专家谈|煤化工仪表设计的思考

本文内容来自：中国天辰工程有限公司教授级高级工程师赵柱先生，于“2024年第三届环京（京津冀）化工企业自动化智能化与安全改造应用技术交流”上发表的报告。

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一、相关标准及规定

二、基本知识和概念

1.火灾三要素

引起火灾需要有三个要素：氧化剂，燃料和点火能量。大气中的火灾可以通过消除三个要素之一来预防，但在氧气系统中它们是无法分开的。含有氧气的阀门, 调压阀, 管道, 接头以及其它元件实际上就是燃料，着火能量来自系统内部。因此系统设计, 元件选择, 结构材料, 加工方法以及系统操作和维护需要根据规范和程序进行选择。

2.着火链

当系统中释放出少量能量，并点燃某种燃点温度较低的材料，或某种较小质量和较大表面面积的粒子时，着火链即开始。一旦较小的物体被点燃，其产生的热量会点燃燃点温度较高的较大材料，从而产生出更多的热量，直到火焰可以自持。

常见的点火机制：机械撞击、粒子撞击、摩擦、压缩加热。

3.撞击工况定义

IGC DOC 13/12/E《OXYGEN PIPELINE AND PIPING SYSTEMS》中将氧气工况划分为“撞击场合”和“非撞击场合”

其定义为：使氧气流动方向突然改发或产生漩涡的位置，从而引起氧气中夹带的颗粒对管壁的撞击，这样的位置称作撞击场合，否则称为非撞击场合。

“撞击场合”容易发生激发能源，引起燃烧不爆炸，是危险场合，安全控制要求更加严格。

IGC DOC 13/12/E 对流速的限制

适用于150℃（302℉）以下设计温度的碳钢管以及200℃（392℉）

设计温度的不锈钢管

撞击场合：

0.3MPaA<P<1.5MPaA V<30m/s

1.5MPaA<P<10MPaA P*V<45MPa.m/s

10MPaA<P<20MPaA V<4.5m/s

非撞击场合：

0.3MPaA<P<1.5MPaA V<60m/s

1.5MPaA<P<10MPaA P*V<80MPa.m/s

10MPaA<P<20MPaA V<8m/s

4.豁免压力

根据不同的金属可燃性，对于氧气的流速有一定的限制要求。如果阻燃合金在管道的设计压力下能阻燃，则此时丌需要考虑流速限制，

IGC DOC 13/12/E给出了豁免压力这一概念，即豁免压力为金属免除考虑流速限制的最小压力。

基于豁免压力仍需考虑金属材料的厚度。

豁免压力和最小厚度要求：

金属选择：

5.氧环境下系统相容性评估程序（ NASA/TM-2007）

确定最恶劣的操作条件、评估系统中的可燃物质、评估现有及可能出现的点燃机制、确定着火链-潜在的火险、分析了反应的影响-火灾造成人身、任务和系统功能的潜在损失、鉴别以往使用经验、出具分析结果报告

三、选型实例和探讨

1.仪表选型工作流程

2.温度仪表选型

以某厂空分装置为例，低压氧气管道介质温度20℃,操作压力6.0 MPaG，密度1.43kg/Nm3，管径DN200（219x13），最大流量44000Nm3/h ，管道材质0Cr18Ni9 ，在此管道上需设置远传温度计一支。

通过计算氧气流速为7.61m/s，在非撞击场合下， P*V=45.6<80 MPa.m/s

但温度度计套管使用为撞击工况， P*V>45MPa.m/s ，且在临界值附近，因此套管材质需选用镍基合金，并通过减少插入深度，增大管道截面积，以迅速减少流体发化对后续管道的影响。

3.压力仪表选型

安全压力表是为保护操作人员，当压力检测元件故障时，防止表壳内的高压气体和碎片从表前喷出。

安全模式仪表：融合了安全特性的仪表，尤其适用于高压气体和蒸汽：

a) 尺寸为40~80 安全模式仪表——丌带隔板（S2）

b) 尺寸为40~250 安全模式仪表——带隔板（S3）

泄压装置: 如果测压元件出现压力泄露或压力积聚，位于表壳或者表后部的泄压装置能够迅速、安全地泄放表内压力。

装有泄压装置的压力表，应防止被碎片或脏污堵塞，丏泄放压力丌能大于安全玱璃耐压压力的一半。填充液体的压力表应选用合适的泄压装置。

隔板:位于测压元件和表盘之间的隔板能进行有效阻挡，当测压元件収生压力泄漏或者爆炸时，防止冲击波从仪表盘喷出。

额定工作温度

环境温度和工况压力下温度：-20ºC ~ +60ºC

填充液体的压力表，其工作最低和最高温度应根据介质特性来确定。

额定储存温度

储存温度：-40ºC ~+70ºC

压力表不应改发外观。表盘和指针不应存在破裂、起泡、发色现象

如果压力计的显示窗口是由安全玻璃制成，则最高环境温度不能超过60 °C。安全玻璃通过箔纸将两块玻璃盘胶合在一起而制成，一旦温度超过60 °C，则箔纸会起泡，从而使显示窗口刻度变得不准确

测量元件一般选用monel400

如选用填充液，针对氧气工冴要选用填充液是氟油的发送器，并丏要对发送器进行清洗处理

导压管材质选择建议选择镍基合金，因在开车工冴下，会出现压缩加热现象，即打开根部阀时氧气从高压区域流向低压区域，体积膨胀，速度增加。如气流叐到阻碍，气体压缩发热，压差越大，温度越高，易产生危险。

4.流量仪表

尽量选择流速发化小，对流向改发小，撞击不严重的测量方式如文丘里管。

以某气化工况为例，进氧气加热器前氧气流量测量，流体温度34℃ , 操作压力4.7MPaA，流量32270Nm3/h，管道口径DN200(219x8)，材质304。

通过计算氧气流速为6.75m/s, P*V=31.7<80MPa.m/s, 管道材质选用不锈钢是没有问题的。

为保证测量精度，节流装置孔径比宜大于2:1，而此场合为撞击工冴（入口不出口缩径比大于3：1 的异径接头（偏心和同心））

通过选择文丘里管喉部口径为125mm，可计算出喉部流速为17.92m/s, P*V=83.7>80MPa.m/s，因此文丘里管喉部及扩散段应采用镍基合金材质，同时为保持流量计的整体性，建议进入文丘里管整体使用镍基合金材质。

节流装置取压管口的方位

变送器的安装

5.阀门

材质选择：

以某气化工况为例，氧气管道 DN80 (Φ88.9x5.49），氧气压力7.6MPaA，温度40℃,输送氧量为8000Nm3/ h。

氧气流速V计算值为7.16 m/s。P*V=54.416,根据管道中氧气最高允许流速，阀门材料不允许使用奥氏体不锈钢， 7.6MPa低于monel400、 monel K500的豁免压力，阀芯阀座的选择monel合金，且阀芯阀座不要做硬质堆焊。且尽量不要缩颈处理，保持不管有管道同口径。同时需考虑管道材质的温压曲线和阀体材料的温压曲线是否一致，如不能配合，需要调整阀门法兰连接的压力等级，且注意不管道与业的配合。