焦爐氣制甲醇裝置中A TR儀表設計淺談

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爐專業溝通好,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閥、冷氧切斷閥、冷氧放空切斷閥、熱氧上游放空調節閥、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閥、進ATR蒸汽保護調節閥、ATR夾套液位調節閥。

對于冷氧調節閥,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規范,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

系統主要包括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、監控、優化與管理需要。

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績。系統安全等級應得到 SIL3認證,所有 I/O卡、CPU單元和繼電器等也必須得到SIL3認證。系統應具有毫秒級事件故障報警功能(SOE),系統掃描速度應小于200 ms,以便對系統本身和過程發生的每一個故障,或導致過程停車的因素都能及時地和按實際發生的時間記錄下來。系統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。

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。

氧氣系統切斷聯鎖結果: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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