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摘要：现场仪表是化工生产控制系统的重要组成部分。仪表选型是否合适，安装是否符合要求，会影响整个生产过程控制。确定了仪表型式以及相关的安装问题，方能使项目设计、施工得以顺利进行。本文以一家乙二醇生产企业为例，根据该乙二醇装置的工艺生产要求、所处地域环境及项目设计、施工等方面的特点，分别对温度、压力、液位等现场仪表的选型进行阐述，并分析相关的安装问题。
关键词：乙二醇装置；仪表选型；安装
Instruments Selection and Installation in the Ethyleme Glycol Process
[Abstract]Local instruments are the important composition of engineering control process system in chemical engineering.Whether the instruments selection are suitable and installation are meet requirements，all of them will influence the whole producing control.Ascertaining the instruments selection and the related installation question，that will make it smoothly in project design，construction，etc.In this article，the local instruments selection such as temperature，pressure，level were stated，the related installation question was analyzed.
[KeyWords]EthylemeGlycol process；Instruments selection；Installation
一、引言
现场仪表是化工生产控制系统的重要组成部分，仪表的选型合适与否、安装是否符合特定要求，都直接影响着整个生产过程［1］。我们在进行初步设计、详细设计时，对于自控专业，首先需要考虑的就是现场仪表的选型问题，仪表型式确定了，再明确相应的仪表安装问题，与其他相关专业进行协调，方能进行下一步工作，使项目顺利完成。本文以乙二醇生产装置的仪表选型及安装问题为例，讨论常用现场仪表的选型及安装所需注意的相关问题，也为其他化工项目的仪表选型及安装问题提供借鉴。
二、工艺特点及仪表选型共性问题
本文介绍的乙二醇装置以地处西北沙漠地带的一家乙二醇生产企业为例，该项目是一个总承包（EPC）项目。乙二醇装置的工艺流程如图1所示：煤基经过造气变压吸附分离成CO、H2；CO经脱氢催化剂、羟基合成催化剂反应后制成草酸酯；草酸酯和造气分离出的H2经加氢催化剂生成粗乙二醇，粗乙二醇再经过精馏后得到聚酯级乙二醇［2］。
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图1 乙二醇工艺流程示意图
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图2 多点热电偶示意图
该乙二醇装置主要包括氧化酯化、羰化反应、草酸酯加氢、乙二醇精制、中间罐区、尾气处理、乙二醇回收、草酸酯回收等工艺单元，以及循环水站、汽车灌装站公用工程和辅助单元组成。根据各个工艺单元的介质特质，氧化酯化、羰化反应、草酸酯加氢、乙二醇精制、中间罐区、尾气处理、乙二醇回收、草酸酯回收等工艺单元均为危险区，工艺介质中含有氢气、一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、四氧化二氮、乙二醇（EG）、甲醇（CH3OH）等易燃、易爆，有毒介质，介质种类较多。危险介质最高要求为氢气介质，防爆级别为IIC，温度组别为T1，所选仪表的防爆等级应满足CT4，优先选用本安型仪表，采用隔离型安全栅组成本安防爆回路；若无本安仪表，选用隔爆型仪表。而其他安全区选用一般仪表，这也是考虑到投资成本问题。针对所处环境为沙漠地区，沙尘大，现场仪表的防护等级须在IP65以上。用于安全仪表系统的仪表，还需要满足相关规范、相关安全认证的要求。仪表的选型遵循先进、可靠、经济实用相结合的原则［3］，作为EPC项目，这个原则尤为突出。
三、仪表分类选型及安装
1温度仪表
一般情况下，可直接测量的集中检测温度仪表可以选用铠装热电阻/热电偶或者一体化温度变送器。热电阻很难做到本安型仪表，采用的是三线制信号电缆。而热电偶需采用补偿电缆。一体化温度变送器比只用热电阻/热电偶的优点在于：输出的是4~20mADC信号，温度变送器可以采用本安型仪表，和其他变送器信号类型一致，可统一采用二线制信号电缆，DCS或SIS卡件也可统一采用4~20mADC信号输入卡件，不必再另配RTD或热电偶卡件，采用一体化温度变送器比直接采用铠装热电阻/热电偶更经济实用。
对于温度变送器，在铠装温度元件顶部接线盒环境温度超过50℃，工艺过程有特殊要求或安装位置不易观察等场合，需采用分体式温度变送器。
乙二醇装置中，羰化反应器、加氢反应器及尾气处理反应器上均需对催化剂列管中催化剂进行多点测温，温度在200~400℃之间，温度信号提供给SIS系统进行三选二安全联锁控制。对这三种设备的多点测温要求，采用多点K型热电偶插入列管中进行测温，如图2所示，热电偶的点数，插入深度由工艺确定，设备在列管内已预制Ф12x2套管，热电偶的Ф6铠装管需插入该套管中。热电偶安装在设备顶部，不方便维护，需采用分体式温度变送器，本项目采用导轨式温度变送器，变送器安装在温变接线箱中，接线箱安装在方便维护的地方。热电偶到接线箱的电缆，需采用高温防火铠装多芯补偿电缆，长度需满足要求。因为多点热电偶是从设备顶部插入列管中的，在安装时，需与设备安装整体考虑，也要考虑设备顶部安装法兰口到楼板之间的距离是否满足热电偶拔插的要求，以便于日后维护。
2 压力仪表
对就地压力仪表的选型，按照使用环境和测量介质的性质选择，一般介质，会根据相应的压力范围选对应型式的不锈钢压力表，腐蚀性介质，含固体颗粒、粘稠液等介质则采用隔膜压力表。
该乙二醇装置所处的地区属温寒带干旱、半干旱大陆性季风气候区，极端低温 –32.3℃，对于氧气，氮气之类的气体介质，可选用普通不锈钢压力表和压力变送器。但是对乙醇、乙二醇、甲醇、蒸汽、循环水等介质需要考虑拌热问题，仪表拌热会带来施工、维护等方面的诸多不便，为了减少拌热点，对这些介质及粘稠、易结晶、含有固体颗粒或腐蚀性的介质，选用隔膜压力表和隔膜远传压力/差压变送器。
乙二醇装置中的碳酸二甲酯（DMC）、草酸二甲酯（DMO）为易结晶介质，需采用隔膜压力仪表。因为仪表接到管道或设备上，管道或设备上会有约150mm的仪表安装短管以便于仪表法兰安装，隔膜型式如采用平齐式法兰膜片，介质容易在短管内结晶堵塞，平齐式法兰膜片无法检测到介质压力。这种情况则应采用插入式法兰膜片，膜片可以插入到短管内进行测量，避免了平齐式法兰膜片的弊端。插入长度应综合考虑设备/管道的仪表接口短管高度和仪表厂商所提供的长度规格，如果仪表厂商所提供的长度与设备/管道的仪表接口短管高度不一致，应调整设备/管道的仪表接口短管高度，而不是要求仪表厂家调整长度。仪表厂家调整长度，势必会调整制作模具的规格，也导致仪表成本的增加。
通常情况下，隔膜压力/差压变送器选用的毛细管填充液会选D.C硅油200，这种硅油的适用范围在-45至205℃，乙二醇装置的中压蒸汽，温度高达253℃，隔膜压力/差压变送器如果选用D.C硅油200显然不合适，选用D.C硅油704（适用范围在-0至260℃）方能满足要求。
带毛细管的隔膜差压变送器，需考虑毛细管的长度问题。对于测量设备上压差，或液位的隔膜差压变送器，如图3带毛细管的隔膜差压变送器安装示意图所示。
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图3 带毛细管的隔膜差压变送器安装示意图
高/低压侧膜片信号通过两根毛细管接至变送器，变送器由一根1.2米高度的两寸镀锌管固定，镀锌管底座固定于设备维修平台，如设备没有维修平台，则固定于附近地面上。假设高/低侧法兰间距L=4米，毛细管长度l=5米，设备基础高度h=2米，设备底部与低压侧法兰距离h0=0.2米，可以算出高压侧法兰与立柱上的变送器的距离为5米，毛细管长度选5米，这根毛细管没有一点冗余长度了，显然是不合适的。所以确定毛细管的长度，不仅考虑法兰间距，还要考虑具体安装位置等因素。
乙二醇装置有精馏塔，吸收塔等高型或大跨距容器，需要测量塔顶与塔釜的压力差。以尾气吸收塔为例，塔顶到塔釜压力口距离超过16米，测量塔顶与塔釜的压力差，如采用导压管或毛细管式的差压变送器，导压管或毛细管太长，由环境温度变化引起的测量误差就会被放大，也会给施工、维护上造成极大不便。这种情况采用电子远传式差压变送器更合适。电子远传式差压变送器，在高压、低压侧均安装变送器，低压侧变送器的信号通过信号电缆接至高压侧主变送器，从主变送器即可得出差压信号。电子远传式差压变送器可以很好地解决高型或大跨距容器测量压差或液位的问题。
3 液位仪表
液位仪表的结构型式也是根据被测介质的特性来选择，主要考虑介质的压力、温度、腐蚀性、导电性等等。通常优先考虑直接接触的测量方式，如差压式、浮筒式、浮子式等仪表，在不满足条件的情况下才考虑选用声波式、微波式等非直接接触式仪表。
目前绝大部分化工项目的就地液位显示仪表选用生产技术已经很成熟的磁翻板液位计（测量粘度高于600mPa.s的介质不适用），乙二醇装置也不例外采用这种液位仪表。磁翻板液位计可以直观地，与容器相连的浮子室（采用非导磁的不锈钢制成）内装带磁钢的浮子，翻板指示标尺贴着浮子室壁安装。当液位上升或下降时，浮子也随之升降，翻板标尺中的翻板，受到浮子内磁钢的吸引而翻转，翻转部分与未翻转部分显示不同的颜色，两种颜色的分界处表示的就是液位所在［4］。对于易冻、易凝结介质，应选用带蒸汽夹套式的磁翻板液位计，故对含有碳酸二甲酯（DMC）、草酸二甲酯（DMO）介质的容器需采用蒸汽夹套式。而对测量含有乙醇、乙二醇、甲醇、水等介质的磁翻板液位计还需做好拌热措施。
从运输、安装等方面考虑，磁翻板液位计的长度不宜大于4000mm，最大长度不能超过6000mm。如果测量范围大于4000mm，可采用几个液位计上下重叠安装，对于有盲区的液位计上、下重叠区≥250mm。如图4所示，液位计口La和Lb，总长为L=4800mm，超过4000 mm，应分成两台磁翻板液位计，假设液位计上、下重叠区Lc，Ld之间距离D=300mm，液位计La/d与Lb/c取相等长度，即L1=L2。可以算出L1=L2=2550mm。按此方法可以很好地确定两台相同长度液位计的量程，避免测量长度过长的问题。将液位计分程后，需反馈给工艺、设备专业，设备专业需补充设备上的液位计接口，以便后续工作顺利进行。
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图4 磁翻板液位计分程示意图
当测量界位或小量程液位测量在0~1200mm范围内，且介质密度不随温压变化，一般不选用双法兰差压变送器（液位），因为小量程液位换算出来的量程仅为几KPa，量程太小，普通的差压变送器不满足；双法兰差压变送器（液位）的法兰口通常为3寸，液位计口间距太短，还有可能会出现安装法兰相碰的情况。带旁通测量管的磁致伸缩液位计可以很好地解决这种问题。
磁致伸缩液位计由浮球（内装有磁钢）、变送器（由脉冲发生器和接收器组成）和装有磁致伸缩线的不锈钢测量管三部分组成。当变送器接通电源后，脉冲发送器和接收器开始工作，发送器定时向下端发送低电流询问脉冲信号，脉冲信号及其磁场顺着磁致伸缩线向下，当脉冲信号的磁场与浮球被阻尼端吸收。向上的扭应力脉冲被接收器接收并检测出来，根据从发出询问脉冲到接收到返回的扭应力的脉冲的时间差就可算出液位的高度并转换成4~20mA的输出信号［4］。因为使用的是带旁通测量管的磁致伸缩液位计，对使用在含有乙醇、乙二醇、甲醇、水等介质的场合也需做好拌热措施。
乙二醇装置没有其他特殊容器，均可以采用差压式液位仪表，即可在容器侧面开口连接液位仪表进行测量。除上文所述的液位仪表外，其他情况选用差压变送器（液位），前文对差压变送器已作阐述，在此不再赘述。
四、结论
该乙二醇装置从初步设计到详细设计历时一年半，随后打通全流程，一次投料开车成功，并顺利产出优等级别的乙二醇产品。乙二醇装置现场仪表的选型也可以给其他生产装置的仪表选型提供很好的借鉴。作为生产过程的“眼睛”和“耳朵”，现场仪表的合理选型以及正确的安装，为保证装置顺利生产起到了积极作用。
参考文献：
[1]沙亚红.造纸行业常用仪表的选型与安装［J］.工业仪表与自动化装置 2010（3）：106-108.
[2]骆雁.国内乙二醇生产现状与发展趋势［J］.齐鲁石油化工 2012.40（1）：64-67.
[3]钟辉，邱德君，胡文慧.《浅谈仪表选型工作中应注意的问题》［J］.黑龙江水利科技 1998（4）：84-85.
[4]陆德民．石油化工自动控制设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2000．133-135.