1 引 言
隔爆型氧化锆氧量分析仪的工作原理[1]与非防爆产品一样,隔爆型产品之所以能够起到防爆作用,主要取决于产品的隔爆结构设计。由于隔爆产品对材料成分、机械强度、密封性能的设计要求较高,因此产品的结构较为复杂,技术要求高,制造难度大,生产成本高。非防爆型产品虽然结构简单,价格低廉,但满足不了石油化工等易燃易爆行业的要求。针对此问题,自主设计研发了一种全隔爆型产品,为石油石化行业等危险场所的氧含量测量提供了一体化的解决方案。
2 系统及结构设计
分析仪系统由检测器、导流管、转换器、连接电缆、校验箱等部分组成,如图1所示。各部分根据使用要求不同分为多种规格型号,在结构设计上,研发了隔爆型检测器和转换器、高温型带散热器导流管、专用校验箱等。
检测器与转换器采用分体式结构,两者间通过电缆连接,转换器远离高温环境,提高了系统的可靠性和稳定性,便于现场安装调试。检测器与导流管设计为分体式结构,通过法兰连接,延长了传感器的使用寿命,便于安装维护。导流管的安装法兰与工艺法兰相连接,在检测器与导流管的安装法兰之间设有环形翅片式散热器,可用于1 300℃的操作温度。配套的校验箱将系统的气路连接起来,便于现场的标定检查。系统各单元及连接全部采用隔爆设计,适用于防爆等级ExdⅡCT5爆炸性气体环境的工作场所。功能设定和调试可通过隔爆转换器操作箱上的按钮在外部实施,现场通电情况下不用打开表盖,就可方便地进行设定和显示。
检测器、转换器的壳体采用优质铝合金材料制造,导流管采用高温合金材料,法兰、管件采用优质不锈钢制造,各连接处均有防松动措施,具有足够的强度和刚度。隔爆结构设计采用多种接合面形式,如螺纹、止口、操作杆、圆筒、间隙结合面等,可有效阻止仪表内爆炸火焰的外逸,与外部爆炸性气体环境起到了隔离作用,进而达到安全防爆的目的。隔爆产品的设计通过了国家级仪器仪表防爆安全监督检验站(NEPSI)的认证,防爆标准符合GB3836. 2-2000爆炸性气体环境用电气设备第2部分:隔爆型“d”的要求[2],防爆标志为ExdⅡCT5(检测器);Exd ⅡCT6(转换器),填补了国内产品的空白。
2.1 隔爆型检测器
检测器包括外壳组件、氧化锆传感器、阻火器、过滤器、电缆接头、校验气体接头、针形阀、护罩组件、接线端子组件等。在非正常工作情况下,爆炸性气体被引入仪表内部,由于氧化锆传感器自己带有加热器,则可能点燃仪表内部的爆炸性气体而引起爆炸。当仪表内部产生爆炸时,由于外壳组件等具有足够的机械强度而不致损坏;阻火器的结构设计和各种隔爆结合面的长度及间隙可阻止仪表内爆炸火焰的外逸。可有效地保证仪表内部爆炸气体的火焰不会外泄到仪表外部,引起周围爆炸性气体的爆炸而造成危害,起到了安全防爆作用。
(1)降温措施。
采取有益于降温的结构设计和选用耐高温隔热材料,解决了隔爆检测器表面温升过高的问题。产品的防爆等级设计为ExdⅡCT5,初次样机试制完成后,在防爆站进行温升试验时,由于表面温度过高,达不到T5温度组别的要求。对此进行了多次结构改进和试验,历经半年的时间,终于攻克了这一难题,取得了T5认证。
图2为检测器结构简图,初期设计如图(a)所示,其最高表面温升为83. 3℃,按此温升其产品的防爆等级只能达到ExdⅡCT3。图(b)是改进后的最终设计,增加了隔热衬管和隔热填充物,此时的最高表面温升为56℃,达到了ExdⅡCT5的防爆设计等级。
(2)阻火器的结构设计。
阻火器是隔爆型检测器中的一个关键零件,既要具有防爆性能又要导气良好,初始设计导气槽的型式为螺旋线,但在样机进行重复爆炸试验时,产生泄漏而引爆未能通过。分析其原因是导气槽的螺旋线结构引起的,如图3(a)。该结构零件刚性小,当螺旋线部分受力时会产生变形而改变槽宽,变形后的气槽宽度超过了防爆要求而产生爆炸。通过失败和试验,将导气槽改成图3(b)的往返式结构,气槽宽度未变,增强了零件的刚性,通过了防爆试验。图3中导气槽宽度仅有几丝,零件较厚,加工很困难,特制了钼丝通过电火花加工完成。
(3)过滤罩组件的结构设计和结合工艺。
样机的过滤片采用金属烧结工艺,组件采用金属与陶瓷的封接工艺,制造成本高、工艺难度大。新设计过滤片采用金属丝网结构,过滤精度为60μm,过滤罩组件的过滤片封装采用机械滚铆方式,工艺简单,结构牢固。
(4)采用陶瓷材料制作接线端子座,有益于高温条件下工作的可靠性;接线端子的结构设计便于现场接线。
(5)隔爆型检测器增加了校验气接口针形阀功能。
2.2 隔爆型转换器
隔爆型转换器由外壳、表盖、视镜、接头、电源箱、操作箱等零部件组成,当表体内部产生爆炸时,爆炸火焰不会波及到表体外部,与外部爆炸性气体环境起到了隔离作用,达到了安全防爆的目的。利用隔爆操作箱上的按钮可在不开盖不断电的条件下进行各种参数的调整和设定。
(1)隔爆外壳的结构设计、模具设计及制造、零部件的加工与配套。
(2)隔爆操作箱和电源开关箱的设计配套及内部电缆的连接。
(3)转换器电路设计及研发。
(4)研发了专用电缆、防水软管及防爆挠性管。电缆采用3组6芯双屏蔽结构,抗干扰能力强。
(5)设计开发了专用校验箱,校验箱与在线氧化锆分析仪进行配套,可以提供一定压力和流量的零点气、量程气和吹扫气,完成零点和量程的校验及对导流管的吹扫,极大地方便了现场安装调试。校验箱为自动和手动两种型式,自动校验箱具有隔爆功能,增强了系统的配套能力。
2.3 导流管
设计研发了高温带散热器型、隔爆型、吹扫型等50余种规格导流管,使导流管的使用温度范围由600℃扩展到1 300℃。高温型导流管的研制成功,替代了喷射器产品,使高温条件下的气体采样更为简便,制做成本大为降低,其关键技术有:
(1)高温导流管材料的研制。
高温材料分为两种温度范围:一是1 000℃以下,采用SUS310材料;二是1 300℃以下采用GH747。两种材料均有管材和板材规格,市场上难以购买,需特殊研制加工。经与国内高温材料研究院所联合攻关,经半年的努力试制出了GH747管料和板料,满足了设计要求。
(2)高温合金的加工及焊接工艺。
与协作单位联合攻关,解决了SUS310、GH747的加工焊接工艺问题。制作导流板的材料为δ2的板材,我们通过用管材切割压平的方法制成板料使用。确定了SUS310、GH747的焊条材料及焊接工艺,焊缝质量稳定可靠。
(3)散热器的设计制作。
检测器法兰处允许表面温度最高为125℃,若将高温导流管直接与检测器相连接,则检测器的表面温度会很高,影响正常的测量和使用,因此必须考虑降温措施。其方法是在检测器法兰和高温导流管安装法兰之间设计了环形翅片式散热器,有效地解决了检测器表面的降温问题,同时又不影响烟气的顺利采样,使用效果很好。
根据普通型检测器的使用温度在600℃以下的要求,可通过设计散热器的方式以使烟气温度能自然冷却至600℃以下,以下是散热器的结构设计和长度计算。
散热器长度和温度的关系由式(1)[3]表示:
考虑到散热器和导流管规格的统一性,不论在哪种温度条件下,均采用统一结构的散热器型式,即
3 应用情况
该产品已广泛应用于国内许多炼油化工装置,通过现场应用情况的调查,效果良好。
(1)在乙烯裂解炉的应用。
乙烯裂解炉使用的分析仪主要有两种采样方式:一是导流管方式;二是喷射器方式,喷射器方式基本上是非防爆型产品。调查了喷射器型和导流管型两种结构的产品都能正常工作,表明导流管型的隔爆氧化锆可以使用在乙烯裂解炉上。由于金属导流管直接安装在裂解炉辐射室顶,导流管的材料选择不好会将前段舌片烧毁而起不到导流作用,采用高温合金材料制作的导流管可满足使用要求。通常乙烯裂解炉的操作温度在1 100~1 200℃。从装置安全角度出发,用户希望将非防爆型产品改为防爆型产品,今后新设计的装置将以隔爆型产品为主。
(2)在炼厂加热炉的应用。
炼厂加热炉的操作温度较乙烯裂解炉低,导流管式隔爆氧化锆在各种炼化装置上得到普遍的应用。
(3)问题及应对措施。
以往氧化锆在使用中存在的主要问题有:①导流管的垂直安装;②隔爆型检测器的响应时间较长;③冷凝水对锆头的影响;④粉尘造成过滤器和阻火器的堵塞。针对上述问题设计了对应解决措施,通常导流管的取样点设计在烟囱上,导流管采用水平或呈向下45°安装,由于炉子整体结构设计的原因,加热炉设计多为几个炉子共用一个烟囱,这就决定了烟气取样点采用垂直设计是不可避免的。取样问题的关键不在于导流管是水平或者垂直安装,而是导流管的安装方向应与烟气的流向形成一定的夹角,辐射室的气体流向呈水平流动,与垂直安装的导流管形成90°的夹角,这样就能够实现引流和采样的目的,因此不会影响仪器的正常工作。隔爆检测器的响应时间较慢是由于其结构造成的,但可以满足使用要求,通过改变导流舌片的方向可调整响应时间的长短,隔爆导流管舌片的安装方向应朝向气体流向。水平安装的高温型导流管可形成冷凝水积聚在散热器内,有效的处理方法是正确的选型,在安装点温度小于600℃的场合,不要选用带散热器的导流管;当必须选用带散热器的高温导流管时,应采取导流管向下倾斜的安装方式,这样即使产生了冷凝水也会靠重力排出。炼厂加热炉大多以燃气或燃油作为燃料,但长时间使用也会产生粉尘和结垢造成过滤器、阻火器的堵塞。隔爆型导流管设计了除尘吹扫接口,用压缩风可定期对其进行吹扫。但对于粉尘含量大于10 g/Nm3或者燃煤型锅炉不适合采用隔爆型检测器。
4 结束语
该产品的设计研发满足了石油石化市场的需求,有针对性地提供一体化的解决方案,为下述工业过程提供了有效的测试手段。
(1)乙烯裂解炉的应用,采用1 300℃高温导流管及隔爆型产品。
(2)石油、石化行业加热炉的应用,采用1 000℃高温导流管及隔爆型产品。
(3)垃圾焚烧炉及含腐蚀烟气的测量,采用防腐蚀性检测器。
(4)钢铁厂、金属冶炼炉采用高粉尘导流管或带吹扫的导流管系统。
(5)热电厂硫化床燃烧锅炉用高粉尘导流管。
参考文献:
[1] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[K].第3版.北京:化学工业出版社, 2000: 182-183.
[2] 马经纲,李双会,王文召,等.GB 3836. 2-2000爆炸性气体环境用电气设备第2部分:隔爆型“d”[S].北京:中国标准出版社, 2003.
[3] 朱炳兴.变送器选型与维护[M].北京:化学工业出版社,2001: 104.
