氨合成装置仪表设计选型探讨

    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：

    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第一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，采用国际先进的瑞士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。

    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，最多可达18支，每支内的热电偶点数有单点、2点，最多可达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。

图1 1（A、B、C、D）——导热块 2——抱箍钢带

    2 流量仪表

    2.1 多孔平衡流量计

    多孔平衡流量计（多孔孔板）巧妙的设计在于将多孔整流器和测量孔板合二为一，能最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极致。如图2所示。

图2 多孔平衡流量计示意图

    多孔平衡流量计具有测量精度高、重复性和长期稳定性好、量程比宽、永久压损低、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（即最大流量与最小流量的比值）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。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。

    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永久压力损失尽量小，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。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：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

表2 填充油的物理特性数据

    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）、SylthermXLT、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，广泛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最多只能工作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PN420（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、第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。

    质量优秀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，选择性能最佳的测量仪表。

    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。