合成氨变换工段仪表选型与工程实现

唐文冬

（广西安生安全技术有限公司，广西 南宁 530000）

引言

合成氨为当化工行业的原料基础，合成氨除了在农业中有广泛应用外，还在工业、国防以及人民生活中占据着非常重要的地位。目前，我国合成氨工厂虽然在各自工序环节中已经初步实现了自动化的控制，但是各个工序均是相对独立的[1]。随着DCS 系统的应用，实现对合成氨各个工序环节的集中控制，对于提升产品的生产效率，降低生产成本具有重要意义。本文以60 万t 合成氨产量的工厂为例开展研究，该工厂为了提高煤炭的利用率，配套了最为先进的粉煤加压气化技术；为满足合成氨的产量和生产成本等要求，对合成氨的集中控制改造势在必行，以变换工段为例对现场仪表进行选型，并完成了工程实现设计。

1 变换工段控制系统概述

合成氨工厂的关键工序包括有气化、空分、变换、硫回收、脱硫脱碳处理等；此外，还包括有污水治理、给谁、脱盐水、中水回用等辅助工序。总的来讲，该工厂合成氨的工艺流程相对较长；据统计，从最初的气化工序到最终氨合成总共包含了24 个工序段，涉及到的操作站为58 台，ESD 控制柜有2 台。

重点以合成氨工厂中的变换工段为例开展研究。所谓变换工段指的是由气化工序所产生的粗煤气经过气液分离器、变换炉中的变换反应后进入脱硫脱碳的工序段。对变换工段的集中控制主要是对该区域中工艺生产中涉及到的温度、压力、流量、液位以及气体分析等参数进行检测分析和控制；同时，基于DCS 控制系统还需对该区域内产生的有毒或者可燃气体进行检测，并对超标情况进行报警。

根据合成氨工厂中变换工段的工艺要求，其自动化控制技术方案，如图1 所示。

图1 合成氨变换工段自动化控制技术方案

根据现场工艺要求，为合成氨变换工段设计198个控制点，具体分配方案，如表1 所示。

表1 合成氨变换工段控制点分配

2 变换工段仪表选型

合成氨工厂变换工段的仪表类型包括有检测、显示、控制、执行等类型；各类仪表均发挥其应用的作用和功能，对保证合成氨工厂变换工段的安全运行具有重要意义。

2.1 变换工段仪表的选型原则

现场各类仪表均具有不同的功能和作用，在选型时需综合结合合成氨工程变换工段的工艺条件和实际工况对仪表进行选型，尤其是需要遵循相关的标准的原则，具体如下：

1）变化工段仪表的选型，需重点考虑仪表应用设备的特点、工艺条件以及工况等。比如：仪表所应用的工艺条件、压力以及化工行业中需特殊考虑的是否存在腐蚀性的特点等；

2）针对合成氨工程的地域环境特点，对仪表的耐温性、防雷措施等均需要特殊考虑；

3）尽量保证所选型仪表的国产化替代工作，以确保仪表的售后的短周期、快速响应[2]。

2.2 温度监测仪表的选型

温度为合成氨工厂必不可少的监测的参数，常见的监测温度仪表包括有热电阻、热电偶、双金属温度计以及一体化温度变送器等。各类温度仪表根据其工艺和特点综合选用。其中，根据变换工段的工艺要求，测量范围在500 ℃以下的选用热电阻温度计；测量范围在500 ℃以上的选用热电偶温度计；上述两种仪表均可实现数据的远距离传输；而对于现场温度的监测需求，一般选用双金属温度计。鉴于合成氨工厂生产的恶劣性，需要将热电阻和热电偶温度计安装在保护套管中，并通过法兰式的形式实现与设备的连接；采用螺旋连接方式实现与管道的连接[3]。

本项目所选型的热电阻仪表类型为Pt100；根据应用场所为Pt100 热电阻仪安装相应等级的保护套；为保证测量结果的准确性，要求热电阻仪表插入管道工程直径的1/3 至2/3 处。为热电阻仪表安装的外保护套管的结构，如图2 所示。

图2 热电阻仪表外保护套管结构示意图

在高温测量区域，采区热电偶温度计，根据合成氨变换工段的工艺要求，本项目选用的热电偶的温度最高测量限值为2 500 ℃，选用热电偶的类型为装配式热电偶。

本项目合成氨变换工段需要对现场温度测量，根据现场温度测量要求，本项目采用精度为±1.5%，表盘为150 mm 的表盘；并根据现场公称压力大于5 MPa 的工况特点，为双金属温度计配套整体钻孔锥形保护管。

2.3 压力监测仪表的选型

常见的压力仪表包括有压力变送器、隔膜密封压力变送器、差压变送器和就地压力表等。合成氨变换工段的最大测量压力为3.67 MPa；因此，本项目采用普通压力变送器即可满足实际工况的应用要求。同时，鉴于合成氨工程变换工段工艺中存在易结晶、有毒介质的组分。综上所述，本项目在工艺管路中选用隔膜密封压力变送器[4]。

本项目中气液分离器的冷凝管温度为145 ℃，额定工况为4.55 MPa；而且，该气液分离器中存在硫化氢等腐蚀性气液体对变送器造成腐蚀。因此，本项目选用DC704 硅油为填充液的隔膜密封式压力变送器。

2.4 流量监测仪表

常见的流量仪表包括有节流装置、涡街流量计、金属管浮子流量计、电磁流量计以及椭圆齿轮流量计。根据合成氨变换工段的工艺环节和要求，对其流量计的选型结果如下：

1）针对温度小于500 ℃，管路直径小于300 mm的蒸汽流量的监测选用涡街流量计；而对于除蒸汽外的液体流量的监测选用节流装置流量变送器；针对除蒸汽之外的普通其他流量的监测选用德尔塔流量计。

2）针对管路直径小于25 mm 的管路选用金属管浮子流量计对其流量进行监测。

3 合成氨变换工段工程实现

上述关键仪表的选型是实现合成氨变换工段自动化控制和管理的基础。结合变换工段的工艺条件需求，实现对各个环节的分散和集中控制。经实践表明，合成氨工厂变换工段开始运行后，现场各个仪表的运行状况良好，而且可以实现稳定的运行[5]。同时，现场作业人员可以实时的掌握现场各个位置的工况信息，从而实现对各个回路的精准控制，提高了系统运行的安全性和可靠性；解决了由于控制系统的故障而导致停车的问题，从而提高了合成氨的生产效率。

4 结语

合成氨作为基础化工原料，其在国民经济发展中应用广泛，包括在农业、工业以及国防等领域。随着DCS 系统的应用，实现对合成氨各个工序环节的集中控制，对于提升产品的生产效率，降低生产成本具有重要意义。本文重点结合合成氨变换工段工艺要求完成了关键仪表的选型，尤其是关于温度仪表、压力仪表以及流量仪表的选型。通过实践表明，所选型仪表在合成氨变化工段与DCS 控制系统应用后极大提升了合成氨变换工段运行的安全性和可靠性，对于提升合成氨的生产效率具有重要意义