浅谈 35 万吨/年煤液化油渣萃取生产装置自动化仪表的设计及选型
发布时间：2019-04-12 发布作者：
【摘 要】35 万吨/年煤液化油渣萃取生产装置，以煤直接液化油渣为原料，通过萃取分离工艺生产高附加值的三种煤液化沥青产品。自动化仪表在煤液化油渣萃取生产装置中有着至关重要的地位，关系到整个装置能否长期、稳定的运行。根据煤液化油渣萃取生产装置的工艺特点，对整个装置自动化仪表选型进行了总结，并对关键仪表选型进行了梳理和介绍。
生产工艺流程简介
35 万吨/年煤液化油渣萃取生产装置，利用煤焦油洗油与煤直接液化油渣中的沥青相似相溶的特性，利用洗油对油渣中的沥青质进行萃取操作。
本装置选择洗油作为萃取溶剂，将油渣与溶剂在一定温度下混合，沥青溶解在溶剂中，随后采用固液分离设备分级分离，得到固含量不同的分离液，萃取分离清液中的沥青与溶剂的沸程相差较大，采用减压闪蒸实现溶剂回收，得到灰分含量不同的煤液化沥青，沥青经冷却成型。
工艺流程主要包括萃取离心单元、沉降单元、溶剂闪蒸单元（包含初级沥青、中级沥青、高级沥青三个闪蒸工段）、沥青成型单元、喷雾干燥单元、粉料成型单元和公用工程单元等七个单元，以及油气、尾气处理系统。
2 自动化仪表设计及选型
2.1 温度仪表
温度测量均采用普通的 K 型热偶（测量范围在 500℃以上）或 PT100 热电阻（测量范围在 500℃以下）来测量。
（1）热电阻
依照 IEC 60751 ,选用 RTD 热电阻温度检测器，分度号选 PT100，使用三线制连接方式，连接电缆应选用对绞屏蔽电缆。
（2）热电偶
依照 IEC 60584，选用热电偶测温元件，分度号选 K 或 S，经现场
温度变送器转成4-20mA 标准信号后，连接电缆应选用对绞屏蔽电缆。
就地温度测量采用
双金属温度计。温度计应配套温度计套管，它们之间的连接为½ "NPT。温度计指示盘的公称直径一般为 100 mm。
（4）温度计套管
一般温度计套管通常采用锥形整体钻孔，其材料较低为 316SS。其它材质可根据工艺条件的要求选用。按照 ANSI B16.5，过程连接通常为 1½ "法兰。其插入深度应在详细设计时根据管道或设备的尺寸、连接或安装形式来确定。对介质中含有颗粒的，温度计保护套管应进行对其硬化处理：喷涂碳化钨或堆焊斯太莱硬质合金，防止磨蚀。
2.2 测压仪表
（1）就地压力表
对于微压、负压的测量，选用膜盒式微压计或
差压变送器。
用于微小压力（500Pa）以下时，选用微差压变送器；对于粘稠、易结晶及腐蚀性介质，选用法兰式压力变送器。
压力变送器与过程连接采用 1/2”NPT 锥管螺纹，法兰式变送器采用制造厂家标准。
2.3 液位仪表
液体液位测量通常使用差压变送器。易结晶、堵塞的场合尽量采用远传隔膜式差压变送器。其他液位测量仪表，如电容导纳式，音叉式、雷达式、超声波式等，可以根据工艺条件和实际环境考虑使用。
在工艺条件允许的地方，
磁性液位计可以用作现场液位仪表，一般由设备配套提供，不在仪表设计范围内。
2.3.1 离心干相搅拌罐及干燥塔料位的测量
离心干相搅拌罐带导热油夹套伴热，为介质高温粘稠、易结晶、含有固体颗粒：离心干相干燥塔底介质高温固渣高；上述工况恶劣，如采用雷达式、超声波式、差压式等液位计，无法正常测量使用。
离心干相搅拌罐及离心干相干燥塔料位选用γ放射性仪表，射源要活度必须取得辐射安全许可证。
2. 3.1.1 γ 射线液位计的测量原理
γ 射线液位计是利用 γ 射线能够穿透物质，并在物质中减弱的特征，对物位进行检测，是利用物料对γ射线的阻挡作用进行物位测量的仪表。除了 γ 射线料位计，还有中子物位计等用其他类型的射线进行物位测量的仪表，都属于同位素物位计。
γ 射线料位计特别适应于高温、高压、高腐蚀、高粘度等恶劣条件下料位的测量，被测物质可以为粉末或颗粒固体，也可以为液体。γ 射线料位计原理与中子物位计不一样，一般只用于两相界面的情况，而不适用于多界面测量情况。
由于其非接触特性，故而可适应的料仓压力、物料温度值、粉尘状况、粘度、腐蚀性等极端参数都很高，对温度、压力、粉尘、粘度、腐蚀的适应性可谓物位仪表中之较。
2. 3.1.2 γ 射线料位计的组成
(1)放射源及其源容器
放射源一般选用铯-137(Cs)，铯-137 半衰期 30.2 年。放射源外形很小，一般用的放射源经过 氩弧 焊多层 密封 后，尺 寸大 小为Φ10×10mm 左右，或 Φ8×10mm、Φ10×12mm。但为了对射线进行防护，使其通过一个狭小扇区穿过设备，需将放射源放入铅容器中，铅容器一般为几十公斤甚至几百公斤重。不同厂家的铅容器，尺寸、形状、对接法兰等规格会有不同，铅容器带有锁闭装置，不用放射源时可以关闭。
对某个特定的被测条件，放射源的选择需要经过周密计算，才能确定具体类型和活度。计算放射源时，放射源和探测器的安装位置、射线出射方向、射线扇区大小、被测物料量程、料仓壁厚及材质、料仓内部物料、料仓内部压力及气相等都是需要考虑的重要参数。
(2)探测器
探测器也称探头、接收器，主要用于探测射线，并将射线产生的光信号转化为电信号。主流探测器内部主要元器件为:闪烁晶体、光电倍增管、前置电路。射线照射到闪烁晶体上，会产生光子，光子与光电倍增管表面涂的光感材料(称为光阴级)撞击，光子的能量被光阴级材料中的电子吸收，电子获得能量，离开光阴级材料 。光电倍增管将光阴极接受到的电子进行倍增后，输出给前置电路部分进行整形、滤波、运算等处理。
(3)转换器
转换器的功能是将探测器输出的电信号转换为标准电流信号并输出给 DCS。转换器一般置于非防爆的机柜间，转换器上带显示表。当前很多较为先进的仪表会将探测器和转换器整合为一体，统称为探测器。这样，γ射线料位计就包括 2 个主要部分:放射源、探测器。
2. 3.2 沥青减压塔等液位的测量
由于所测介质均粘稠且含有固体颗粒，且真闪部分为负压，要求仪表具有防堵塞、耐腐蚀、耐高温以及防止负压损坏等性能。液位测量仪表采用远传隔膜式差压变送器。为防止堵塞，取压管要求加粗，不小于DN50。若配置连通管，连通管与设备的连接尺寸为 DN80。液相导压管向设备或管道一侧有一定的倾角，并增加冲洗油。
2. 3.3 沉降罐等液位的测量
沉降罐的介质粘稠、含有固体颗粒，液位计选用 高频 雷达， 且频 率必须 大于 等于140GHz,即使挂料，在 140GHz 频率下，信号不受影响。
2.4 流量仪表
一般采用差压式流量测量仪表，节流元件有孔板、文丘里或喷嘴、楔形节流件等。对于沥青等粘稠、固体颗粒冲刷的场合，选用楔形流量计。洁净气体、蒸汽和液体的大中流量选用涡街流量计，管子震动和泵出口，不宜选用该流量计。对于管道尺寸小于 2"的较小流量测量，就地测量选用金属管转子流量计。其他形式的流量测量仪表可以根据工艺参数、精度和量程等因素综合考虑。
装置中沥青流量的测量：由于流动的沥青油渣含有固体颗粒，对于节流元件的冲蚀比较严重，要求楔形流量计的节流件、法兰、取压法兰及取压短管均需要满足固体颗粒耐冲刷的标准，楔块及楔形流量计管道整体均采用硬化处理，并采用保温夹套处理。楔块为实心结构，流量计采用特殊碳化钨喷涂技术，流量计接液部分（楔形流量计管道内表面）整体喷涂碳化钨。楔块采用完全实心结构，并与流量计本体采用焊接连接，以确保楔块与流量计本体连接可靠，坚实耐用。楔块底部采用平面设计并无尖角，以保证在长期磨损、腐蚀的情况下，仍能保证楔比（H/D）不变，满足精度长期稳定运行。
2.5 气动控制阀
基本原则：本工艺包所涉及的气动控制阀包括气动两位式切断阀和气动调节阀。两位式切断阀主要用于本装置的安全联锁系统和锁斗程控系统。
控制阀的压力等级及材质不能低于与之连接的工艺管道，应根据介质特点和控制要求选型。除考虑腐蚀、磨蚀裕度、防火要求等外，还应考虑调节阀(除紧急泄压和短时放空蒸汽外)的噪音不能超过 85 dB。
在选择控制阀类型时应考虑操作及设计条件、所要处理的流体、所需可调范围、允许泄漏量、噪声等因素以及其它特殊要求。按不同需要一般选用气动薄膜单、双座，套筒调节阀或蝶阀，沥青、洗油等含有固体颗粒，粘度大的介质流量选用偏心旋转阀，调节阀的成套应包括阀门定位器、减压阀，选用智能电/气阀门定位器。
开关切断阀将选用带限位开关和电磁阀的气动切断球阀，电磁阀原则上采用 24V DC低功耗型（≤4W）。
2.5.1 沥青油渣开关切断阀
对于沥青油渣含有固体颗粒的开关切断阀，阀座及阀门流道采用硬化处理，并要求带保温夹套。要求处理后表面洛氏硬度 HRC≥65，采用碳化钨喷涂硬化。
阀门基本要求为：
双向硬密封球阀，密封等级不低于 V 级阀球、阀座堆焊硬质合金阀门动作时间＜5 秒
执行机构：由于介质粘度较大，要快速地开关，要求气缸有足够大的功率。
常减压塔进料阀
常压和减压塔进料介质为固液两相。冲刷、磨蚀较大，容易沉积堵塞，减压过程还存在闪蒸、气蚀问题。应根据该特点选用角型减压阀。减压阀应采用角阀，并考虑闪蒸需要和气蚀问题。入口原则上不缩径，出口尺寸比进口尺寸大。阀体结构采用文丘里扫流型角阀。该类型阀门为流闭型，介质流向为侧进底出，具有一定的自洁功能。阀座及阀门流道采用硬化处理。要求处理后表面洛氏硬度 HRC≥65，建议采用碳化钨喷涂硬化。
2.5.3 锁斗系统阀门
锁斗系统负责离心干相干燥塔的定期排灰渣，一般 20 分钟到 30 分钟排灰渣一次。主要设备是锁渣罐（锁斗）。主要阀门有锁斗进口阀、出口阀、充压阀、抽真空阀等，基本步骤为：抽真空－进料－充压－卸料，由 DCS程控完成周期性循环过程。干燥塔灰渣温度高、成分复杂，含有大量灰渣颗粒，冲刷磨损大，加之阀门动作频繁，充压、泄压过程阀门要承受一定的压差，这就给程控阀的安全、长周期运行带来很大困难。基于以上原因，锁渣阀需要一些特殊的设计。此处对锁斗较重要的三个阀：锁斗进口阀、锁斗出口阀进行说明。
执行机构：选双作用气缸或弹簧返回式气缸，气动执行机构的 扭力矩大小，必须能在阀门较大压差的扭力矩 2 倍以上工作，保证能可靠操作。动作形式：两位式开关，故障位置：FC,动作时间：行程时间小于 10 秒。若配置双作用气缸则应配置可供阀门开关两次的储气罐。如果弹簧返回式气缸容量过大，根据需要也要考虑在本地配置储气罐，避免阀门动作造成系统空气压力的波动。阀门结构及材质：采用全通径球阀，阀体材质 WCB、阀芯、阀座 316 堆焊硬质合金，阀座为有补偿弹簧的弹性阀座，动态密封，采用自洁式结构。
3 结束语
在对 35 万吨/年煤液化油渣萃取生产装置进行仪表设计和选型时，要充分考虑到各种复杂、恶劣的工况， 保证压力、温度、液位、流量和控制阀等仪表选型满足工艺要求。本文中的仪表设计及选型设置方案已成功运用在了某大型公司的 35 万吨/年煤液化油渣萃取生 产装置中
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