空分系統(tǒng)低溫液位計非正常波動的分析與處理

劉道科

(金川集團(tuán)公司動力廠， 甘肅 金昌 737100)

設(shè)備節(jié)能

空分系統(tǒng)低溫液位計非正常波動的分析與處理

劉道科

(金川集團(tuán)公司動力廠， 甘肅 金昌 737100)

分析了空分系統(tǒng)低溫液位計非正常波動現(xiàn)象及原因，提出了解決方法及注意事項。處理后液空液面的波動值降低了16倍，主冷的波動降低了3/4。

空分系統(tǒng)； 低溫液位計； 液位波動； 熱不平衡； 冷凝溫度

1 概述

在空分系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會遇到低溫液體液位計劇烈波動、工況無法穩(wěn)定的情況。通常的做法是將正壓側(cè)取樣管路切換到備用支路，然后將原管路通過吹除的方法進(jìn)行處理后備用；另一種做法是用干燥的空氣氣源進(jìn)行反吹后投入使用。這些方法一般能臨時穩(wěn)定液位，但時間稍長，液位波動又會重新出現(xiàn)。

低溫液位計在空分工藝過程控制中舉足輕重，液位不穩(wěn)定，空分工藝過程就不穩(wěn)定，比如液空液位計顯示主冷液面和氬餾分的穩(wěn)定與否。主冷液面不穩(wěn)定將影響吸入空氣量，進(jìn)而影響蒸發(fā)量的穩(wěn)定，從而干擾帶氬系統(tǒng)的穩(wěn)定，而氬系統(tǒng)的不穩(wěn)定反過來又會影響主塔的工作狀態(tài)。同樣，粗氬Ⅱ系統(tǒng)的粗氬液面不穩(wěn)定，同樣會對粗氬Ⅰ的氧、氬粗分離帶來不利影響，從而波及餾分的穩(wěn)定，進(jìn)而影響主塔的工作狀態(tài)。

公司的20 000 Nm3/h等級制氧機(jī)組于2005年投產(chǎn)，該機(jī)組采用分子篩流程、膨脹空氣進(jìn)下塔的全低壓無氫制氬工藝。自投產(chǎn)至今，下塔液空液位波動非常大，以600 mm為控制目標(biāo)液位，其標(biāo)準(zhǔn)偏差78.6 mm(最高液位可以達(dá)到900 mm，最低液位可以達(dá)到300 mm)，導(dǎo)致主冷液位也波動非常劇烈，以3 000 mm為控制目標(biāo)液位，其標(biāo)準(zhǔn)偏差157.8 mm(最高液位3 400 mm，最低液位2 600 mm)，其間還必須加上調(diào)節(jié)閥閥位限制功能，否則波動更大。本文從不同方面分析了可能的原因，并經(jīng)過多次嘗試解決，提出了熱不平衡機(jī)理的假設(shè)，基于此假設(shè)形成了輔助加熱法AHM (Auxiliary Heating Measure)解決方案，運用后穩(wěn)定了所有的低溫液面，使該機(jī)組的各項指標(biāo)均超過了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，為公司空分系統(tǒng)的節(jié)能增效找到了新的途徑。

2 問題分析

2.1 排查

針對下塔液空液面計非正常波動，首先需分析工藝和儀表，以確定是否反映真實波動，然后才能根據(jù)原因制定相應(yīng)的對策。

(1)排除V1調(diào)節(jié)閥和儀表的問題。公司先后建有六套制氧機(jī)組，除該套外，其余均未發(fā)生如此劇烈的液空波動。因此，多數(shù)意見傾向于調(diào)節(jié)閥和儀表出現(xiàn)問題的可能性較大。通過現(xiàn)場調(diào)校調(diào)節(jié)閥和更換彈簧，解決了V1調(diào)節(jié)閥在20%開度左右輕微喘動的現(xiàn)象，但是下塔液空液位波動沒有明顯改善；然后對壓差式液位計更換和調(diào)試，波動仍然不見有效改觀。據(jù)此可判斷，調(diào)節(jié)閥和壓差式液位計存在問題的可能性較小。系統(tǒng)表現(xiàn)為氧的產(chǎn)出基本沒有問題，但氬系統(tǒng)不穩(wěn)定，時常會出現(xiàn)氮塞情況，整體空分操作難度大，工況不易穩(wěn)定。

(2)懷疑空壓機(jī)的壓力調(diào)節(jié)有問題，可能是吸入空氣量的波動導(dǎo)致下塔工況不穩(wěn)定所致。但是通過下塔液空純度的分析，結(jié)合下塔阻力的變化情況，可認(rèn)為在篩板塔上出現(xiàn)問題的可能性較小，基本不存在落液的條件。

(3)懷疑整體工藝熱平衡的問題。由于該設(shè)備的板式換熱器是氣液混合式，中壓氧的汽化是在板式過程中完成的，在選型時板式換熱能力相對富裕量較小，因此板式中部溫度存在一定的起伏(-98 ℃～-110 ℃)。但即使降低空分總的負(fù)荷量到90%，仍然無法改變其液面波動的事實，只是略微減輕而已。

通過咨詢設(shè)備廠家現(xiàn)場服務(wù)人員，認(rèn)為有可能是下塔壓力較低所致，導(dǎo)致閥前后壓差不足。但V1閥門在氬系統(tǒng)未投入使用前開度約為50%，投入使用后開度平均在30%左右。因此，該原因的可能性不大，但仍然通過提升下塔壓力至0.46 MPaG來試驗，結(jié)果與0.44 MPaG的壓力運行效果一樣。

2.2 原因分析

作者注意到一個現(xiàn)象，就是每次開車后液空液面出現(xiàn)幾天穩(wěn)定，而后就波動如初了。根據(jù)這一現(xiàn)象，懷疑是液空液位計下取液管出了問題，但整個塔基溫度穩(wěn)定，大范圍出現(xiàn)溫度場異常的情況基本不可能發(fā)生。然后檢查加熱塊的工況，無論電壓還是電阻均未發(fā)現(xiàn)工作異常，因此重點從加熱塊周圍的熱負(fù)荷進(jìn)行分析，以期找出具體原因。

圖1 低溫液位計配置圖

圖1為低溫液位計配置圖。如圖1所示，液空液位計的下取液管配備電加熱塊，同時還有液封。電加熱塊可以使到達(dá)其作用范圍的低溫液體汽化，形成前端是低溫液體后端是氣體的氣液兩相相對穩(wěn)定的過程。如果加熱塊的周圍溫度場較低或加熱塊不足以提供足夠的熱量，就有可能出現(xiàn)低溫液體涌過加熱塊，到達(dá)液封側(cè)，加之液封側(cè)可能出現(xiàn)變形，有可能在加熱塊與液封之間形成氣泡。該氣泡在周圍環(huán)境的作用下可能頻繁破裂和生成，導(dǎo)致下取液管的壓力顫振，從而出現(xiàn)液面波動。

圖2 低溫液體越過加熱塊到達(dá)液封外示意圖

從圖1也可見，正常情況下在加熱塊與下塔之間應(yīng)該是低溫液態(tài)富氧空氣，而加熱塊與液封之間應(yīng)該是氣態(tài)富氧空氣。這樣，差壓變送器就可以準(zhǔn)確地測量出低溫液體的高度。但如果加熱塊工作不正?；蚱渲車鷾囟葓鲚^低，熱平衡就會偏移至液封處。更壞的情況是，如果低溫液體越過加熱塊到達(dá)液封處，那么，所測出的液位將比實際液位值低h1，但當(dāng)h1值變?yōu)?時，測量值就與真實值相等，如圖2所示。而如果加熱塊后至液封之間的周圍環(huán)境溫度場是不穩(wěn)態(tài)場，即其溫度范圍在-183 ℃左右，就可能由于加熱塊的加熱作用和周圍環(huán)境的冷卻作用而頻繁出現(xiàn)氣泡產(chǎn)生和破滅的過程，從而導(dǎo)致液位波動。波動的范圍決定于溫度場的分布，一般而言，溫度梯度小，波動范圍大，而溫度梯度大，波動范圍小。

3 解決措施

以上分析可見，由于液位波動受加熱塊溫度場分布支配，液位計顯示的波動并不代表真實液位的波動，并出現(xiàn)每次開車液位會先穩(wěn)定一段時間，然后產(chǎn)生波動的現(xiàn)象。

解決這個問題有兩種辦法，第一是通過扒塔重新配置管路和加熱塊，改變溫度場徹底解決該問題，第二是僅改變該管路里的溫度場，使其汽液相交面移動并穩(wěn)定在加熱塊處。若選擇第一種，隨著空分系統(tǒng)服務(wù)時間的增加，加熱塊附近的溫度場仍然可能變得不可控制，出現(xiàn)波動的可能性依然存在；若選擇第二種，可加輔助氣源輔助其達(dá)到熱平衡，該方法用較少的投資和費用就能解決問題。

當(dāng)通入外界氣源時，通入介質(zhì)的量、品質(zhì)和壓力需要慎重選擇以確保液位值的真實性。通入壓力過高、量過大，會導(dǎo)致取液下閥的加熱器前的液體蒸發(fā)，導(dǎo)致過量的外界氣體涌入下塔，造成塔體內(nèi)工藝介質(zhì)被污染，還會導(dǎo)致測量值超限，無參考價值。實踐證明，通入管內(nèi)的氣量在原有液位測量值的基礎(chǔ)增加適當(dāng)?shù)母郊又?，就足以滿足工藝要求。介質(zhì)的選擇具體要求有：

(1)介質(zhì)冷凝溫度低，可在與液空接觸的氣液兩相界面上形成一個較緩慢的傳熱傳質(zhì)區(qū)域，形成適合周圍環(huán)境的溫度場，就不易出現(xiàn)頻繁的氣泡產(chǎn)生和破滅現(xiàn)象，也就穩(wěn)定了液面。

(2)介質(zhì)須無水分，否則會在下塔管路中形成凍堵，給空分系統(tǒng)的安全造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。

(3)介質(zhì)壓力要比所需注入的環(huán)境壓力大一定值，還需保證其壓力的相對穩(wěn)定。

(4)介質(zhì)不能對所要配合的液面產(chǎn)生大面積污染，否則導(dǎo)致純度不合格或產(chǎn)生安全隱患。

通過實驗獲知的數(shù)據(jù)表明經(jīng)處理后液空液面的波動值降低了16倍，主冷的波動降低到原先的1/4左右。其間對來自液位的信號給予相應(yīng)的技術(shù)處理，通過變PID控制方法，依據(jù)不同的液位和閥位調(diào)整開度，確立了一種經(jīng)驗算法，可以保證主冷液面在整個空分工藝過程中偏差在±50 mm以內(nèi)，這種改進(jìn)也有效緩解了下塔液空液面的波動情況。表1是改進(jìn)前后數(shù)據(jù)的對比。

表1 改進(jìn)前后液空液面的波動情況

續(xù)表1

同理，對粗氬Ⅱ的液面也采用了類似處理，原先有毛刺和突跳的液面波動也變得平滑?？辗止に囘^程的整體工況變得非常穩(wěn)定，抗沖擊性能大大加強，液氬產(chǎn)量從500 Nm3/h提升到810 Nm3/h，氧提取率上升了0.2%。

4 結(jié)束語

通過對問題的分析處理可知，在空分系統(tǒng)設(shè)計和施工中一定要重點關(guān)注加熱塊周圍的溫度場，加熱塊的配置位置和液封的位置不能隨意，否則會引起液面波動，影響整個空分工藝過程的穩(wěn)定，使操作難度增大，經(jīng)濟(jì)效益下滑。

Analysis and Treatment Methods of Abnormal Fluctuations Problem on Cryo-liquid Level Gauge

LIU Dao-ke

The paper analyzes the abnormal phenomena and the reason of the abnormal fluctuation of Cryo-liquid level gauge in air separation system, and proposes some methods and precautions. After treatment, the fluctuation value of liquid level in liquid-air is reduced 16 times, and the main cooler fluctuation is reduced by 3/4.

air separation system; cryo-liquid level gauge; liquid fluctuation; heat unbalance; condense temperature

2015-04-27

劉道科(1971—)，男，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)任動力廠動氧車間副主任。

TH45

B

1008-5122(2015)05-0016-04