鐘金杭

(中石化寧波工程有限公司上海公司，上海 200030)

在石油化工生產(chǎn)過程中，為了確定產(chǎn)品是否合格，裝置運(yùn)行是否平穩(wěn)，往往需要通過取樣分析，根據(jù)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果及生產(chǎn)需要，及時(shí)調(diào)整操作方案，保證裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行。而如何及時(shí)、準(zhǔn)確、安全、方便地得到具有代表性的樣品，同時(shí)又能降低設(shè)備成本，是化工設(shè)計(jì)人員應(yīng)慎重考慮的問題。本文結(jié)合某醋酸乙烯和聚乙烯醇裝置改造項(xiàng)目中現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的取樣系統(tǒng)問題，提出循環(huán)取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些思路和看法。

1 取樣系統(tǒng)的分類

對(duì)于目前大部分石油化工裝置，所處理的介質(zhì)均為連續(xù)流體。對(duì)于氣體和液體介質(zhì)的取樣系統(tǒng)，根據(jù)取樣管道中介質(zhì)的物料性質(zhì)，取樣系統(tǒng)可分為兩大類:開放式取樣系統(tǒng)和密閉式取樣系統(tǒng)［1］。當(dāng)取樣介質(zhì)屬于極度危害和高度危害介質(zhì)，甲類可燃?xì)怏w，液化烴時(shí)，應(yīng)采取密閉式取樣系統(tǒng)。其他可以采用開放式取樣。

2 現(xiàn)場(chǎng)取樣系統(tǒng)的問題

(1)現(xiàn)場(chǎng)部分已經(jīng)安裝的密閉取樣器設(shè)有取樣回路循環(huán)，取樣器回流口管線需安裝在比進(jìn)樣口管道壓力低的管線上(回流物料管壓力＜取樣管線壓力－取樣損失壓力)，但根據(jù)現(xiàn)有工藝流程，取樣系統(tǒng)進(jìn)出口壓差較小，而密閉取樣系統(tǒng)壓降較大，無法實(shí)現(xiàn)取樣循環(huán)，故現(xiàn)場(chǎng)只能將回路用盲板封住。而且此類型取樣器因裝置沒有設(shè)計(jì)廢液系統(tǒng)，氮?dú)獯祾邭堃褐廖焦藓笪焦奕菀追e滿。如圖1所示。

圖1 密閉取樣器流程

(2)現(xiàn)場(chǎng)開放式取樣入口管線配管過長(zhǎng)，導(dǎo)致取樣時(shí)放掉管道中的死樣時(shí)間過長(zhǎng)，浪費(fèi)原料，并且環(huán)保安全方面達(dá)不到要求。

圖2 聚合物取樣器流程

(3)現(xiàn)場(chǎng)已安裝的聚合物密閉取樣器形式，其流程如圖2所示，進(jìn)出口取在同一管道上，并且主管上幾乎無壓差，所以樣品在取樣系統(tǒng)里無法進(jìn)行循環(huán)，并且這種形式取樣的是聚合物，取樣口徑太小無法取出高黏度聚合物。通協(xié)商后確定了以下的整改原則及方案。要實(shí)現(xiàn)完全的循環(huán)密閉取樣，取樣進(jìn)出口必須有一定的壓差，或者有排放的廢液系統(tǒng)。因聚乙烯醇裝置未設(shè)置廢液系統(tǒng)，如果再加個(gè)廢液系統(tǒng)，投資成本大，而且此裝置殘液含聚乙烯醇，聚醋酸乙烯，聚合物粘度大，容易堵塞管道，不能與其他取樣液混在一起?？紤]到醋酸乙烯和聚乙烯醇裝置的取樣介質(zhì)為醋酸、甲醇等非高度危害介質(zhì)，同時(shí)操作壓力和溫度不高，為了不耽擱開車進(jìn)度，同時(shí)降低成本，經(jīng)過與業(yè)主充分討論研究后，為達(dá)到安全環(huán)保要求以及減少取樣損失，擬對(duì)原“開放式”直接取樣的取樣系統(tǒng)改為采用“循環(huán)式”取樣方式，已安裝的密閉取樣器進(jìn)出口配在同管線上有壓差的位置，繼續(xù)投入使用。取樣位置的設(shè)計(jì)，需根據(jù)取樣位置的工藝流程，在不改變物質(zhì)組分的前提下，找出有壓差的位置，一般設(shè)置在調(diào)節(jié)閥組或泵進(jìn)出口等有有明顯壓降的地方。

取樣器形式分為:帶取樣冷卻器型(SCE型見圖3)和普通型(SCD型見圖4)。

3 循環(huán)取樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3．1 “循環(huán)式”取樣流程整改

鑒于取樣系統(tǒng)存在的以上問題，經(jīng)與取樣器廠家及業(yè)主溝

圖3 帶取樣冷卻器型(SCE)

圖4 普通型(SCD)

考慮到取樣人員的操作安全，介質(zhì)操作溫度高于等于60℃的取樣點(diǎn)需設(shè)置取樣冷卻器，以降低樣品溫度，避免取樣人員燙傷。

取樣針型閥和三通用絲扣連接，方便拆卸更換。因取樣人員取樣時(shí)都要用樣品刷洗三次取樣瓶，所以三通與絲扣之間的殘液，最終不會(huì)進(jìn)入到需要分析的樣品里，對(duì)于刷洗取樣品的廢液統(tǒng)一回收處理。

3．2 流量計(jì)算和管徑選擇

循環(huán)取樣系統(tǒng)中流量與所選的管徑有很大關(guān)系，其他條件相同情況下，取樣系統(tǒng)的管徑越小流量越小，但也不能太大，不然分配至取樣系統(tǒng)的流量占主管流量比例大，影響調(diào)節(jié)閥調(diào)控或者損失泵的能耗，并且會(huì)對(duì)主物流管線引起較大的波動(dòng)。鑒于本裝置幾處取樣點(diǎn)，工藝管線流量均較小，一般在0．3～10 m3/h，為了盡量減少取樣系統(tǒng)對(duì)工藝管線的影響，需要對(duì)取樣系統(tǒng)的流量進(jìn)行核算，合理設(shè)置取樣系統(tǒng)。

取樣系統(tǒng)進(jìn)出口如與調(diào)節(jié)閥組進(jìn)出相連接上，可以看作是并聯(lián)管路，而由于系統(tǒng)操作壓力較低，正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)閥壓降為較小通常在50 kPa左右。如圖5所示，即取樣系統(tǒng)中的壓降與調(diào)節(jié)閥壓降相同，假定為50 kPa，通過取樣系統(tǒng)的壓降可以估算出取樣管路的流量。

圖5 調(diào)節(jié)閥組的取樣示意

假定取樣系統(tǒng)管路里最小管徑為DN10，根據(jù)SH/T 3405－2012標(biāo)準(zhǔn)，壁厚取 SCH40S，即為 φ17．1 mm ×2．31 mm 的不銹鋼鋼管，介質(zhì)密度900 kg/m3，管壁絕對(duì)粗糙度ε=0．20 mm，管長(zhǎng)6 m，90℃彎頭6個(gè)(當(dāng)量長(zhǎng)度Le=30D)，截止閥2個(gè)(當(dāng)量長(zhǎng)度Le=340D)，三通1個(gè)(當(dāng)量長(zhǎng)度Le=30D)，假設(shè)流動(dòng)進(jìn)入平方區(qū)，取初值λ=0．04562;

進(jìn)口突然縮小，ξ=0．5;

出口突然擴(kuò)大，ξ=1．0;

取樣進(jìn)出口列機(jī)械能衡算式［2－3］

Re＞4000，進(jìn)入湍流區(qū)。試差法求解摩擦系數(shù)。

得出 λ=0．06382，與假設(shè)值相同，所得流速 u=1．32 m/s，質(zhì)量流量w=523 kg/h。

同樣方法可以計(jì)算出其他管徑時(shí)，取樣系統(tǒng)的流量。

當(dāng)管徑取 DN6時(shí)，即為 φ10．3 mm ×2．41 mm，流速 u=0．93 m/s，質(zhì)量流量 w=71 kg/h。

當(dāng)管徑取 DN8時(shí)，即為 φ13．7 mm ×2．24 mm，流速 u=1．18 m/s，質(zhì)量流量 w=254 kg/h。

當(dāng)管徑取 DN15時(shí)，即為 φ21．3 mm ×2．77 mm，流速 u=1．43 m/s，質(zhì)量流量 w=903 kg/h。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，以上管徑的取樣系統(tǒng)的流量都能滿足現(xiàn)場(chǎng)一天取兩次新鮮樣的要求。假設(shè)主管路的流量為10000 kg/h，那各取樣管徑下的流量占總流量比例如表1所示。

表1 各取樣管徑下的流量占比

從表1可以看出取樣管徑越大，取樣系統(tǒng)里流量占總流量百分比越大，取樣管徑DN10以下的流量占總流量比例在5%以下，不影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)控，但出于裝置安全和焊接等施工難度，材料專業(yè)建議盡量使用大的，所以取樣管徑選用DN10。但有個(gè)別設(shè)置取樣點(diǎn)的工藝管線流量在10000 kg/h以下，那就需要截止閥調(diào)節(jié)流量，使取樣管流量不影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)控。

對(duì)于取樣點(diǎn)在泵進(jìn)出口位置的系統(tǒng)，如圖6所示，泵進(jìn)出口壓差最大值為0．44 MPa，最小值為0．1 MPa，忽略泵進(jìn)出口球閥止回閥管件等阻力損失，假設(shè)取樣系統(tǒng)進(jìn)出口壓降最大值0．44 MPa，最小值為0．1 MPa，其他條件和計(jì)算過程同上面的調(diào)節(jié)閥組取樣系統(tǒng)DN為10的流量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與主管路的流量10000 kg/h占比如表2所示?？梢婋S著壓降的增大，取樣系統(tǒng)流量也增大，當(dāng)取樣系統(tǒng)進(jìn)出口壓降最大值0．44 MPa，占總流量百分比為15．62%，不僅耗能浪費(fèi)而且取樣也較易影響系統(tǒng)穩(wěn)定操作，建議主管路流量在10000 kg/h以下時(shí)，截止閥閉合一半以上，主管路流量在10000 kg/h以上時(shí)，根據(jù)壓差適當(dāng)調(diào)節(jié)取樣管流量。

表2 各壓降下的流量占比

圖6 泵進(jìn)出口的取樣

對(duì)于取樣入口壓力較大?？紤]后系統(tǒng)和操作安全需要減壓。常用自力式調(diào)節(jié)閥減壓保證后系統(tǒng)和取樣的穩(wěn)定和安全。筆者認(rèn)為取樣入口加限流孔板也可起到降壓作用、同時(shí)限制一定的流量范圍內(nèi)。而且限流孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、易加工、安裝方便、已在化工裝置很多方面得到了充分的應(yīng)用。

4 結(jié)論

從安全環(huán)保及減少取樣損失的角度，盡量采用密閉循環(huán)取樣的方式進(jìn)行取樣。合理設(shè)置循環(huán)取樣系統(tǒng)取樣點(diǎn)位置，取樣進(jìn)出口應(yīng)盡量設(shè)置在有壓差的位置，一般設(shè)置在調(diào)節(jié)閥組或泵進(jìn)出口等有有明顯壓降的地方。

當(dāng)設(shè)置取樣點(diǎn)的工藝管線流量較小時(shí)，取樣系統(tǒng)的壓降和管徑對(duì)流量影響很大，應(yīng)合理的考慮取樣系統(tǒng)管徑和流量的大小，既要保證安全方便快捷得取得新鮮樣品，同時(shí)要充分考慮占主管流量比例大小，避免過大影響調(diào)節(jié)閥調(diào)控或者損失泵的能耗，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。