1 引言

隨著世界石油資源不斷減少，煤化工有著更加廣闊的前景，而煤氣化在煤化工中占有重要地位，用于生產(chǎn)各種氣體燃料，是潔凈的能源。煤化工行業(yè)的生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，應(yīng)用于生產(chǎn)加工的機械設(shè)備也都是非常龐大、設(shè)備結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，加之整個加工生產(chǎn)過程的產(chǎn)線長、工藝多、規(guī)模大，所以一旦機械設(shè)備出現(xiàn)故障，進行檢修和維護是非常困難的，同時提升生產(chǎn)的效率。煤化工儀表設(shè)計和選型就會顯得尤為重要，特別是苛刻工況儀表的設(shè)計和選型對生產(chǎn)平穩(wěn)運行更加重要，由于煤化工企業(yè),能不能選擇合適的儀表設(shè)計與合適選型,關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)與安全,所以應(yīng)當(dāng)詳細(xì)了解煤化工儀表的工作原理,保證儀表設(shè)計和選型的準(zhǔn)確性。

 

2 煤化工溫度儀表的設(shè)計和選型

煤化工苛刻工況的儀表有氣化爐高溫?zé)犭娕己蜌饣癄t表面溫度儀表，在對煤化工苛刻溫度儀表的設(shè)計和選型就非常重要。 

 

2.1 氣化爐高溫?zé)犭娕嫉脑O(shè)計和選型

氣化爐內(nèi)高溫?zé)犭娕疾捎?a target="_blank">B分度的雙鉑銠熱電偶測量，它不僅要承受約1300～1500℃的高溫，而且要耐受煤融渣的沖刷，它的主要易損部件是溫度計套管，據(jù)同類廠的使用實踐，與國產(chǎn)特制金屬陶瓷和剛玉溫度計套管相比，國產(chǎn)套管使用效果不比進口的差，所以爐內(nèi)高溫?zé)犭娕伎捎脟�產(chǎn)產(chǎn)品，采用雙套管結(jié)構(gòu)。法蘭和金屬結(jié)構(gòu)由國內(nèi)廠商制造。

 

造氣爐高溫?zé)崤歼x擇測溫元件要求選擇B分度熱電偶；保護套管選擇碳化硅、二硅化鉬等材質(zhì)，同時內(nèi)襯剛玉；熱電偶的安裝方式采取DN100/DN50雙法蘭組安裝方式；同時保證熱電偶插深在一定范圍內(nèi)可調(diào)；并且?guī)в衅鸨Ｗo作用的高溫高壓密封阻漏結(jié)構(gòu)[2]。 2.2 氣化爐表面熱電偶的設(shè)計和選型氣化爐表面熱電偶要求實時測量氣化爐表面溫度并給予報警。同時要求爐表面溫度反映了爐內(nèi)耐火磚減薄的程度，可預(yù)先確定更換耐火磚的時間。為了使3600全面覆蓋氣化爐表面。每套系統(tǒng)包含多支表面熱電偶，信號采集系統(tǒng)采用德國圖爾克公司遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)，表面熱電偶輸出的K型mv信號通過冗余的MODBUS總線送至DCS 系統(tǒng)，對氣化爐的各溫區(qū)溫度進行實時監(jiān)測，可在0～600℃之間自行設(shè)定報警值。 

 

2.2.1 氣化爐表面熱電偶工作原理

表面熱電偶的原理是基于熱電效應(yīng)，正負(fù)極偶絲對絞平行，偶絲之間均勻地填充了負(fù)溫度系數(shù)材料(NTC材 料)，負(fù)溫度系數(shù)材料(NTC材料)在常溫時呈高阻，阻值為兆歐級以上，隨著溫度的上升，阻值迅速降低。當(dāng)在表面熱電偶鋪設(shè)區(qū)域出現(xiàn)高溫點時，此處 NTC 材料阻值降低，在此點處形成熱電偶的熱接點，此時測得的是高溫點的溫度。因此，表面熱電偶始終測量的是沿線的非常高溫度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

 

2.2.2 氣化爐表面熱電偶的選材說明

表面熱電偶內(nèi)部填充了 NTC 材料，屬單元系材料，主要成份為錳基金屬氧化物，為了保證材料的純度，原料從國外進口，這些錳基氧化物按一定的比例混合，經(jīng)研磨、燒結(jié)后，可在空氣中直接使用，其電阻系數(shù)性能穩(wěn)定，負(fù)溫度系數(shù)大，并在高溫情況下而不發(fā)生任何物理和化學(xué)的變化，性能穩(wěn)定，一致性好。 

 

2.2.3 氣化爐表面熱電偶的安裝方式

氣化爐表面焊有特制M6螺母，表面熱電偶按照設(shè)計圖敷設(shè)在爐表面，并用壓板和加固夾具固定，熱電偶兩端都有陶瓷插座連接件，并通過陶瓷插座連接件接上兩根補償導(dǎo)線，兩根補償導(dǎo)線連至現(xiàn)場接線箱，為冗余配置。每套陶瓷插座連接后安裝保護盒，保護盒固定在接線板上。 

 

3、煤化工流量儀表設(shè)計和選型

煤化工中的水煤漿流量、氧氣流量計、火炬氣放空流量計應(yīng)用的工況比較苛刻，針對這兩種工況給出相應(yīng)的設(shè)計和選型方案。

 

 4.1 水煤漿流量計的設(shè)計和選型

煤化工的水煤漿流量計儀表選型根據(jù)同類廠經(jīng)驗，用電磁流量計效果較好。測量煤漿的電磁流量計均采用低噪音電極，材質(zhì)為哈氏合金HC外襯陶瓷，有良好的抗腐蝕性，嚴(yán)格避免產(chǎn)生電極表面效應(yīng)，并且能承受-0.1MPa的真空工況，保證襯里長期耐用且測量準(zhǔn)確可靠。電磁流量計的設(shè)計和選型具有良好的漿液噪音抑制措施，避免固體顆粒擦過電極表面，電極表面接觸化學(xué)電勢突然變化，輸出流量信號出現(xiàn)尖峰脈沖狀噪聲，確保系統(tǒng)的強效穩(wěn)定性和響應(yīng)的高速性[2]。 

 

4.2 氧氣流量計的設(shè)計和選型

氧氣流量計盡量選擇流速變化小，對流向改變小，撞擊不嚴(yán)重的測量方式，如文丘里管；以某氣化工況為例，進氣化爐前氧氣流量測量，流體溫度40℃，操作壓力8.6MPa，流量 13900Nm3/h，管道口徑 DN150(139x6)，管道材質(zhì) 304;通過計算氧氣流速為 2.92m/s,P*V=24.93<80MPa.m/s,管道材質(zhì)可選用不銹鋼；文丘里管否可以選用不銹鋼，通過選型計算文丘里管喉部口徑為72mm，而此場合為非撞擊工況(入口與出口縮徑比大于3：1的異徑接頭(偏心和同心)為撞擊工況)可計算出喉部流速為12.6m/s,P*V=108.4>80MPa.m/s，因此文丘里管喉部及擴散段考慮采用鎳基合金材質(zhì)，同時為保持流量計的整體性，建議文丘里管整體使用鎳基合金材質(zhì)[3]。 

 

4.3 火炬氣放空流量計的設(shè)計和選型

火炬氣特點的需要很高的量程比(1:3000)的流量計、流量極其不穩(wěn)定(0-120m/s流速)、介質(zhì)骯臟、氣體組分變化劇烈、氣體壓力極低、參考SH3009,API521相關(guān)規(guī)范，火炬系統(tǒng)必須在非常大排放量下，滿足上游事故裝置安全、連續(xù)排放要求；非常大排放量按照裝置火災(zāi)、公用工程中斷(停水停電等)、設(shè)備事故等工況排放量分析來確定；流量計要滿足 GB31570-2015 石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)。根據(jù)以上工況一般選擇超聲波流量計，超聲波流量計 可以滿足需要很高的量程比；測量出極其不穩(wěn)定、介質(zhì)骯臟、氣體組分變化劇烈、氣體壓力極低的流量；超聲波流量計可根據(jù)聲速計算質(zhì)量流量；超聲波流量計探頭拆裝無需停產(chǎn)等特點。 

 

5 液位儀表的設(shè)計和選型

煤化工中的激冷室液位計工況比較苛刻，激冷室的工況特點是高溫、高壓、防氫、防真空、防腐蝕、帶沖洗、安全聯(lián)鎖。所以激冷室液位變送器一般選擇雙法蘭液位變送器，變送器的膜片要求316L鍍金，全焊接，硅油選擇，具 有SIL認(rèn)證的雙法蘭液位計。同時氣化爐液位在系統(tǒng)升壓后，采用工藝包提供的修正公式，把泡沫層等中間層液位一起計算進來，使用良好。計算差壓考慮蒸汽密度；防氫脆、防真空處理；密封膜片316L加厚鍍金；316L膜片、加厚316L膜片、金剛膜片、316L+鍍金膜片、加厚316L+鍍金膜片；防負(fù)壓，小于-40KPa時建議選用全焊接式[4]。激冷室液位變送器：開車前，氣化抽負(fù)時，打開變送器沖洗口，使膜片對大氣；需要SIL2認(rèn)證，不能只提供形式認(rèn)證，從代碼上體現(xiàn)；在氣化爐設(shè)計之初，取消旁通管，縮短取壓距離，降低堵塞出現(xiàn)的概率，沖洗效果更好；毛細(xì)管到法蘭的連接處、膜頭到毛細(xì)管連接處全部進行焊接[5]。 

 

6 分析儀表的設(shè)計和選型

在煤化工中氣化爐各自的洗滌塔出口設(shè)置了在線分析儀表，用于合成氣中H2、CO、CO2、CH4、O2、H2S等的實時分析檢測，計算其體積百分比，用于指導(dǎo)氣化爐操作，并估計氣化爐內(nèi)的溫度。它們的成分是水煤漿氣化工藝先進控制系統(tǒng)(APC)的主要參數(shù)，是氣化爐運行好壞的重要標(biāo)志，為所有氣化工廠所重視。按測量原理，可采用氣相色譜、紅外加熱導(dǎo)等方法分析。氣相色譜價高，可作全組份分析，可作相關(guān)補償和計算，但多流路多組份分析滯后較大。色譜儀還要設(shè)1臺紅外分析儀在線連續(xù)測量氣化氣中CH4的含量。比較便宜且適用的是用紅外加熱導(dǎo)分析儀，CO、CO2和CH4用三臺紅外分析儀分別測量，H2用一臺熱導(dǎo)分析儀分析。經(jīng)過同類大化肥重油氣化和水煤漿氣化的實踐，證明是切實可行的。氣體分析儀的設(shè)計和選型中，共同的問題是采樣樣品的預(yù)處理裝置的選擇和使用，應(yīng)采用國產(chǎn)具有豐富實踐經(jīng)驗廠商的樣品預(yù)處理系統(tǒng)產(chǎn)品。

 

同時針對煤化工分析儀表多的特點可以選擇不同的分析儀表選擇方案，以某煤氣化裝置中采用8臺氣化爐為例，為了更好的檢測氣化爐合成氣的各組分含量，在8臺氣化爐各自的洗滌塔出口設(shè)置了在線分析儀表，用于合成氣中 H2、CO、CO2、CH4、O2、H2S 等的實時分析檢測。采用兩種方案進行對比。

 

方案一紅外分析儀方案：采用4個分析小屋、16臺紅外分析儀、8 臺熱導(dǎo)氫分析儀和 8 臺氧分析儀。僅分析CO、CO2、H2、CH4和O2。

 

方案二質(zhì)譜儀方案：采用2個分析小屋、兩臺質(zhì)譜儀(冗余配置，更安全可靠)。實現(xiàn)每臺質(zhì)譜儀不僅完成CO，CO2，H2、CH4和 O2的實時監(jiān)測分析，也可實現(xiàn)全組份分析，完成包括N2、H2S、Ar、COS等組份的測量。 

 

7 結(jié)束語

隨著煤化工的不斷發(fā)展進步，特別是對煤化工儀表要求也越來越高，這就要求必須熟悉掌握煤化工儀表使用的工況特點，要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來選擇更加合適、更加安全的煤化工儀表設(shè)備，從煤化工苛刻的工況可以看出，要從根本上選擇好適合安全生產(chǎn)的煤化工儀表設(shè)備，要知道工藝工況，了解儀表各種原理、熟悉國家各類儀表的規(guī)范要求、同時要參考同類裝置的儀表使用情況，這樣才能選擇好煤化工苛刻工況的儀表，才能保證煤化工生產(chǎn)更加安全可靠[6]。