余 博

(東華工程科技股份有限公司,合肥 230024)

0 引 言

自熱式轉化爐(ATR)主要用于甲醇裝置和合成氨裝置中合成氣的制取。在焦爐氣制甲醇裝置中采取ATR技術,主要目的為提高工藝氣轉化率,制取更多的合成氣,提高產能。采用純氧自熱式部分氧化轉化制合成氣,與蒸汽轉化法工藝采用轉化爐輻射段間接加熱的結構形式不同,只需采用體積較小的加熱爐和轉化爐,而不需一段轉化爐;反應速度快,利于強化生產,燃料氣消耗低,焦爐氣利用率高。反應所需熱量由CH4和 H2的燃燒提供,出口溫度高,副產蒸汽更多。

由于ATR流程中工藝氣屬于易燃易爆氣體,參與反應的O2又屬于助燃氣體,反應的壓力為2.0～4.0 MPa,轉化爐出口工藝氣溫度在900～1 100℃左右,因此需要較高的安全儀表系統(tǒng)來保障設備的安全運行和人身安全。

1 工藝流程簡述

氧氣經換熱器加熱至100～200℃,再從ATR轉化爐頂部燒嘴進入爐膛;焦爐氣脫硫后經過飽和塔增濕,進入加熱爐,將增濕焦爐氣加熱到400～500℃后,從純氧轉化爐側面進入。在爐膛內焦爐氣與氧氣混合并燃燒,再經催化劑床層反應后生成轉化氣,再進入下游壓縮單元后到甲醇合成塔制取粗甲醇。ATR流程如圖1所示。

2 儀表選型

2.1 溫度測量儀表

該工藝中主要有進/出轉化爐工藝氣溫度、氧氣管線溫度需要測量。進轉化爐工藝氣溫度達400～500℃,可采用 K型熱電偶;出轉化爐工藝氣溫度達900～1 100℃,應采用S型熱電偶;氧氣溫度測量主要在進/出氧氣換熱器管線上,均采用熱電阻Pt100。

圖1 ATR工藝流程

溫度儀表一般考慮采用帶外套管的鎧裝熱電阻或熱電偶,套管材質不低于管道材質。其中與氧氣介質接觸的溫度計套管需考慮耐氧化性的材質,需禁油脫脂處理。對于工藝氣出口的高溫介質,溫度計套管需要考慮抗氧化性較好和耐高溫的材料,可選用鎳基合金等,常用的如Inconel 600等。

在測量純氧轉化爐出口溫度時需注意溫度計套管選材和插入深度,出口管道內工藝氣溫度很高,工業(yè)爐選用的管道結構較為復雜,內層采用剛玉磚,外層采用耐壓高溫鋼,在耐壓高溫鋼外面還有水夾套管,因此在設計及選型時需與工業(yè)爐專業(yè)溝通好,應在管道上預埋溫度計安裝接管,安裝接管需穿過水夾套、耐壓高溫鋼及剛玉磚,可采用密封套管,也可采用敞開套管,敞開套管需采用抗氧化性較好和耐高溫的材料。溫度計套管的插入深度需考慮伸出工業(yè)爐配套的敞開套管50～100 mm即可。

2.2 壓力測量儀表

該工藝流程中主要有進/出轉化爐工藝氣壓力、進/出氧氣換熱器氧氣管線壓力和差壓、進轉化爐工藝氣和氧氣差壓、中壓蒸汽壓力需要測量。

一般情況下,集中壓力檢測的儀表采用智能型壓力(差壓)變送器。壓力儀表比較常用,需要注意與氧氣介質接觸的變送器應做禁油脫脂處理。在選用介質為氧的變送器填充液時需采用惰性液,如鹵代烴。

進轉化爐氧氣和焦爐氣差壓測量安裝時需注意不能采用三閥組,防止氧氣和焦爐氣兩介質串氣引起爆炸。

2.3 流量測量儀表

該工藝流程中主要有進ATR氧氣流量、進氧氣換熱器蒸汽流量及進ATR保護蒸汽流量,其均可采用標準孔板配流量差壓變送器測量,進ATR夾套水流量可采用轉子流量計。對于冷氧流量用孔板測量時,節(jié)流元件材質需注意,建議采用Monel 400或Inconel 600。

2.4 液位測量儀表

該工藝流程中主要為A TR夾套水位測量及液位開關。液面小于1 500 mm,液位測量可采用浮筒液位計。水夾套的液位開關可采用浮筒式液位開關。

2.5 閥門儀表

閥門儀表作為ATR的控制和聯鎖的最終執(zhí)行元件,在工藝控制中很重要。主要有氧氣管線上的冷氧調節(jié)閥、冷氧切斷閥、冷氧放空切斷閥、熱氧上游放空調節(jié)閥、熱氧上游切斷閥、熱氧下游放空切斷閥、熱氧下游切斷閥、進氧氣換熱器蒸汽調節(jié)閥、進ATR蒸汽保護調節(jié)閥、ATR夾套液位調節(jié)閥。

對于冷氧調節(jié)閥,可采用普通的單座閥,在閥體和閥內件的選材上,需考慮氧氣的溫度、壓力和流速,工藝管道材質為304不銹鋼,但不能簡單地考慮閥體采用304,需根據氧氣管道系統(tǒng)規(guī)范,選用該溫度、壓力和流速下對應的材質,但是在實際選型中,由于采用的是globe閥,流經閥芯的氧氣流速可能無法計算,這就需要咨詢相關閥門廠家。此閥要求在開車工況下應可調,開車工況流量比正常工況流量低很多,因此閥門的可調比應盡可能大,能滿足開車工況。

蒸汽選用套筒閥,閥內組件至少為不銹鋼。氧氣切斷閥,按工藝要求選用快速切斷閥,一般采用球閥,其泄漏量等級至少為ANSI ClassⅤ,采用硬密封。所配電磁閥要求采用可靠的、滿足裝置的安全等級,一般不低于SIL2,可采用ASCO直動式隔爆電磁閥。氧氣切斷閥根據工藝要求,開關時間有一定要求,氧氣主管線上切斷閥從全開到全關要求2～3 s,氧氣管線放空閥從全關到全開要求2～3 s。采用彈簧返回氣缸式執(zhí)行機構,保證在故障情況下,閥門處于安全的故障位置。對于純氧介質閥門,閥門材質可參照《OXYGEN PIPELINE SYSTEMS IGC Doc 13/02/E GLOBALL Y HARMONISED DOCUMENT》文件選型,該工藝系統(tǒng)的氧氣切斷閥閥體材質首選Monel合金或Inconel合金。

2.6 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括DCS和SIS。針對ATR部分的DCS可以和整個裝置一致,無特別要求,可滿足生產、監(jiān)控、優(yōu)化與管理需要。

A TR的SIS要求也和整個裝置一致。建議采用進口產品,所供產品應有在類似裝置上的使用業(yè)績。系統(tǒng)安全等級應得到 SIL3認證,所有 I/O卡、CPU單元和繼電器等也必須得到SIL3認證。系統(tǒng)應具有毫秒級事件故障報警功能(SOE),系統(tǒng)掃描速度應小于200 ms,以便對系統(tǒng)本身和過程發(fā)生的每一個故障,或導致過程停車的因素都能及時地和按實際發(fā)生的時間記錄下來。系統(tǒng)必須具有完備的冗余、容錯技術,所有設備和部件必須為冗余容錯結構。

3 復雜控制

在ATR中有一個復雜控制回路——氧/碳比與ATR出口溫度控制回路,是一個前饋控制,需要考慮ATR出口溫度的滯后對氧氣流量調節(jié)的影響。

該控制回路不是簡單的溫度串級控制回路,氧氣流量的變化與A TR進口的工藝氣流量和ATR出口溫度有關,是一個既有前饋控制又有反饋控制的復雜控制回路,需要氧氣流量與工藝氣流量的合理匹配才不會引起ATR出口溫度的大幅度波動,確保A TR工藝在操作過程中負荷變化時的平穩(wěn)操作,減少工藝氣流量變化導致ATR轉化爐出口溫度過高而引起的ATR和整個裝置的聯鎖跳車。具體的控制回路如圖2所示。

圖2 氧/碳比與ATR出口溫度控制回路

該控制回路:a)A TR出口溫度控制器輸出0～100%作為因數;b)最大允許的氧氣與工藝氣比乘以ATR出口溫度控制器的輸出因數,即得到氧/碳比,因為氧/碳比高,會導致A TR聯鎖跳車,因此在設定最大氧/碳比時一定要注意,這樣才能保證氧氣流量的調節(jié)在合理的范圍內;c)需要的氧氣流量,根據氧/碳比乘以工藝氣流量得到,作為氧氣流量給定值送給氧氣流量的控制器。

4 聯鎖邏輯

純氧轉化爐聯鎖邏輯:ATR跳車聯鎖與氧氣系統(tǒng)切斷聯鎖都屬于安全聯鎖,一般在 SIS內完成。

4.1 ATR跳車

ATR跳車作為一個重要的安全聯鎖,保證了整個裝置開車、運行和停車處于安全狀態(tài)。

ATR跳車輸入原因:氧氣流量低低聯鎖;工藝氣加熱爐跳車(在工藝氣進入ATR流程前需要給工藝氣加熱的加熱爐);緊急停車按鈕(控制室輔助操作臺上);進ATR原料氣水碳比低低聯鎖; ATR進口工藝氣溫度低低聯鎖;氧/碳比高高聯鎖;ATR出口轉化氣溫度高高聯鎖;水夾套液位低低聯鎖。

ATR跳車輸出結果:加熱爐跳車;氧氣切斷聯鎖;工藝氣進料閥關閉;打開ATR吹掃蒸汽閥;打開工藝氣放空閥;合成回路跳車。

4.2 氧氣系統(tǒng)切斷聯鎖跳車

因氧氣介質的特殊性,所以在聯鎖設置上要求可靠。

氧氣系統(tǒng)切斷聯鎖輸入原因:ATR跳車; ATR進口氧氣流量低低聯鎖;A TR工藝氣進口溫度低低聯鎖;冷氧與進A TR熱氧差壓低低聯鎖;工藝氣流量低低聯鎖;熱氧放空閥為開的狀態(tài)。

氧氣系統(tǒng)切斷聯鎖結果:ATR跳車;ATR燒嘴吹掃啟動;切斷進入ATR的氧氣。

氧氣系統(tǒng)切斷跳車對冷/熱氧閥的動作時間有要求,在設計中,一定要按工藝要求進行閥門選型,保證閥門在規(guī)定的時間內打開或關閉。

5 注意事項

a)設計時需要考慮儀表的防爆要求,采用本安型儀表或隔爆儀表。對于氧氣介質儀表設計、安裝、清洗需要根據相關標準嚴格執(zhí)行。

b)在開車前一定要做好前期工作,如裝置的吹掃、試壓、聯動試車等,防止管道內的焊渣等污物卡在閥芯處而不能關閉,造成被迫停車。

c)開車及調試要熟悉并掌握整個系統(tǒng)的聯鎖條件和跳車后的相關閥門的設備動作情況。逐個聯鎖進行聯調,檢查現場儀表信號動作后SIS是否有相應的反應,同時檢查聯鎖動作后相關閥門、電氣設備的動作情況。

d)在開車投料時,積極配合工藝操作人員做好對聯鎖的旁路及投用工作,并認真做好記錄,不得隨意修改或旁路聯鎖。

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