摘 要: 為了提高氟化工裝置儀表的安全性，降低企業(yè)生產(chǎn)的成本，防止和減少因儀表選型不當(dāng)造成的安全事故的發(fā)生，結(jié)合作者多年氟化工裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，概括介紹了氟化工生產(chǎn)裝置溫度、壓力、液位、流量、調(diào)節(jié)閥以及開關(guān)閥等儀表設(shè)計(jì)選型與應(yīng)用情況。
0、前言：
  隨著中國(guó)氟化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，新建和改造氟化工裝置越來(lái)越多，對(duì)于自控儀表的設(shè)計(jì)選型及應(yīng)用亦顯得越來(lái)越重要。自控儀表的設(shè)計(jì)選型對(duì)于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、確保生產(chǎn)的安全性、提升產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要的作用。
 大部分氟化工裝置的工藝介質(zhì)有不少具有易燃、易爆、有毒、強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)滲透性等特點(diǎn)，針對(duì)氟化工這些介質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)自控儀表的檢測(cè)原件的材質(zhì)、工藝連接形式以及防爆等級(jí)提出了具體要求。
  對(duì)于涉及到有重大危險(xiǎn)源的、需要設(shè)置安全儀表系統(tǒng)緊急停車或者聯(lián)鎖的氟化工裝置，測(cè)量?jī)x表和執(zhí)行元件需采用滿足安全儀表認(rèn)證并符合標(biāo)準(zhǔn)的安全儀表，氟化工安全儀表系統(tǒng)定性分析安全完整性等級(jí)一般不超過(guò) SIL2 級(jí)。
 
1、溫度儀表：
1． 1、反應(yīng)器熱電偶：
   HCFC － 22、HFC － 32 等裝置的立式氟化反應(yīng)器溫度的控制非常重要，采用多點(diǎn)熱電偶，可以測(cè)量不同深度的溫度，有利于掌握反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)溫度的分布。另外，反應(yīng)器內(nèi)溫度、壓力較高，介質(zhì)具有腐蝕性，設(shè)備內(nèi)部設(shè)置了溫度計(jì)保護(hù)管，保護(hù)溫度計(jì)免受介質(zhì)腐蝕。
   四氟乙烯生產(chǎn)裝置的裂解反應(yīng)器屬于管式反應(yīng)器，由于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的原因，只能測(cè)量其表面溫度，因此采用了表面接觸式熱電偶。熱電偶采用直徑為 6 mm 的鎧裝原件作為測(cè)溫探頭，補(bǔ)償導(dǎo)線引至熱電偶接線盒。在反應(yīng)器表面，將帶有與反應(yīng)器曲面相吻合的感溫片焊接或抱箍在反應(yīng)器外壁上，熱電偶的分度號(hào)為 K 型。圖 1 為反應(yīng)器熱電偶示意圖。
 

圖 1 反應(yīng)器熱電偶

1． 2、工藝設(shè)備及管道溫度計(jì)：
  工藝設(shè)備及管道就地溫度計(jì)選用雙金屬溫度計(jì)，400 ℃ 以下的遠(yuǎn)傳溫度計(jì)采用 Pt100 熱電阻。對(duì)于溫度不高、有腐蝕性介質(zhì)的塑料管道或碳鋼襯 PTFE 管道上的溫度計(jì)采用法蘭安裝，溫度計(jì)保護(hù)管采用不銹鋼外包 PTFE 的雙金屬溫度計(jì)或裝配式熱電阻。對(duì)溫度較高、有腐蝕性介質(zhì) ( 例如AHF) 的管道上的溫度計(jì)采用法蘭安裝，溫度計(jì)保護(hù)管材質(zhì)采用 Inconel600。對(duì)于普通鋼管道上的溫度計(jì)采用螺紋連接。
 對(duì)于塔器設(shè)備上的溫度計(jì)，可要求設(shè)備供貨商自帶溫度計(jì)套管，采用鎧裝熱電阻。設(shè)備自帶溫度計(jì)套管方便溫度計(jì)的在線檢修和維護(hù)，也降低了因介質(zhì)腐蝕嚴(yán)重而造成泄漏的可能性。

2、壓力儀表：
  氟化工裝置的集中壓力儀表形式基本有兩類:一類是普通引壓管連接的壓力( 差壓) 變送器，另外一類是帶隔膜膜片的壓力( 差壓) 變送器。
  帶有隔離膜片的壓力( 差壓) 變送器一般用于含有氫氟酸或鹽酸等腐蝕性介質(zhì)的管道或者設(shè)備上，隔膜材質(zhì)一般選用不銹鋼噴涂 PTFE，這樣對(duì)溫度不高、有腐蝕性的介質(zhì)起到防腐作用。
  由于無(wú)水氟化氫( AHF) 在一般情況下對(duì)普通金屬管道的腐蝕性很低，但在 100 ℃ 左右對(duì)金屬的腐蝕性非常大，理論上這種工況下測(cè)量壓力膜片材質(zhì)選用不銹鋼噴涂 PTFE 是可行的，而且比較經(jīng)濟(jì)，但在實(shí)際應(yīng)用中膜片材質(zhì)很快就會(huì)被腐蝕，效果很差。若膜片采用哈氏合金 C 鍍金在實(shí)際應(yīng)用中安全性高，使用效果相對(duì)較好，但價(jià)格相對(duì)較高。
 
3、液位儀表:
  目前，氟化工裝置液位儀表一般采用常規(guī)的磁翻柱液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、雙法蘭液位計(jì)以及射頻導(dǎo)納液位計(jì)等。
 
3． 1、磁致伸縮液位計(jì):
  磁致伸縮液位計(jì)的傳感器測(cè)量桿外配有一浮子，浮子內(nèi)部有一組磁環(huán)，此浮子可以沿測(cè)量桿隨液位的變化而上下移動(dòng)。傳感器的電路部分將在波導(dǎo)絲上激勵(lì)出脈沖電流，該電流沿波導(dǎo)絲傳播時(shí)會(huì)在波導(dǎo)絲的周圍產(chǎn)生脈沖電流磁場(chǎng)。當(dāng)脈沖電流磁場(chǎng)與浮子產(chǎn)生的磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí)，浮子周圍的磁場(chǎng)發(fā)生改變從而使得由磁致伸縮材料做成的波導(dǎo)絲在浮子所在的位置產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)波脈沖，這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回并由檢出機(jī)構(gòu)檢出。通過(guò)測(cè)量脈沖電流與扭轉(zhuǎn)波的時(shí)間差可以地確定浮子所在的位置，即液面的位置。磁致伸縮液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):

 
4、流量?jī)x表：
  遠(yuǎn)傳流量?jī)x表以常用的流量?jī)x表為主。轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁流量計(jì)和渦街流量計(jì)占據(jù)了氟化工裝置流量?jī)x表的主流。另外還選用了孔板節(jié)流裝置( 同心) + 差壓變送器和質(zhì)量流量計(jì)等。
 
4． 1、轉(zhuǎn)子流量計(jì)：
  氟化工裝置工藝介質(zhì)一般具有流量小、量程比大、強(qiáng)腐蝕性等特點(diǎn)，而轉(zhuǎn)子流量計(jì)的優(yōu)良性能恰恰適合氟化工裝置對(duì)這些方面流量測(cè)量的要求。轉(zhuǎn)子流量計(jì)適用于小管徑、低流速的測(cè)量，對(duì)上下游的直管段要求低，降低了配管要求，流量范圍可寬至 10 ∶ 1，大多數(shù)情況能滿足工藝介質(zhì)流量波動(dòng)的要求。轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)腐蝕性介質(zhì)也能夠做到不銹鋼襯 PTFE或者采用塑料的材質(zhì)，而且相對(duì)其他流量計(jì)來(lái)說(shuō)，價(jià)格不高，經(jīng)濟(jì)性能佳。
 
4． 2、電磁流量計(jì)：
  電磁流量計(jì)主要應(yīng)用在具有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等腐蝕性導(dǎo)電介質(zhì)的氟化工裝置上。電磁流量計(jì)比轉(zhuǎn)子流量計(jì)有更寬的量程比，精度更高，可應(yīng)用于大直徑的管道，強(qiáng)酸或強(qiáng)堿介質(zhì)中也可選用耐腐蝕性的材質(zhì)。相對(duì)渦街流量計(jì)來(lái)說(shuō)前后直管段要求低，降低了配管的難度。
  對(duì)于循環(huán)水總管( 大直徑管道) ，采用插入式電磁流量計(jì)，安裝維護(hù)方便，計(jì)量精度高，造價(jià)相對(duì)較低，應(yīng)用效果比其他類型流量計(jì)更好。

4． 3、質(zhì)量流量計(jì)：
  質(zhì)量流量計(jì)具有很高的測(cè)量精度，并且測(cè)量不受流體物性的影響，無(wú)上、下直管段的要求并且可以多參數(shù)測(cè)量，如溫度、密度等，但成本較高。
  在氟化工裝置內(nèi)，質(zhì)量流量計(jì)主要應(yīng)用于進(jìn)出裝置物料計(jì)量，利用質(zhì)量流量計(jì)精度高的特點(diǎn)，方便企業(yè)成本核算，滿足其計(jì)量的需求。
  由于質(zhì)量流量計(jì)具有多參數(shù)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，在含氟污水處理裝置中用來(lái)測(cè)量含有氫氧化鈣固體顆粒污水質(zhì)量流量，同時(shí)輸出密度參數(shù)。
 
5、控制閥：
  根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)( 介質(zhì)狀態(tài)、溫度、壓力和 腐蝕性) 及閥門用途( 調(diào)節(jié)、兩位開關(guān)閥) 選用不同類型、材質(zhì)的調(diào)節(jié)閥和開關(guān)閥。一般設(shè)計(jì)閥體材質(zhì)等級(jí)不低于管道材質(zhì)等級(jí)，閥內(nèi)件( 閥芯、閥桿和閥座) 材質(zhì)選用 SS316; 對(duì)于含有腐蝕性介質(zhì) ( AHF、 HCl 等) 要求選用波紋管密封閥門。圖 2 為控制閥閥蓋結(jié)構(gòu)圖。



圖 2 控制閥閥蓋結(jié)構(gòu)

5． 1、調(diào)節(jié)閥：
  氟化工裝置內(nèi)的調(diào)節(jié)閥都選用了氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。由于氟化工裝置有不少介質(zhì)屬于易燃易爆物，防爆等級(jí)要求較高，選用氣動(dòng)閥門大大降低了因電火花可能對(duì)裝置造成的危害。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的設(shè)備及使用成本較低，并且可以利用調(diào)節(jié)閥的故障開關(guān)實(shí)現(xiàn)部分簡(jiǎn)單的聯(lián)鎖功能，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。
  氟化工裝置中對(duì)于普通氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥芯一般選用柱塞型，能夠很好地實(shí)現(xiàn)工藝所要求的參數(shù)控制，對(duì)于壓差較大的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，閥芯形式選用了套筒類的調(diào)節(jié)閥，避免了普通柱塞閥因壓差大造成的調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。
  對(duì)于腐蝕性的液體或氣體，一般選用不銹鋼襯PTFE 的氣動(dòng)閥，對(duì)溫度較高的腐蝕性氣體選用哈氏合金 C 防腐材質(zhì)，甚至選用 Inconel600 材質(zhì)，可靠性好，但成本較高。
 
5． 2、開關(guān)閥：
 與調(diào)節(jié)閥一樣，在大部分情況下開關(guān)閥選用了氣動(dòng)閥門。工藝物料介質(zhì)選用氣動(dòng)切斷球閥，尤其是關(guān)鍵部位的聯(lián)鎖或安全切斷部分，對(duì)進(jìn)入 SIS 的開關(guān)閥有安全完整性等級(jí)的要求。對(duì)于公用工程管道上的開關(guān)閥，小口徑選用開關(guān)球閥，大口徑( 200 mm 以上) 則選用了氣動(dòng)切斷蝶閥?？筛鶕?jù)不同工況，選用不同形式的開關(guān)閥，既可有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，又能滿足工藝聯(lián)鎖和安全控制的要求。
  對(duì)調(diào)節(jié)閥和開關(guān)閥在選型設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意密封填料的性能，不僅看耐溫參數(shù)，也要看耐腐蝕性能。只有將可能出現(xiàn)的情況考慮周全，才能降低儀表維護(hù)頻率，為裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行提供保證，降低企業(yè)的維修成本。
 
6、其他：
  由于氟化工裝置的特殊性，還需要設(shè)置一些用量較少但很重要的其他類型儀表。例如在線水含量分析儀、在線氧含量分析儀、在線氟離子分析儀以及可燃、有毒氣體報(bào)警儀等儀表 。
  有些工藝介質(zhì)需要確保較低的水、氧含量，用到水含量、氧含量分析儀。四氟乙烯是特別需要注意的介質(zhì)，在較低水含量、氧含量的條件下純四氟乙烯安全性較高，一旦水含量或氧含量超標(biāo)，四氟乙烯易產(chǎn)生自聚、堵塞設(shè)備、劇烈放熱，可能引起超壓或爆炸，危險(xiǎn)性極高，因此四氟乙烯生產(chǎn)裝置內(nèi)設(shè)置在線水含量、氧含量分析儀很有必要。
  對(duì)于含有易燃、易爆或有毒氣體的裝置區(qū)域，需要設(shè)置可燃或有毒氣體檢測(cè)報(bào)警器。對(duì)提高裝置安全性、保證現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全是不可缺少的儀表安全系統(tǒng)。
 
7、結(jié)束語(yǔ)：
  氟化工裝置自控設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它是由多項(xiàng)工作相互協(xié)調(diào)、相互關(guān)聯(lián)、密切合作完成的。儀表選型是自控設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作，基礎(chǔ)工作做不好將會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)留下隱患，并暴露在后續(xù)的施工、開車及裝置的運(yùn)行中。儀表選型首先要考慮到測(cè)量的準(zhǔn)確性、合理性和可靠性，其次考慮用戶的適用性、經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)的方便性。