溫度-壓力曲線關系如圖2所示。

  該雷達液位計安裝在旁通測量筒內,在導波桿尾端用對中環(huán)進行限位約束。

圖2 Rosemount3301系列HTHP型溫度-壓力曲線圖

2.3.2.3、使用效果

  該雷達液位計于2007年6月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用,使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準確,未曾檢修。

2.3.3、真空罐體

2.3.3.1、工況概況

  實際案例為尿素裝置CO2壓縮機表面冷凝器905-C,設計溫度為48℃,設計表壓為-85kPa(氣相層)。

  該氨罐過去采用氣動浮筒式液位計進行測量,由于不能在高真空工況下正常使用,后將其改為雷達液位計,測量信號引入DCS進行顯示、報警和聯鎖。

2.3.3.2、選型和安裝

  采用E+H公司的智能HART纜式導波雷達液位計(FMP40型),過程法蘭接口為DN50,壓力等級為ANSI150#,材質為316,導波桿長560mm,直徑6mm,材質316,測量范圍為550mm。

  該雷達液位計安裝在直徑為2″的旁通測量筒內,過程接口為1-1/2″,在導波桿尾端用對中環(huán)進行限位約束。

2.3.3.3、使用效果

  該雷達液位計于2008年8月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用,使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準確,未曾檢修。

2.3.4、結晶介質

2.3.4.1、工況概況

  實際案例為尿素裝置S403/404液位測量,介質為尿液,設計溫度為168℃,設計表壓為1.85MPa(氣相層)。

  該氨罐過去采用雙法蘭液位變送器進行測量,由于結晶嚴重、測量不準,后改為桿式導波雷達液位計。

2.3.4.2、選型和安裝

  采用E+H公司的智能HART桿式導波雷達液位計(FMP41C型),過程法蘭接口為DN50,壓力等級為ANSI300#,材質為316L,導波桿長1550mm,直徑6mm,材質316L,測量范圍為1300mm。

  該雷達液位計安裝直徑為3″的旁通測量筒內(夾套式蒸汽伴熱保溫),過程接口為1-1/2″,在導波桿尾端用對中環(huán)進行限位約束。

2.3.4.3、使用效果

  該雷達液位計于2009年5月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用,2011年因導波桿與顯示表頭密封問題,出現介質滲漏,導致同軸接頭絕緣下降和電子部件腐蝕,后對密封整改后運行正常,使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準確,基本屬于免維護狀態(tài)。

3、迷宮閥

  在化工裝置中,具有很多高壓差、高流速等嚴峻工況,存在氣蝕、閃蒸等因素對調節(jié)閥產生巨大破壞,采用如迷宮閥這類的多級降壓閥內件結構調節(jié)閥,可以有效地解決此類問題,并可獲得較大經濟效益。

3.1、結構特點

  針對降低壓差和流速兩大關鍵因素,迷宮閥的盤片內件結構原理如圖3所示。其特點有:

  1)采用若干片具有迷宮流道的碟片堆疊而成,每塊碟片上的迷宮流道加工成多級直角彎,逐級分解高壓差,無論閥門開度多少,都能使流體通過每個通道的流速均限制在30m/s以下;

  2)其入口到出口呈由小變大設計,有效避免介質顆粒雜質進入流道而發(fā)生堵塞;

  3)迷宮盤片一交替式層疊,下層盤片出口流體把上層向下流動介質速度相互降低;

  4)每一盤片內圓周出口處都有堰,使四周壓力平均,下層盤片出口流體不會直接沖擊在閥座上。

a)疊層迷宮盤片

b)迷宮流道

圖3 迷宮盤片結構

3.2、應用案例

  自2002年以來,公司陸續(xù)使用了大批迷宮閥應用于各種惡劣工況,取得了良好的效果和經濟效益,下面例舉放空工況和氣蝕工況典型案例進行闡述。

3.2.1、放空工況

3.2.1.1、工況概況

  實際案例為合成裝置106-D入口工藝氣放空閥PICV-5,管道尺寸為12″,介質為工藝氣,設計溫度為318℃,閥前設計表壓為2.5MPa,閥后表壓為0.2MPa,最大流量為120t/h。

  該放空閥過去采用氣動薄膜直通單座閥,由于泄漏量大、閥內件磨損嚴重,后改為迷宮閥。

3.2.1.2、選型

  采用CCI公司的雙作用氣缸直通單座迷宮閥(100D型),公稱通徑為10″,壓力等級為ANSI300#,迷宮碟片采用410SS材質,泄漏等級為MSS-SP-61(零泄漏)。

3.2.1.3、使用效果

  該迷宮閥于2002年12月份系統(tǒng)大修期間調試后,進行了泄漏試驗,達到零泄漏標準,安裝投用后,又進行了現場閥前后溫度差的測量,完全滿足要求。在以后的每次大修期間,均進行了泄漏試驗,都達到零泄漏標準,使用至今未進行過閥內件的檢修。

  該迷宮閥調節(jié)精度高、動作靈敏、泄漏量極低。據考核統(tǒng)計,該閥較以前節(jié)省的合成氣損失每年約430萬方,增加經濟效益約250萬元,不到一年就可收回采購成本。

3.2.2、氣蝕工況

3.2.2.1、工況概況

  實際案例為合成氨裝置1101-E液位調節(jié)閥LV-91C,管道尺寸為18″,介質為AMDEA溶液,設計溫度為85.4℃,閥前設計表壓為2.75MPa,閥后表壓為0.97MPa,最大流量為976t/h。

  該放空閥過去采用氣動薄膜直通雙座閥,由于該工況存在典型的氣蝕破壞,閥內件沖刷嚴重,泄漏量大、故障率高,無法滿足工藝要求,后改為迷宮閥。

3.2.2.2、選型

  采用CCI公司的雙作用氣缸直通單座迷宮閥(100D型),公稱通徑為8″,壓力等級為ANSI300#,迷宮碟片采用316SS表面硬化處理材質,泄漏等級為CLASSIV。

3.2.2.3、使用效果

  該迷宮閥于2006年3月份系統(tǒng)大修期間調試安裝投用,在以后的每次大修期均進行了檢查,都達到IV級泄漏標準,使用至今閥內件完好,未進行過檢修。

4、結束語

  有了雷達液位計和迷宮閥這類新型現場儀表,還須在選型、安裝、調試等諸多方面入手,才能使其充分發(fā)揮作用,最終達到滿意的效果。下面就這兩類新型現場儀表在實際應用中的注意事項分別作一總結。

4.1、雷達液位計

4.1.1、選型

  根據介質理化特點選擇不同類型的天線型式,如接觸式還是非接觸式,是否采用高溫高壓式,導波傳輸采用纜式、單桿式、雙桿式,還是同軸式。例如:對于汽包鍋爐液位測量,推薦選擇同軸式,以克服汽包氣相層的飽和蒸汽對測量的影響。

4.1.2、安裝

  根據設備的特點采取不同的安裝方式,如直接在設備上開孔安裝,還是采用旁通測量筒安裝,對于直接安裝在設備內,要注意避開影響雷達波反射傳輸的攪拌器、容器壁等;對于旁通測量筒安裝,要考慮是否伴熱,以及加裝對中環(huán)等措施。

4.1.3、調試

  調試過程中要注意上下盲區(qū)的設置、容器形狀的選擇,是否接地,以及空罐時的響應曲線的匹配操作,推薦在筆記本電腦上采用專用軟件進行調試,直觀明了且能獲取信號波形圖。

4.1.4、故障處理

  由于雷達液位計只有表頭是電子部件,因此一般故障都出在此處,確診其故障后,用同型號的表頭直接在線更換即可。此外,還應注意連接導波桿的同軸接口,其絕緣一定要合格。

4.2、迷宮閥

4.2.1、選型

  提供給制造商進行計算選型前,一定要確保工藝條件和參數的完整性和正確性,因為選擇迷宮閥都是具有高壓差、高流速、密封等級高等惡劣而苛刻的工況場合,伴隨而來的一般都有阻塞流現象。

4.2.2、調試

  在安裝前一定要進行泄漏試驗,合格后方能進行管道安裝,若泄漏試驗不合格,除了重新調校外,還要注意檢查閥桿閥芯是否偏心,比如PIC-5就是因為運輸過程中發(fā)生了偏心,松動上閥蓋后重新自然對中安裝,泄漏試驗便合格。

4.2.3、安裝

  雖然迷宮閥碟片的迷宮流道在設計時考慮了防堵問題,但是在實際應用中仍要做好防范措施,首先是盡可能在上游管道加裝機械過濾器,其次若有旁路閥的情況下應使迷宮閥安裝在旁路閥的上方,最后在安裝上管道之前應對管道進行吹掃合格。

4.2.4、故障處理

  一般來說,迷宮碟片不容易損壞,出故障一般都是有顆粒雜物堵塞流道,清除時要注意采取反向吹除;此外,若工藝未反映有問題,盡量不要打開閥內件檢查,僅作整閥泄漏試驗即可,否則打開閥內件再重新裝配后,會增加新故障機率。