外貼式溫度計在烯烴罐區的深化應用

任 偉

（國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

國能包頭煤化工項目是世界第一套煤制烯烴項目，也是國家級煤制烯烴示范工廠，用煤做原料，通過煤氣化、凈化、甲醇合成、甲醇轉化制烯烴、烯烴分離、烯烴聚合工藝路線生產聚烯烴。工廠由聯合化工裝置、聯合石化裝置、熱電裝置、公用工程、輔助設施、廠外工程等6 大系統共46 套裝置（單元）組成，主要生產裝置包括：氣化裝置為7 臺德士古氣化爐、180 萬噸甲醇合成裝置、60 萬噸甲醇制烯烴裝置、30 萬噸低密度聚乙烯裝置、30 萬噸聚丙烯裝置，以及配套的4 臺鍋爐、2 臺50MW 發電機組自備熱電站等公用工程、輔助設施、廠外工程等，總投資170億元。

國能包頭煤化工項目于2006 年12 月獲得國家發改委核準，并于2007 年9 月開工建設，在2010 年5 月完成全面建成，8 月即打通全流程，投料試車一次成功。2011 年1 月工廠正式投入商業化運行，實現了傳統煤化工向石油化工產業的延伸，成為全球首套煤化工示范項目。

其中，烯烴分離裝置為關鍵單元。烯烴分離裝置采用美國Cbi-Lummus 公司專利技術，包括烯烴分離單元和烯烴罐區單元，由中國石化上海工程公司進行詳細工程設計。烯烴分離單元占地面積255×110（m2），烯烴罐區占地面積150×111（m2）。烯烴分離單元采用Lummus 工藝包前脫丙烷后加氫、丙烷洗工藝技術，由Lummus 進行工藝包和基礎工程設計。同時，Lummus 將部分基礎工程設計工作轉包給中國石化上海工程公司，由其進行詳細工程設計。此工藝與常規乙烯分離工藝主要區別有：此工藝無前冷系統、無乙烯制冷系統。

烯烴罐區接收來自烯烴分離單元的乙烯、丙烯、混合C4、C5+產品，接收外購丁烯-1、異戊烷物料，分別送往下游PE、PP 等用戶。烯烴罐區設置6 臺2000m3的乙烯球罐，5 臺2000m3丙烯球罐，2 臺3000m3的混合碳四產品球罐，2 臺1500m3的C5+產品球罐，2 臺1000m3的丁烯-1球罐，2 臺1000m3的異戊烷球罐，1 臺1000m3的內浮頂廢甲醇水罐。

1 項目背景

依據GB18218-2018《危險化學品重大危險源辨識》[1]評價標準，包頭公司依法對公司重大危險源進行了評估和備案，依法對公司的應急預案管理體系重新修訂和備案；依法完成公司3 年1 次的安全現狀評價和報告備案工作，共評價出重大危險源4 個，一級重大危險源1 個（烯烴罐區），三級重大危險源1 個（甲醇、烯烴中心生產裝置區域），四級重大危險源2 個（危險品庫房和氨站）。

重大危險源安全評估的目的是：

1）對公司的生產裝置、儲存設施以及公用工程等進行危險化學品重大危險源的辨識與分析，對辨識出來的危險化學品重大危險源進行評估，確定其危險等級，并進行事故后果的模擬計算和分析。

2）重點檢查、評估企業危險化學品重大危險源所采取的安全設施、安全管理措施、安全技術和監控措施等是否能夠滿足重大危險源安全生產的需要。

3）對于檢查、評估中發現的缺陷、不足，依據相應法律法規、規范等提出相應的整改措施和要求。

4）通過重大危險源評估工作，從而進一步提高危化品企業的安全管理水平和安全技術水平，同時為安監部門和生產企業實施相應的安全監管措施提供科學依據。

據上述可見，國能包頭煤化工有限責任公司只有一個一級重大危險源裝置，即烯烴分離罐區單元。一級重大危險源裝置一直是企業內部及政府檢查的重點區域，由于國能包頭煤化工有限責任公司成立的比較早，當初的一些設計不滿足后續新發布的一些標準。圖1 為乙烯球罐管道儀表流程圖的截圖，圖中球罐下部用圓圈圈出來的溫度儀表安裝位置不符合標準規范，遠處溫度計及就地溫度計均安裝在球罐出口管線上，沒有安裝在球罐本體上。

圖1 乙烯球罐管道儀表流程圖Fig.1 Pipeline and instrument flow diagram of ethylene spherical tank

2 設計思路

根據SH3136-2003《液化烴球形儲罐安全設計規范》中5.1 條的要求，液化烴球形儲罐本體應設置就地和遠傳溫度計，并應保證在最低液位時能測量液相的溫度而且便于觀測和維護[2]。由此可見，國能包頭煤化工有限責任公司烯烴罐區的溫度計設置不滿足規范要求，但由于液化烴球形儲罐為壓力容器，很難在球罐本體開孔安裝新的溫度計。根據AQ 3036-2010《危險化學品重大危險源 罐區現場安全監控裝備設置規范》中4.2.5 條的要求，對于老罐改造，應優先選擇不清罐就可以安裝的傳感器[3]。應符合安全要求，電線無破皮、露線及發生短路的現場，二次儀表應安裝在安全區。傳感器蓋安裝后應嚴格檢查，旋緊裝好防拆裝置。現場嚴禁帶電開蓋檢修非本質安全型防爆設備。采用非鎧裝電纜時，傳感器與排線管之間用防爆軟性管連接。安裝過程中避開焊接和可能產生火花的操作，防止電火花、機械火花及高溫因素引起的燃燒和爆炸。需要罐內安裝且可能產生火花或高溫的，應進行空氣置換后再進入作業。所以，對于液化烴球罐溫度計的整改，首先選擇不清罐的方式進行，不僅工作量小，還便于實現。

為了實現測量無泄漏點，安全檢測，易于維護的基本要求，選擇了外貼式的溫度測量方案。傳統的表面傳感器降低了泄漏點風險，更易于維護，但是需要測量表面內側介質的溫度，傳統的表面傳感器可以解決很多熱套管的問題，但是僅能提供表面溫度數據，它們受到環境溫度的影響并隨著環境條件變化。如圖2 所示，由于環境溫度與過程溫度之間的巨大差異，表面溫度測量最大偏差40℃。

參考了行業內部，沒有找到相同的整改經驗可以借鑒。當時羅斯蒙特新推出了一項名為X-WELL 的外貼溫度測量技術，把溫度儀表夾持到管道外部（見圖3），測量管道表面的溫度，再通過內部的熱傳導公式計算，從而算出內部介質的溫度。根據這一項技術的成功應用，想通過對該技術進行一些改造，實現罐區溫度的整改。

圖3 管道夾持式外貼溫度計Fig.3 Pipeline clamping external thermometer

3 外貼式溫度計設計原理

為了解決傳統的表面傳感器精度低的一系列弊端，羅斯蒙特推出了X-well 技術。該技術可針對這種情況提供最佳解決方案，擺脫熱套管組件有泄漏點，不易于安裝維護的痛點，同時輸出標準表面傳感器無法實現的過程溫度測量值。該技術通過表面測量方式得到更精確的過程溫度，無需復雜的設計和熱套管就可以得到準確的溫度測量值，同時避免潛在的泄漏和安全隱患。

X-well 技術是通過變送器內熱導算法計算過程溫度，如圖4 所示。通過測量管道表面溫度和環境溫度，結合裝置和過程管道的熱傳導性能，X-well 技術可提供可重復的、準確的管道內過程溫度值。以下是從技術層面解釋X-well技術的工作原理：X-well 測量環境溫度T1、管道表面溫度T2，已知X1 和K1（溫度測量組件的導熱屬性，通過組裝并標定來獲得這些值），X2 是用戶輸入設備的管道壁厚，K2 是用戶輸入的管道材料，然后只需要解答等式T3 即可，它就是過程溫度。

圖4 X-well技術計算過程Fig.4 Calculation process of X-well technology

X-well 技術的精度取決于環境和過程溫度差。環境溫度和過程溫度每相差1.0℃，對于溫度測量精度會產生±0.01℃的影響。為了驗證X-well 的進度，在其他本體有溫度原件的儲罐中進行了對比實驗。由于產品開始是針對管道測量設計的，要是用在儲罐表面，就需要先對支架進行一下改裝。將原來的夾持式支架拆除，用角鋼當作支架，與支持X-well 技術的變送器連接管焊接，最后再用金屬膠水粘貼到儲罐表面。具體安裝過程，如圖5。

圖5 X-well變送器測試安裝圖Fig.5 Installation diagram for X-well transmitter testing

利用儲罐原有的精度為A 級的檢測元件Pt100 熱電阻[4]，通過熱電阻的阻值計算出溫度，與X-well 變送器測出的溫度進行對比，進行了連續一個月的測試。X-well 變送器與熱電阻測試的問題誤差在0.5%之內（見圖6），精度完全達到要求，可以保證工藝生產的使用。

圖6 X-well變送器與熱電阻測試曲線Fig.6 X-well Transmitter and thermal resistance test curve

4 項目實施

4.1 底座制作

由于之前有了成功的試用經驗，接下來就可以進入大規模的應用階段。因為國能包頭煤化工有限責任公司烯烴罐區的溫度儀表設置不滿足SH3136-2003《液化烴球形儲罐安全設計規范》中5.1 條的要求，液化烴球形儲罐本體應設置就地和遠傳溫度計，并應保證在最低液位時能測量液相的溫度而且便于觀測和維護[2]。所以該項目的費用走安全生產費，從立項開始，然后找各級領導審批，等批復同意后進行物資申報、采購。由于之前羅斯蒙特的X-well變送器是為了管道測量設計的，做測試用的支架也比較簡陋，安裝上去不太美觀，所以在采購階段就提前與廠家溝通，確認現場安裝的環境。廠家尋找到一家口碑不錯的機加工單位，根據現場的使用情況，特意加工了一批質量可靠、造型美觀的底座，提升了現場儀表的安裝質量（見圖7）。

圖7 X-well變送器實際安裝圖Fig.7 Actual installation drawing of X-well transmitter

4.2 儀表安裝說明

本次改造項目，溫度測量儀表為新增，備用電纜不足，而且電纜槽盒余量也不足，采用重新安裝儀表橋架敷設電纜的方案。儀表電纜橋架安裝是一項重要的工作，為了保證安全，必須按照國家標準實施嚴格的安裝規范。首先，在安裝儀表電纜橋架之前，應檢查鋼絞線、布線、連接器、掛桿等設備，如有損壞或變形，應及時更換；其次，在安裝時應遵循彎頭就近原則，并考慮曲線半徑和彎曲角度，使電纜橋架軌跡平滑，盡可能減少拐彎次數，以減輕電纜的總重量；再次，安裝完畢后，應檢查橋架的安全隔離，保證橋架與電氣設備的安全距離，避免過載，以防止危險情況的發生；最后，所有電力設備都要采取良好的防護措施，以防止安全事故的發生[5]。

4.3 安全技術措施

1）為了降低外部磁場和電場對現場儀表信號電纜傳輸過程中的干擾，本設計所選用的電纜分別為對絞總屏蔽儀表信號電纜和總屏蔽控制電纜，并且所有電纜均為B 級阻燃型電纜。

2） 根據生產裝置工藝介質的危險區域劃分，現場危險區域電動儀表選用本安或隔爆型，本安型儀表或隔爆型儀表的電氣防爆等級應該大于Exic ⅡBT4/Exd ⅡCT4。

3）對于儀表信號的工作接地、屏蔽接地、儀表及機柜的保護接地，根據設計規范的有關要求，應將各種接地分別接至儀表工作地、屏蔽地、保護接地板，再從儀表接地板引出儀表接地干線，統一接至現場機柜室內的電氣專業總接地板，最終由電氣專業統一接至全廠總接地極，實現全裝置“等電位”連接。

4）儀表主匯線槽外殼應通過槽鋼支架與工藝管廊金屬構架可靠焊接，避免出現浮空和絕緣現象，保證與工藝管廊附近的電氣專業保護接地網可靠連接。所有現場電動儀表、接線箱及電纜保護管，均應進行現場保護接地處理；接地線（1×4 mm2）應分別接至附近工藝管道或電氣專業保護接地網，并可靠連接。

4.4 控制系統配置

根據本次改造項目的規模、特點，控制系統利用裝置原DCS 系統備用點，不增加控制器及操作站等其他設備。現場儀表安裝完畢以后，將信號傳遞到DCS 上位機進行監視、報警。

通過外部檢查與企業內部自查，發現了烯烴罐區儀表設置不合理的問題，逐步開始研究解決。首先，開始調研同類型其他單位的情況，沒有發現成功的經驗，然后試用新的技術，試驗結果達到滿意的效果就正式地立項，一步一步地走流程，最后順利地完成烯烴罐區溫度計整改，不僅符合相關標準的要求，也為穩定的生產打下良好的基礎[6]。

5 結束語

溫度測量的方法是多種多樣的，特別是由于當今技術的發展、先進手段的運用，這似乎不是什么難題，但對于年久的儲罐如何運用好當今的技術，因地制宜地搞好技術升級，尤其是充分利用好現有的先進技術，在測量方面做一些改進。如上文提到的熱導率計算的方法，對管道、儲罐表面溫度進行補償，將大幅度提高現場測量的效果，提高測量精度，將起到事半功倍的效果[7]。