外貼式溫度計(jì)在烯烴罐區(qū)的深化應(yīng)用

任 偉

（國能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

國能包頭煤化工項(xiàng)目是世界第一套煤制烯烴項(xiàng)目，也是國家級(jí)煤制烯烴示范工廠，用煤做原料，通過煤氣化、凈化、甲醇合成、甲醇轉(zhuǎn)化制烯烴、烯烴分離、烯烴聚合工藝路線生產(chǎn)聚烯烴。工廠由聯(lián)合化工裝置、聯(lián)合石化裝置、熱電裝置、公用工程、輔助設(shè)施、廠外工程等6 大系統(tǒng)共46 套裝置（單元）組成，主要生產(chǎn)裝置包括：氣化裝置為7 臺(tái)德士古氣化爐、180 萬噸甲醇合成裝置、60 萬噸甲醇制烯烴裝置、30 萬噸低密度聚乙烯裝置、30 萬噸聚丙烯裝置，以及配套的4 臺(tái)鍋爐、2 臺(tái)50MW 發(fā)電機(jī)組自備熱電站等公用工程、輔助設(shè)施、廠外工程等，總投資170億元。

國能包頭煤化工項(xiàng)目于2006 年12 月獲得國家發(fā)改委核準(zhǔn)，并于2007 年9 月開工建設(shè)，在2010 年5 月完成全面建成，8 月即打通全流程，投料試車一次成功。2011 年1 月工廠正式投入商業(yè)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)煤化工向石油化工產(chǎn)業(yè)的延伸，成為全球首套煤化工示范項(xiàng)目。

其中，烯烴分離裝置為關(guān)鍵單元。烯烴分離裝置采用美國Cbi-Lummus 公司專利技術(shù)，包括烯烴分離單元和烯烴罐區(qū)單元，由中國石化上海工程公司進(jìn)行詳細(xì)工程設(shè)計(jì)。烯烴分離單元占地面積255×110（m2），烯烴罐區(qū)占地面積150×111（m2）。烯烴分離單元采用Lummus 工藝包前脫丙烷后加氫、丙烷洗工藝技術(shù)，由Lummus 進(jìn)行工藝包和基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)。同時(shí)，Lummus 將部分基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)包給中國石化上海工程公司，由其進(jìn)行詳細(xì)工程設(shè)計(jì)。此工藝與常規(guī)乙烯分離工藝主要區(qū)別有：此工藝無前冷系統(tǒng)、無乙烯制冷系統(tǒng)。

烯烴罐區(qū)接收來自烯烴分離單元的乙烯、丙烯、混合C4、C5+產(chǎn)品，接收外購丁烯-1、異戊烷物料，分別送往下游PE、PP 等用戶。烯烴罐區(qū)設(shè)置6 臺(tái)2000m3的乙烯球罐，5 臺(tái)2000m3丙烯球罐，2 臺(tái)3000m3的混合碳四產(chǎn)品球罐，2 臺(tái)1500m3的C5+產(chǎn)品球罐，2 臺(tái)1000m3的丁烯-1球罐，2 臺(tái)1000m3的異戊烷球罐，1 臺(tái)1000m3的內(nèi)浮頂廢甲醇水罐。

1 項(xiàng)目背景

依據(jù)GB18218-2018《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》[1]評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，包頭公司依法對公司重大危險(xiǎn)源進(jìn)行了評(píng)估和備案，依法對公司的應(yīng)急預(yù)案管理體系重新修訂和備案；依法完成公司3 年1 次的安全現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和報(bào)告?zhèn)浒腹ぷ鳎苍u(píng)價(jià)出重大危險(xiǎn)源4 個(gè)，一級(jí)重大危險(xiǎn)源1 個(gè)（烯烴罐區(qū)），三級(jí)重大危險(xiǎn)源1 個(gè)（甲醇、烯烴中心生產(chǎn)裝置區(qū)域），四級(jí)重大危險(xiǎn)源2 個(gè)（危險(xiǎn)品庫房和氨站）。

重大危險(xiǎn)源安全評(píng)估的目的是：

1）對公司的生產(chǎn)裝置、儲(chǔ)存設(shè)施以及公用工程等進(jìn)行危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源的辨識(shí)與分析，對辨識(shí)出來的危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源進(jìn)行評(píng)估，確定其危險(xiǎn)等級(jí)，并進(jìn)行事故后果的模擬計(jì)算和分析。

2）重點(diǎn)檢查、評(píng)估企業(yè)危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源所采取的安全設(shè)施、安全管理措施、安全技術(shù)和監(jiān)控措施等是否能夠滿足重大危險(xiǎn)源安全生產(chǎn)的需要。

3）對于檢查、評(píng)估中發(fā)現(xiàn)的缺陷、不足，依據(jù)相應(yīng)法律法規(guī)、規(guī)范等提出相應(yīng)的整改措施和要求。

4）通過重大危險(xiǎn)源評(píng)估工作，從而進(jìn)一步提高危化品企業(yè)的安全管理水平和安全技術(shù)水平，同時(shí)為安監(jiān)部門和生產(chǎn)企業(yè)實(shí)施相應(yīng)的安全監(jiān)管措施提供科學(xué)依據(jù)。

據(jù)上述可見，國能包頭煤化工有限責(zé)任公司只有一個(gè)一級(jí)重大危險(xiǎn)源裝置，即烯烴分離罐區(qū)單元。一級(jí)重大危險(xiǎn)源裝置一直是企業(yè)內(nèi)部及政府檢查的重點(diǎn)區(qū)域，由于國能包頭煤化工有限責(zé)任公司成立的比較早，當(dāng)初的一些設(shè)計(jì)不滿足后續(xù)新發(fā)布的一些標(biāo)準(zhǔn)。圖1 為乙烯球罐管道儀表流程圖的截圖，圖中球罐下部用圓圈圈出來的溫度儀表安裝位置不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，遠(yuǎn)處溫度計(jì)及就地溫度計(jì)均安裝在球罐出口管線上，沒有安裝在球罐本體上。

圖1 乙烯球罐管道儀表流程圖Fig.1 Pipeline and instrument flow diagram of ethylene spherical tank

2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)SH3136-2003《液化烴球形儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.1 條的要求，液化烴球形儲(chǔ)罐本體應(yīng)設(shè)置就地和遠(yuǎn)傳溫度計(jì)，并應(yīng)保證在最低液位時(shí)能測量液相的溫度而且便于觀測和維護(hù)[2]。由此可見，國能包頭煤化工有限責(zé)任公司烯烴罐區(qū)的溫度計(jì)設(shè)置不滿足規(guī)范要求，但由于液化烴球形儲(chǔ)罐為壓力容器，很難在球罐本體開孔安裝新的溫度計(jì)。根據(jù)AQ 3036-2010《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源 罐區(qū)現(xiàn)場安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范》中4.2.5 條的要求，對于老罐改造，應(yīng)優(yōu)先選擇不清罐就可以安裝的傳感器[3]。應(yīng)符合安全要求，電線無破皮、露線及發(fā)生短路的現(xiàn)場，二次儀表應(yīng)安裝在安全區(qū)。傳感器蓋安裝后應(yīng)嚴(yán)格檢查，旋緊裝好防拆裝置。現(xiàn)場嚴(yán)禁帶電開蓋檢修非本質(zhì)安全型防爆設(shè)備。采用非鎧裝電纜時(shí)，傳感器與排線管之間用防爆軟性管連接。安裝過程中避開焊接和可能產(chǎn)生火花的操作，防止電火花、機(jī)械火花及高溫因素引起的燃燒和爆炸。需要罐內(nèi)安裝且可能產(chǎn)生火花或高溫的，應(yīng)進(jìn)行空氣置換后再進(jìn)入作業(yè)。所以，對于液化烴球罐溫度計(jì)的整改，首先選擇不清罐的方式進(jìn)行，不僅工作量小，還便于實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)測量無泄漏點(diǎn)，安全檢測，易于維護(hù)的基本要求，選擇了外貼式的溫度測量方案。傳統(tǒng)的表面?zhèn)鞲衅鹘档土诵孤c(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，更易于維護(hù)，但是需要測量表面內(nèi)側(cè)介質(zhì)的溫度，傳統(tǒng)的表面?zhèn)鞲衅骺梢越鉀Q很多熱套管的問題，但是僅能提供表面溫度數(shù)據(jù)，它們受到環(huán)境溫度的影響并隨著環(huán)境條件變化。如圖2 所示，由于環(huán)境溫度與過程溫度之間的巨大差異，表面溫度測量最大偏差40℃。

參考了行業(yè)內(nèi)部，沒有找到相同的整改經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。當(dāng)時(shí)羅斯蒙特新推出了一項(xiàng)名為X-WELL 的外貼溫度測量技術(shù)，把溫度儀表夾持到管道外部（見圖3），測量管道表面的溫度，再通過內(nèi)部的熱傳導(dǎo)公式計(jì)算，從而算出內(nèi)部介質(zhì)的溫度。根據(jù)這一項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用，想通過對該技術(shù)進(jìn)行一些改造，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)溫度的整改。

圖3 管道夾持式外貼溫度計(jì)Fig.3 Pipeline clamping external thermometer

3 外貼式溫度計(jì)設(shè)計(jì)原理

為了解決傳統(tǒng)的表面?zhèn)鞲衅骶鹊偷囊幌盗斜锥耍_斯蒙特推出了X-well 技術(shù)。該技術(shù)可針對這種情況提供最佳解決方案，擺脫熱套管組件有泄漏點(diǎn)，不易于安裝維護(hù)的痛點(diǎn)，同時(shí)輸出標(biāo)準(zhǔn)表面?zhèn)鞲衅鳠o法實(shí)現(xiàn)的過程溫度測量值。該技術(shù)通過表面測量方式得到更精確的過程溫度，無需復(fù)雜的設(shè)計(jì)和熱套管就可以得到準(zhǔn)確的溫度測量值，同時(shí)避免潛在的泄漏和安全隱患。

X-well 技術(shù)是通過變送器內(nèi)熱導(dǎo)算法計(jì)算過程溫度，如圖4 所示。通過測量管道表面溫度和環(huán)境溫度，結(jié)合裝置和過程管道的熱傳導(dǎo)性能，X-well 技術(shù)可提供可重復(fù)的、準(zhǔn)確的管道內(nèi)過程溫度值。以下是從技術(shù)層面解釋X-well技術(shù)的工作原理：X-well 測量環(huán)境溫度T1、管道表面溫度T2，已知X1 和K1（溫度測量組件的導(dǎo)熱屬性，通過組裝并標(biāo)定來獲得這些值），X2 是用戶輸入設(shè)備的管道壁厚，K2 是用戶輸入的管道材料，然后只需要解答等式T3 即可，它就是過程溫度。

圖4 X-well技術(shù)計(jì)算過程Fig.4 Calculation process of X-well technology

X-well 技術(shù)的精度取決于環(huán)境和過程溫度差。環(huán)境溫度和過程溫度每相差1.0℃，對于溫度測量精度會(huì)產(chǎn)生±0.01℃的影響。為了驗(yàn)證X-well 的進(jìn)度，在其他本體有溫度原件的儲(chǔ)罐中進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。由于產(chǎn)品開始是針對管道測量設(shè)計(jì)的，要是用在儲(chǔ)罐表面，就需要先對支架進(jìn)行一下改裝。將原來的夾持式支架拆除，用角鋼當(dāng)作支架，與支持X-well 技術(shù)的變送器連接管焊接，最后再用金屬膠水粘貼到儲(chǔ)罐表面。具體安裝過程，如圖5。

圖5 X-well變送器測試安裝圖Fig.5 Installation diagram for X-well transmitter testing

利用儲(chǔ)罐原有的精度為A 級(jí)的檢測元件Pt100 熱電阻[4]，通過熱電阻的阻值計(jì)算出溫度，與X-well 變送器測出的溫度進(jìn)行對比，進(jìn)行了連續(xù)一個(gè)月的測試。X-well 變送器與熱電阻測試的問題誤差在0.5%之內(nèi)（見圖6），精度完全達(dá)到要求，可以保證工藝生產(chǎn)的使用。

圖6 X-well變送器與熱電阻測試曲線Fig.6 X-well Transmitter and thermal resistance test curve

4 項(xiàng)目實(shí)施

4.1 底座制作

由于之前有了成功的試用經(jīng)驗(yàn)，接下來就可以進(jìn)入大規(guī)模的應(yīng)用階段。因?yàn)閲馨^煤化工有限責(zé)任公司烯烴罐區(qū)的溫度儀表設(shè)置不滿足SH3136-2003《液化烴球形儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.1 條的要求，液化烴球形儲(chǔ)罐本體應(yīng)設(shè)置就地和遠(yuǎn)傳溫度計(jì)，并應(yīng)保證在最低液位時(shí)能測量液相的溫度而且便于觀測和維護(hù)[2]。所以該項(xiàng)目的費(fèi)用走安全生產(chǎn)費(fèi)，從立項(xiàng)開始，然后找各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)審批，等批復(fù)同意后進(jìn)行物資申報(bào)、采購。由于之前羅斯蒙特的X-well變送器是為了管道測量設(shè)計(jì)的，做測試用的支架也比較簡陋，安裝上去不太美觀，所以在采購階段就提前與廠家溝通，確認(rèn)現(xiàn)場安裝的環(huán)境。廠家尋找到一家口碑不錯(cuò)的機(jī)加工單位，根據(jù)現(xiàn)場的使用情況，特意加工了一批質(zhì)量可靠、造型美觀的底座，提升了現(xiàn)場儀表的安裝質(zhì)量（見圖7）。

圖7 X-well變送器實(shí)際安裝圖Fig.7 Actual installation drawing of X-well transmitter

4.2 儀表安裝說明

本次改造項(xiàng)目，溫度測量儀表為新增，備用電纜不足，而且電纜槽盒余量也不足，采用重新安裝儀表橋架敷設(shè)電纜的方案。儀表電纜橋架安裝是一項(xiàng)重要的工作，為了保證安全，必須按照國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施嚴(yán)格的安裝規(guī)范。首先，在安裝儀表電纜橋架之前，應(yīng)檢查鋼絞線、布線、連接器、掛桿等設(shè)備，如有損壞或變形，應(yīng)及時(shí)更換；其次，在安裝時(shí)應(yīng)遵循彎頭就近原則，并考慮曲線半徑和彎曲角度，使電纜橋架軌跡平滑，盡可能減少拐彎次數(shù)，以減輕電纜的總重量；再次，安裝完畢后，應(yīng)檢查橋架的安全隔離，保證橋架與電氣設(shè)備的安全距離，避免過載，以防止危險(xiǎn)情況的發(fā)生；最后，所有電力設(shè)備都要采取良好的防護(hù)措施，以防止安全事故的發(fā)生[5]。

4.3 安全技術(shù)措施

1）為了降低外部磁場和電場對現(xiàn)場儀表信號(hào)電纜傳輸過程中的干擾，本設(shè)計(jì)所選用的電纜分別為對絞總屏蔽儀表信號(hào)電纜和總屏蔽控制電纜，并且所有電纜均為B 級(jí)阻燃型電纜。

2） 根據(jù)生產(chǎn)裝置工藝介質(zhì)的危險(xiǎn)區(qū)域劃分，現(xiàn)場危險(xiǎn)區(qū)域電動(dòng)儀表選用本安或隔爆型，本安型儀表或隔爆型儀表的電氣防爆等級(jí)應(yīng)該大于Exic ⅡBT4/Exd ⅡCT4。

3）對于儀表信號(hào)的工作接地、屏蔽接地、儀表及機(jī)柜的保護(hù)接地，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)要求，應(yīng)將各種接地分別接至儀表工作地、屏蔽地、保護(hù)接地板，再從儀表接地板引出儀表接地干線，統(tǒng)一接至現(xiàn)場機(jī)柜室內(nèi)的電氣專業(yè)總接地板，最終由電氣專業(yè)統(tǒng)一接至全廠總接地極，實(shí)現(xiàn)全裝置“等電位”連接。

4）儀表主匯線槽外殼應(yīng)通過槽鋼支架與工藝管廊金屬構(gòu)架可靠焊接，避免出現(xiàn)浮空和絕緣現(xiàn)象，保證與工藝管廊附近的電氣專業(yè)保護(hù)接地網(wǎng)可靠連接。所有現(xiàn)場電動(dòng)儀表、接線箱及電纜保護(hù)管，均應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)接地處理；接地線（1×4 mm2）應(yīng)分別接至附近工藝管道或電氣專業(yè)保護(hù)接地網(wǎng)，并可靠連接。

4.4 控制系統(tǒng)配置

根據(jù)本次改造項(xiàng)目的規(guī)模、特點(diǎn)，控制系統(tǒng)利用裝置原DCS 系統(tǒng)備用點(diǎn)，不增加控制器及操作站等其他設(shè)備。現(xiàn)場儀表安裝完畢以后，將信號(hào)傳遞到DCS 上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)視、報(bào)警。

通過外部檢查與企業(yè)內(nèi)部自查，發(fā)現(xiàn)了烯烴罐區(qū)儀表設(shè)置不合理的問題，逐步開始研究解決。首先，開始調(diào)研同類型其他單位的情況，沒有發(fā)現(xiàn)成功的經(jīng)驗(yàn)，然后試用新的技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到滿意的效果就正式地立項(xiàng)，一步一步地走流程，最后順利地完成烯烴罐區(qū)溫度計(jì)整改，不僅符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，也為穩(wěn)定的生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)[6]。

5 結(jié)束語

溫度測量的方法是多種多樣的，特別是由于當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展、先進(jìn)手段的運(yùn)用，這似乎不是什么難題，但對于年久的儲(chǔ)罐如何運(yùn)用好當(dāng)今的技術(shù)，因地制宜地搞好技術(shù)升級(jí)，尤其是充分利用好現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，在測量方面做一些改進(jìn)。如上文提到的熱導(dǎo)率計(jì)算的方法，對管道、儲(chǔ)罐表面溫度進(jìn)行補(bǔ)償，將大幅度提高現(xiàn)場測量的效果，提高測量精度，將起到事半功倍的效果[7]。