淺談 35 萬噸/年煤液化油渣萃取生產裝置自動化儀表的設計及選型
發布時間：2019-04-12 發布作者：
【摘 要】35 萬噸/年煤液化油渣萃取生產裝置，以煤直接液化油渣為原料，通過萃取分離工藝生產高附加值的三種煤液化瀝青產品。自動化儀表在煤液化油渣萃取生產裝置中有著至關重要的地位，關系到整個裝置能否長期、穩定的運行。根據煤液化油渣萃取生產裝置的工藝特點，對整個裝置自動化儀表選型進行了總結，并對關鍵儀表選型進行了梳理和介紹。
生產工藝流程簡介
35 萬噸/年煤液化油渣萃取生產裝置，利用煤焦油洗油與煤直接液化油渣中的瀝青相似相溶的特性，利用洗油對油渣中的瀝青質進行萃取操作。
本裝置選擇洗油作為萃取溶劑，將油渣與溶劑在一定溫度下混合，瀝青溶解在溶劑中，隨后采用固液分離設備分級分離，得到固含量不同的分離液，萃取分離清液中的瀝青與溶劑的沸程相差較大，采用減壓閃蒸實現溶劑回收，得到灰分含量不同的煤液化瀝青，瀝青經冷卻成型。
工藝流程主要包括萃取離心單元、沉降單元、溶劑閃蒸單元（包含初級瀝青、中級瀝青、高級瀝青三個閃蒸工段）、瀝青成型單元、噴霧干燥單元、粉料成型單元和公用工程單元等七個單元，以及油氣、尾氣處理系統。
2 自動化儀表設計及選型
2.1 溫度儀表
溫度測量均采用普通的 K 型熱偶（測量范圍在 500℃以上）或 PT100 熱電阻（測量范圍在 500℃以下）來測量。
（1）熱電阻
依照 IEC 60751 ,選用 RTD 熱電阻溫度檢測器，分度號選 PT100，使用三線制連接方式，連接電纜應選用對絞屏蔽電纜。
（2）熱電偶
依照 IEC 60584，選用熱電偶測溫元件，分度號選 K 或 S，經現場
溫度變送器轉成4-20mA 標準信號后，連接電纜應選用對絞屏蔽電纜。
就地溫度測量采用
雙金屬溫度計。溫度計應配套溫度計套管，它們之間的連接為½ "NPT。溫度計指示盤的公稱直徑一般為 100 mm。
（4）溫度計套管
一般溫度計套管通常采用錐形整體鉆孔，其材料較低為 316SS。其它材質可根據工藝條件的要求選用。按照 ANSI B16.5，過程連接通常為 1½ "法蘭。其插入深度應在詳細設計時根據管道或設備的尺寸、連接或安裝形式來確定。對介質中含有顆粒的，溫度計保護套管應進行對其硬化處理：噴涂碳化鎢或堆焊斯太萊硬質合金，防止磨蝕。
2.2 測壓儀表
（1）就地壓力表
對于微壓、負壓的測量，選用膜盒式微壓計或
差壓變送器。
用于微小壓力（500Pa）以下時，選用微差壓變送器；對于粘稠、易結晶及腐蝕性介質，選用法蘭式壓力變送器。
壓力變送器與過程連接采用 1/2”NPT 錐管螺紋，法蘭式變送器采用制造廠家標準。
2.3 液位儀表
液體液位測量通常使用差壓變送器。易結晶、堵塞的場合盡量采用遠傳隔膜式差壓變送器。其他液位測量儀表，如電容導納式，音叉式、雷達式、超聲波式等，可以根據工藝條件和實際環境考慮使用。
在工藝條件允許的地方，
磁性液位計可以用作現場液位儀表，一般由設備配套提供，不在儀表設計范圍內。
2.3.1 離心干相攪拌罐及干燥塔料位的測量
離心干相攪拌罐帶導熱油夾套伴熱，為介質高溫粘稠、易結晶、含有固體顆粒：離心干相干燥塔底介質高溫固渣高；上述工況惡劣，如采用雷達式、超聲波式、差壓式等液位計，無法正常測量使用。
離心干相攪拌罐及離心干相干燥塔料位選用γ放射性儀表，射源要活度必須取得輻射安全許可證。
2. 3.1.1 γ 射線液位計的測量原理
γ 射線液位計是利用 γ 射線能夠穿透物質，并在物質中減弱的特征，對物位進行檢測，是利用物料對γ射線的阻擋作用進行物位測量的儀表。除了 γ 射線料位計，還有中子物位計等用其他類型的射線進行物位測量的儀表，都屬于同位素物位計。
γ 射線料位計特別適應于高溫、高壓、高腐蝕、高粘度等惡劣條件下料位的測量，被測物質可以為粉末或顆粒固體，也可以為液體。γ 射線料位計原理與中子物位計不一樣，一般只用于兩相界面的情況，而不適用于多界面測量情況。
由于其非接觸特性，故而可適應的料倉壓力、物料溫度值、粉塵狀況、粘度、腐蝕性等極端參數都很高，對溫度、壓力、粉塵、粘度、腐蝕的適應性可謂物位儀表中之較。
2. 3.1.2 γ 射線料位計的組成
(1)放射源及其源容器
放射源一般選用銫-137(Cs)，銫-137 半衰期 30.2 年。放射源外形很小，一般用的放射源經過 氬弧 焊多層 密封 后，尺 寸大 小為Φ10×10mm 左右，或 Φ8×10mm、Φ10×12mm。但為了對射線進行防護，使其通過一個狹小扇區穿過設備，需將放射源放入鉛容器中，鉛容器一般為幾十公斤甚至幾百公斤重。不同廠家的鉛容器，尺寸、形狀、對接法蘭等規格會有不同，鉛容器帶有鎖閉裝置，不用放射源時可以關閉。
對某個特定的被測條件，放射源的選擇需要經過周密計算，才能確定具體類型和活度。計算放射源時，放射源和探測器的安裝位置、射線出射方向、射線扇區大小、被測物料量程、料倉壁厚及材質、料倉內部物料、料倉內部壓力及氣相等都是需要考慮的重要參數。
(2)探測器
探測器也稱探頭、接收器，主要用于探測射線，并將射線產生的光信號轉化為電信號。主流探測器內部主要元器件為:閃爍晶體、光電倍增管、前置電路。射線照射到閃爍晶體上，會產生光子，光子與光電倍增管表面涂的光感材料(稱為光陰級)撞擊，光子的能量被光陰級材料中的電子吸收，電子獲得能量，離開光陰級材料 。光電倍增管將光陰極接受到的電子進行倍增后，輸出給前置電路部分進行整形、濾波、運算等處理。
(3)轉換器
轉換器的功能是將探測器輸出的電信號轉換為標準電流信號并輸出給 DCS。轉換器一般置于非防爆的機柜間，轉換器上帶顯示表。當前很多較為先進的儀表會將探測器和轉換器整合為一體，統稱為探測器。這樣，γ射線料位計就包括 2 個主要部分:放射源、探測器。
2. 3.2 瀝青減壓塔等液位的測量
由于所測介質均粘稠且含有固體顆粒，且真閃部分為負壓，要求儀表具有防堵塞、耐腐蝕、耐高溫以及防止負壓損壞等性能。液位測量儀表采用遠傳隔膜式差壓變送器。為防止堵塞，取壓管要求加粗，不小于DN50。若配置連通管，連通管與設備的連接尺寸為 DN80。液相導壓管向設備或管道一側有一定的傾角，并增加沖洗油。
2. 3.3 沉降罐等液位的測量
沉降罐的介質粘稠、含有固體顆粒，液位計選用 高頻 雷達， 且頻 率必須 大于 等于140GHz,即使掛料，在 140GHz 頻率下，信號不受影響。
2.4 流量儀表
一般采用差壓式流量測量儀表，節流元件有孔板、文丘里或噴嘴、楔形節流件等。對于瀝青等粘稠、固體顆粒沖刷的場合，選用楔形流量計。潔凈氣體、蒸汽和液體的大中流量選用渦街流量計，管子震動和泵出口，不宜選用該流量計。對于管道尺寸小于 2"的較小流量測量，就地測量選用金屬管轉子流量計。其他形式的流量測量儀表可以根據工藝參數、精度和量程等因素綜合考慮。
裝置中瀝青流量的測量：由于流動的瀝青油渣含有固體顆粒，對于節流元件的沖蝕比較嚴重，要求楔形流量計的節流件、法蘭、取壓法蘭及取壓短管均需要滿足固體顆粒耐沖刷的標準，楔塊及楔形流量計管道整體均采用硬化處理，并采用保溫夾套處理。楔塊為實心結構，流量計采用特殊碳化鎢噴涂技術，流量計接液部分（楔形流量計管道內表面）整體噴涂碳化鎢。楔塊采用完全實心結構，并與流量計本體采用焊接連接，以確保楔塊與流量計本體連接可靠，堅實耐用。楔塊底部采用平面設計并無尖角，以保證在長期磨損、腐蝕的情況下，仍能保證楔比（H/D）不變，滿足精度長期穩定運行。
2.5 氣動控制閥
基本原則：本工藝包所涉及的氣動控制閥包括氣動兩位式切斷閥和氣動調節閥。兩位式切斷閥主要用于本裝置的安全聯鎖系統和鎖斗程控系統。
控制閥的壓力等級及材質不能低于與之連接的工藝管道，應根據介質特點和控制要求選型。除考慮腐蝕、磨蝕裕度、防火要求等外，還應考慮調節閥(除緊急泄壓和短時放空蒸汽外)的噪音不能超過 85 dB。
在選擇控制閥類型時應考慮操作及設計條件、所要處理的流體、所需可調范圍、允許泄漏量、噪聲等因素以及其它特殊要求。按不同需要一般選用氣動薄膜單、雙座，套筒調節閥或蝶閥，瀝青、洗油等含有固體顆粒，粘度大的介質流量選用偏心旋轉閥，調節閥的成套應包括閥門定位器、減壓閥，選用智能電/氣閥門定位器。
開關切斷閥將選用帶限位開關和電磁閥的氣動切斷球閥，電磁閥原則上采用 24V DC低功耗型（≤4W）。
2.5.1 瀝青油渣開關切斷閥
對于瀝青油渣含有固體顆粒的開關切斷閥，閥座及閥門流道采用硬化處理，并要求帶保溫夾套。要求處理后表面洛氏硬度 HRC≥65，采用碳化鎢噴涂硬化。
閥門基本要求為：
雙向硬密封球閥，密封等級不低于 V 級閥球、閥座堆焊硬質合金閥門動作時間＜5 秒
執行機構：由于介質粘度較大，要快速地開關，要求氣缸有足夠大的功率。
常減壓塔進料閥
常壓和減壓塔進料介質為固液兩相。沖刷、磨蝕較大，容易沉積堵塞，減壓過程還存在閃蒸、氣蝕問題。應根據該特點選用角型減壓閥。減壓閥應采用角閥，并考慮閃蒸需要和氣蝕問題。入口原則上不縮徑，出口尺寸比進口尺寸大。閥體結構采用文丘里掃流型角閥。該類型閥門為流閉型，介質流向為側進底出，具有一定的自潔功能。閥座及閥門流道采用硬化處理。要求處理后表面洛氏硬度 HRC≥65，建議采用碳化鎢噴涂硬化。
2.5.3 鎖斗系統閥門
鎖斗系統負責離心干相干燥塔的定期排灰渣，一般 20 分鐘到 30 分鐘排灰渣一次。主要設備是鎖渣罐（鎖斗）。主要閥門有鎖斗進口閥、出口閥、充壓閥、抽真空閥等，基本步驟為：抽真空－進料－充壓－卸料，由 DCS程控完成周期性循環過程。干燥塔灰渣溫度高、成分復雜，含有大量灰渣顆粒，沖刷磨損大，加之閥門動作頻繁，充壓、泄壓過程閥門要承受一定的壓差，這就給程控閥的安全、長周期運行帶來很大困難。基于以上原因，鎖渣閥需要一些特殊的設計。此處對鎖斗較重要的三個閥：鎖斗進口閥、鎖斗出口閥進行說明。
執行機構：選雙作用氣缸或彈簧返回式氣缸，氣動執行機構的 扭力矩大小，必須能在閥門較大壓差的扭力矩 2 倍以上工作，保證能可靠操作。動作形式：兩位式開關，故障位置：FC,動作時間：行程時間小于 10 秒。若配置雙作用氣缸則應配置可供閥門開關兩次的儲氣罐。如果彈簧返回式氣缸容量過大，根據需要也要考慮在本地配置儲氣罐，避免閥門動作造成系統空氣壓力的波動。閥門結構及材質：采用全通徑球閥，閥體材質 WCB、閥芯、閥座 316 堆焊硬質合金，閥座為有補償彈簧的彈性閥座，動態密封，采用自潔式結構。
3 結束語
在對 35 萬噸/年煤液化油渣萃取生產裝置進行儀表設計和選型時，要充分考慮到各種復雜、惡劣的工況， 保證壓力、溫度、液位、流量和控制閥等儀表選型滿足工藝要求。本文中的儀表設計及選型設置方案已成功運用在了某大型公司的 35 萬噸/年煤液化油渣萃取生 產裝置中
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