煤化工仪表选型设计要点及相关标准规范

2019/4/2 0:03:40 人评论 次浏览 分类:技术方案  文章地址:/tech/2420.html

煤化工是指以煤为原料,经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程,主要包括煤的气化、液化、干馏,以及焦油加工和电石乙炔化工等。在进行煤化工仪表选型设计时,应该根据具体工业环境和条件进行选择,煤化工仪表仪表应该具备以下三个条件:适用性、可靠性、稳定性。


一、煤化工仪表选型设计应遵循的标准及规定

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深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程
12、GB 50030-2013氧气站设计规范

二、煤化工仪表选型设计必须清楚的基本知识和概念

 煤化工仪表使用场合经常存在易燃易爆的工况,工程师在对仪表选型设计时必须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和鉴别以往使用经验,这个过程必然涉及一些专业知识。昌晖仪表在下面对这些专业基础知识和概念做介绍。

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。
火灾三要素
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

①IGC DOC 13/12/E《OXYGEN PIPELINE AND PIPINGSYSTEMS》中将氧气工况划分为“撞击场合”和“非撞击场合”
②其定义为:使氧气流动方向突然改变或产生漩涡的位置,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。
③“撞击场合”容易发生激发能源,引起燃烧和爆炸,是危险场合,安全控制要求更加严格。

撞击场合主要指有三通(从支管进入总管的气流)、承插焊三通及弯头、支管接头(比如焊接支管、对焊凸台、承插凸台及螺纹凸台)、阀门、孔板、入口与出口缩径比大于3:1的异径接头(偏心和同心)(用于流量从大到小)、温度计套管的工况。


非撞击场合主要指直管道、对焊三通、具有长(或平滑)的弯曲半径(用于从主管流到支管)、长半径弯头(≥1.5直径)、所有内表面打磨平滑的,由6件(5个焊缝)作成的90°斜接弯头以及由3个(2个焊缝)作成45°弯头、具有最大3:1缩径比的偏心和同心异径接头的工况


IGC DOC 13/12/E标准对流速的限制

◆IGC DOC 13/12/E标准适用于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
①0.3MPaA<压力<1.5MPaA,流速<30m/s
②1.5MPaA<压力<10MPaA,压力×流速<45MPa.m/s
③10MPaA<压力<20MPaA,流速<4.5m/s

◆非撞击场合

①0.3MPaA<压力<1.5MPaA,流速<60m/s
②1.5MPaA<压力<10MPaA,压力×流速<80MPa.m/s
③10MPaA<压力<20MPaA,流速<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,则此时不需要考虑流速限制,IGC DOC13/12/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。以下是常用金属材料最小厚度与豁免压力对照表:

常用金属材料最小厚度与豁免压力对照表

金属的选择

金属的选择应根据其阻燃性和引燃速率,煤化工仪表(温度仪表、压力仪表、流量仪表和阀门等)在设计选型时金属材料选用都要考虑阻燃性和引燃速率技术指标。

以下是一些常用的阀门材料的比较

◆金属阻燃性能排行(从强到弱排序)
①铜、铜基合金、镍-铜合金阻燃性能最强
②不锈钢(300系列)
③碳钢
④铝,铝的阻燃性能最弱
◆金属引燃速率排行(从慢到快排序)
①铜、铜基合金、镍-铜合金引燃速率最慢
②碳钢
③不锈钢(300系列)
④铝,铝的引燃速率最快
需要注意:不锈钢一旦被引燃,其燃烧速度快于碳钢,然而奥氏体不锈钢(300系列)仍认为优于碳钢,是基于高阻燃性。

5、氧环境下系统相容性评估程序

①确定最恶劣的操作条件
②评估系统中的可燃物质
③ 评估现有及可能出现的点燃机制
④ 确定着火链-潜在的火险
⑤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
⑥ 鉴别以往使用经验
⑦出具分析结果报告

煤化工仪表选型实例和探讨

1、煤化工温度仪表选型
以某厂空分装置为例,低压氧气管道介质温度20℃,操作压力6.0MPaG,密度1.43kg/Nm3,管径DN200(219×13mm),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,压力×流速=45.6MPa.m/s<80MPa.m/s,但温度度计套管使用为撞击工况,压力×流速>45MPa.m/s,且在临界值附近,因此温度计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,以迅速减少流体变化对后续管道的影响。

2、煤化工压力仪表选型

测量元件一般选用monel400;如选用填充液,针对氧气工况要选用填充液是氟油的压力变送器,并且要对压力变送器进行清洗处理(脱脂);导压管材质选择建议选择镍基合金,因在开车工况下,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。如气流受到阻碍,气体压缩变热,压差越大,温度越高,易产生危险。

3、煤化工流量仪表

尽量选择流速变化小,对流向改变小,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(219×8mm),材质304。
通过计算氧气流速为6.75m/s,压力×流速=31.7MPa.m/s<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,而此场合为撞击工况[入口与出口缩径比大于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,压力×流速=83.7MPa.m/s<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。

4、煤化工阀门-材质选择

以某气化工况为例,氧气管道DN80(Φ88.9×5.49mm),氧气压力7.6MPaA,温度40℃,输送氧量为8000Nm3/h。氧气流速计算值为7.16m/s。压力×流速=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,保持与管有管道同口径。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,且注意与管道专业的配合。

阀门流向选择

相同的组件在不同的场合下所受冲击不相同。如图所示,优选流向为图A和C,这种配置可以减少流体高速撞击,也可提供一定程度的流量控制在打开过程中(取决于阀杆/阀芯特性)。如B和D所示流向下阀杆密封完全暴露于高压差下(阀门完全关闭时),冲击较为严重,因此不推荐。
煤化工阀门流向选择

总结和建议

针对氧气的设计安全,建议建立氧气仪表选型设计完整的分析程序,清洗程序,记录文件
文章内容源自中国天辰工程有限公司PPT

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