煤化工是指以煤為原料，經(jīng)化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體燃料以及化學(xué)品的過(guò)程，主要包括煤的氣化、液化、干餾，以及焦油加工和電石乙炔化工等。在進(jìn)行煤化工儀表選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體工業(yè)環(huán)境和條件進(jìn)行選擇，煤化工儀表儀表應(yīng)該具備以下三個(gè)條件：適用性、可靠性、穩(wěn)定性。
一、煤化工儀表選型設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定
1、IGC DOC 13/12/E Oxygen Pipeline and Piping Systems
2、ASTM MNL36-2007 Safe Use of Oxygen and Oxygen Systems:Handbookfor Design, Operation, and Maintenance
3、ASTM G63-1999 Standard Guide for Evaluating Nonmetallic Materialsfor Oxygen Service
4、ASTM G88-2005 Standard Guide for Designing Systems for OxygenService
5、ASTM G94-2005 Standard Guide for Evaluating Metals for OxygenService
6、ASTM G128-2002 Standard Guide for the Control of Hazards andRisks in Oxygen Systems
7、NASA Guide for Oxygen Hazards Analyses on Components andSystems
8、NASA Guide for Oxygen Compatibility Assessments on OxygenComponents and Systems
9、AIGA 012/04 CLEANING OF EQUIPMENT FOR OXYGEN SERVICE
10、ASTM G86-1998, Standard Test Method for DeterminingIgnitionSensitivity of Materials to Mechanical Impact in Pressurized OxygenEnvironments
11、GB 16912-2008深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程
12、GB 50030-2013氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范
二、煤化工儀表選型設(shè)計(jì)必須清楚的基本知識(shí)和概念
煤化工儀表使用場(chǎng)合經(jīng)常存在易燃易爆的工況，工程師在對(duì)儀表選型設(shè)計(jì)時(shí)必須確定最惡劣的操作條件、評(píng)估系統(tǒng)中的可燃物質(zhì)、評(píng)估現(xiàn)有及可能出現(xiàn)的點(diǎn)燃機(jī)制、 確定著火鏈(潛在的火險(xiǎn))、分析了反應(yīng)的影響-火災(zāi)造成人身、任務(wù)和系統(tǒng)功能的潛在損失和鑒別以往使用經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)過(guò)程必然涉及一些專業(yè)知識(shí)。昌暉儀表在下面對(duì)這些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和概念做介紹。
1、火災(zāi)三要素
引起火災(zāi)需要有三個(gè)要素：氧化劑，燃料和點(diǎn)火能量。大氣中的火災(zāi)可以通過(guò)消除三個(gè)要素之一來(lái)預(yù)防，但在氧氣系統(tǒng)中它們是無(wú)法分開(kāi)的。含有氧氣的閥門,調(diào)壓閥, 管道, 接頭以及其它元件實(shí)際上就是燃料，著火能量來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì), 元件選擇, 結(jié)構(gòu)材料,加工方法以及系統(tǒng)操作和維護(hù)需要根據(jù)規(guī)范和程序進(jìn)行選擇。
2、著火鏈
當(dāng)系統(tǒng)中釋放出少量能量，并點(diǎn)燃某種燃點(diǎn)溫度較低的材料，或某種較小質(zhì)量和較大表面面積的粒子時(shí)，著火鏈即開(kāi)始。一旦較小的物體被點(diǎn)燃，其產(chǎn)生的熱量會(huì)點(diǎn)燃燃點(diǎn)溫度較高的較大材料，從而產(chǎn)生出更多的熱量，直到火焰可以自持。
常見(jiàn)的點(diǎn)火機(jī)制：機(jī)械撞擊、粒子撞擊、摩擦、壓縮加熱。
3、撞擊工況定義
①IGC DOC 13/12/E《OXYGEN PIPELINE AND PIPINGSYSTEMS》中將氧氣工況劃分為“撞擊場(chǎng)合”和“非撞擊場(chǎng)合”
②其定義為：使氧氣流動(dòng)方向突然改變或產(chǎn)生漩渦的位置，從而引起氧氣中夾帶的顆粒對(duì)管壁的撞擊，這樣的位置稱作撞擊場(chǎng)合，否則稱為非撞擊場(chǎng)合。
③“撞擊場(chǎng)合”容易發(fā)生激發(fā)能源，引起燃燒和爆炸，是危險(xiǎn)場(chǎng)合，安全控制要求更加嚴(yán)格。
撞擊場(chǎng)合主要指有三通(從支管進(jìn)入總管的氣流)、承插焊三通及彎頭、支管接頭(比如焊接支管、對(duì)焊凸臺(tái)、承插凸臺(tái)及螺紋凸臺(tái))、閥門、孔板、入口與出口縮徑比大于3:1的異徑接頭(偏心和同心)(用于流量從大到小)、溫度計(jì)套管的工況。
非撞擊場(chǎng)合主要指直管道、對(duì)焊三通、具有長(zhǎng)(或平滑)的彎曲半徑(用于從主管流到支管)、長(zhǎng)半徑彎頭(≥1.5直徑)、所有內(nèi)表面打磨平滑的，由6件(5個(gè)焊縫)作成的90°斜接彎頭以及由3個(gè)(2個(gè)焊縫)作成45°彎頭、具有最大3:1縮徑比的偏心和同心異徑接頭的工況
IGC DOC 13/12/E標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流速的限制
◆IGC DOC 13/12/E標(biāo)準(zhǔn)適用于150℃(302℉)以下設(shè)計(jì)溫度的碳鋼管以及200℃(392℉)設(shè)計(jì)溫度的不銹鋼管
◆撞擊場(chǎng)合
①0.3MPaA＜?jí)毫Γ?.5MPaA，流速＜30m/s
②1.5MPaA＜?jí)毫Γ?0MPaA，壓力×流速＜45MPa.m/s
③10MPaA＜?jí)毫Γ?0MPaA，流速＜4.5m/s
◆非撞擊場(chǎng)合
①0.3MPaA＜?jí)毫Γ?.5MPaA，流速＜60m/s
②1.5MPaA＜?jí)毫Γ?0MPaA，壓力×流速＜80MPa.m/s
③10MPaA＜?jí)毫Γ?0MPaA，流速＜8m/s
4、豁免壓力
根據(jù)不同的金屬可燃性，對(duì)于氧氣的流速有一定的限制要求。如果阻燃合金在管道的設(shè)計(jì)壓力下能阻燃，則此時(shí)不需要考慮流速限制，IGC DOC13/12/E給出了豁免壓力這一概念，即豁免壓力為金屬免除考慮流速限制的最小壓力。
基于豁免壓力仍需考慮金屬材料的厚度。以下是常用金屬材料最小厚度與豁免壓力對(duì)照表：
金屬的選擇
金屬的選擇應(yīng)根據(jù)其阻燃性和引燃速率，煤化工儀表(溫度儀表、壓力儀表、流量?jī)x表和閥門等）在設(shè)計(jì)選型時(shí)金屬材料選用都要考慮阻燃性和引燃速率技術(shù)指標(biāo)。
以下是一些常用的閥門材料的比較
◆金屬阻燃性能排行(從強(qiáng)到弱排序)
①銅、銅基合金、鎳-銅合金阻燃性能最強(qiáng)
②不銹鋼(300系列)
③碳鋼
④鋁，鋁的阻燃性能最弱
◆金屬引燃速率排行(從慢到快排序)
①銅、銅基合金、鎳-銅合金引燃速率最慢
②碳鋼
③不銹鋼(300系列)
④鋁，鋁的引燃速率最快
需要注意：不銹鋼一旦被引燃，其燃燒速度快于碳鋼，然而奧氏體不銹鋼(300系列)仍認(rèn)為優(yōu)于碳鋼，是基于高阻燃性。
5、氧環(huán)境下系統(tǒng)相容性評(píng)估程序
①確定最惡劣的操作條件
②評(píng)估系統(tǒng)中的可燃物質(zhì)
③ 評(píng)估現(xiàn)有及可能出現(xiàn)的點(diǎn)燃機(jī)制
④ 確定著火鏈-潛在的火險(xiǎn)
⑤分析了反應(yīng)的影響-火災(zāi)造成人身、任務(wù)和系統(tǒng)功能的潛在損失
⑥ 鑒別以往使用經(jīng)驗(yàn)
⑦出具分析結(jié)果報(bào)告
煤化工儀表選型實(shí)例和探討
1、煤化工溫度儀表選型
以某廠空分裝置為例，低壓氧氣管道介質(zhì)溫度20℃，操作壓力6.0MPaG，密度1.43kg/Nm3，管徑DN200(219×13mm)，最大流量44000Nm3/h，管道材質(zhì)0Cr18Ni9，在此管道上需設(shè)置遠(yuǎn)傳溫度計(jì)一支。
通過(guò)計(jì)算氧氣流速為7.61m/s在非撞擊場(chǎng)合下，壓力×流速=45.6MPa.m/s＜80MPa.m/s，但溫度度計(jì)套管使用為撞擊工況，壓力×流速＞45MPa.m/s，且在臨界值附近，因此溫度計(jì)套管材質(zhì)需選用鎳基合金，并通過(guò)減少插入深度，增大管道截面積，以迅速減少流體變化對(duì)后續(xù)管道的影響。
2、煤化工壓力儀表選型
測(cè)量元件一般選用monel400；如選用填充液，針對(duì)氧氣工況要選用填充液是氟油的壓力變送器，并且要對(duì)壓力變送器進(jìn)行清洗處理(脫脂)；導(dǎo)壓管材質(zhì)選擇建議選擇鎳基合金，因在開(kāi)車工況下，會(huì)出現(xiàn)壓縮加熱現(xiàn)象，即打開(kāi)根部閥時(shí)氧氣從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域，體積膨脹，速度增加。如氣流受到阻礙，氣體壓縮變熱，壓差越大，溫度越高，易產(chǎn)生危險(xiǎn)。
3、煤化工流量?jī)x表
盡量選擇流速變化小，對(duì)流向改變小，撞擊不嚴(yán)重的測(cè)量方式如文丘里管。以某氣化工況為例，進(jìn)氧氣加熱器前氧氣流量測(cè)量，流體溫度34℃，操作壓力4.7MPaA，流量32270Nm3/h，管道口徑DN200(219×8mm)，材質(zhì)304。
通過(guò)計(jì)算氧氣流速為6.75m/s，壓力×流速=31.7MPa.m/s＜80MPa.m/s，管道材質(zhì)選用不銹鋼是沒(méi)有問(wèn)題的。為保證測(cè)量精度，節(jié)流裝置孔徑比宜大于2:1，而此場(chǎng)合為撞擊工況[入口與出口縮徑比大于3:1的異徑接頭(偏心和同心)]，通過(guò)選擇文丘里管喉部口徑為125mm，可計(jì)算出喉部流速為17.92m/s，壓力×流速=83.7MPa.m/s＜80MPa.m/s，因此文丘里管喉部及擴(kuò)散段應(yīng)采用鎳基合金材質(zhì)，同時(shí)為保持流量計(jì)的整體性，建議進(jìn)入文丘里管整體使用鎳基合金材質(zhì)。
4、煤化工閥門-材質(zhì)選擇
以某氣化工況為例，氧氣管道DN80(Φ88.9×5.49mm)，氧氣壓力7.6MPaA，溫度40℃，輸送氧量為8000Nm3/h。氧氣流速計(jì)算值為7.16m/s。壓力×流速=54.416，根據(jù)管道中氧氣最高允許流速，閥門材料不允許使用奧氏體不銹鋼，7.6MPa低于monel400、monel K500的豁免壓力，閥芯閥座的選擇monel合金，且閥芯閥座不要做硬質(zhì)堆焊。且盡量不要縮頸處理，保持與管有管道同口徑。同時(shí)需考慮管道材質(zhì)的溫壓曲線和閥體材料的溫壓曲線是否一致，如不能配合，需要調(diào)整閥門法蘭連接的壓力等級(jí)，且注意與管道專業(yè)的配合。
閥門流向選擇
相同的組件在不同的場(chǎng)合下所受沖擊不相同。如圖所示，優(yōu)選流向?yàn)閳DA和C，這種配置可以減少流體高速撞擊，也可提供一定程度的流量控制在打開(kāi)過(guò)程中(取決于閥桿/閥芯特性)。如B和D所示流向下閥桿密封完全暴露于高壓差下(閥門完全關(guān)閉時(shí))，沖擊較為嚴(yán)重，因此不推薦。
總結(jié)和建議
針對(duì)氧氣的設(shè)計(jì)安全，建議建立氧氣儀表選型設(shè)計(jì)完整的分析程序，清洗程序，記錄文件 。
文章內(nèi)容源自中國(guó)天辰工程有限公司PPT
