尿素二段蒸發(fā)分離器液位測量技術的優(yōu)化

劉紀中

(安陽化學工業(yè)集團有限責任公司 ， 河南 安陽 455133)

安化集團公司第二套尿素裝置中二段蒸發(fā)分離器液位是工藝操作的一項重要指標，它的運行指標控制好壞直接影響尿素的產(chǎn)品質量。二段蒸發(fā)分離器液位測量儀表使用的是電容式液位計，長期以來，該液位計使用的周期一般在1～2年。自2016年以來，該液位計頻繁出現(xiàn)故障，造成液位指示不準確，或液位無顯示，而且液位計使用周期縮短至兩個月左右，嚴重影響尿素裝置的穩(wěn)定運行。在此期間，工藝人員只有通過攝像頭觀測現(xiàn)場視鏡判斷液位高度，采用手動控制調(diào)節(jié)分離器液位，這不僅增加了職工的勞動強度，而且由于手動控制存在滯后和精度低等問題，經(jīng)常造成尿素產(chǎn)品中縮二脲含量升高，甚至造成尿素熔融泵不打量等嚴重問題。二段蒸發(fā)分離器液位檢測儀表不能正常運行，嚴重影響尿素系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高負荷生產(chǎn)。

1 工藝流程

在公司第二套尿素裝置中，中壓液氨經(jīng)高壓液氨泵(P101A/B)加壓到21.5 MPa作為驅動液進入甲銨噴射器，將來自甲銨分離器的甲銨液增壓混合后一起從尿素合成塔底部進入尿素合成塔。經(jīng)二氧化碳壓縮機壓縮后的高壓二氧化碳也從尿素合成塔底部進入合成塔，氨和二氧化碳反應生成尿素，其中二氧化碳的轉化率約63%。尿素、液氨、二氧化碳、甲銨和水從尿素合成頂部經(jīng)PV-9203調(diào)節(jié)閥進入汽提塔，從汽提塔下部經(jīng)LV-9202進入中壓分解塔后，再到低壓分解塔，然后經(jīng)過一段蒸發(fā)分離器和二段蒸發(fā)分離進一步提純尿素溶液，提純后尿素溶液濃度達到99.7%以上；再經(jīng)過P108A/B尿素熔融泵和調(diào)節(jié)閥LV-9501送往造粒塔進行造粒。對于二段蒸發(fā)分離器來說，工藝操作的一個重要指標是保證二段蒸發(fā)分離器的液位LT-9501指示穩(wěn)定可靠。對此，可以通過一個簡單的控制回路來實現(xiàn)這個目標，二段蒸發(fā)分離器液位高度通過電容式液位計轉換為4～20 mA標準電流信號后傳輸?shù)郊⒖刂葡到y(tǒng)DCS上，DCS的控制器通過比較遠的傳液位信號和工藝操作所需要的液位給定信號，經(jīng)DCS控制器PID運算后輸出4～20 mA標準電流信號去自動控制調(diào)節(jié)閥LV-9501的開度，實現(xiàn)該液位的自動控制。

二段蒸發(fā)分離器的液位控制非常重要，如果液位控制太低，尿素熔融泵入口靜壓頭降低，會造成尿素熔融泵P108A/B汽化不打量，尿素造粒系統(tǒng)停運，系統(tǒng)被迫減負荷；如果液位控制太高，將增加尿液在系統(tǒng)中的停留時間，會使尿素中的縮二脲含量升高，造成尿素產(chǎn)品質量不合格。

2 測量原理

二段蒸發(fā)分離器液位計采用的是電容式液位計。電容式液位計的測量原理是：傳感器是根據(jù)圓筒形電容器原理設計制作的，當容器無介質時，傳感器有一個初始電容，當容器內(nèi)有介質時，電容變化量僅與介質高度有關系，而且兩者為線性關系，電容變化量再經(jīng)過信號放大等處理，把介質高度的變化轉換成標準的4～20 mADC電流信號，并遠傳至操作控制室由二次儀表或DCS集散控制系統(tǒng)進行顯示記錄、報警或自動控制。

對于不導電的介質來說，電容式液位計是把一根不銹鋼電極插入到盛工藝介質的容器內(nèi)，不銹鋼電極作為電容的一個電極，容器壁作為電容的另一個電極。當液位升高時，電容式液位計兩個電極間的介電常數(shù)值增大，電容也隨之增大；反之，當液位下降時，電容隨之減小。所以，電容式液位計可通過兩個電極間電容的變化來測量物料液位的高低。

對于導電的介質來說，只需要在不銹鋼電極的外面套上塑料、聚四氟乙烯或搪瓷等絕緣層，插在容器內(nèi)，就成為內(nèi)電極。若容器是金屬制成的，那么外殼就可作為外電極。因尿素溶液具有導電性，所以選用電容式液位計時，需要在不銹鋼電極上面覆蓋絕緣層，由于尿素溶液的強腐蝕性和耐溫要求，一般選用聚四氟乙烯絕緣層。 電容式液位計原理圖如圖1所示。

1.內(nèi)電極 2.絕緣套 3.設備容器

當液位由零變化到H1時，電容傳感器的電容變化量Cx為：

Cx=CH1-C0=2πεH1/ln(D/d)+2πε0(H0-H1)/ln(D0/d)-2πε0H0/ln(D0/d)=2π(ε-ε0)H1/ln(D/d)

式中：ε為絕緣套管的介質系數(shù)；ε0為絕緣套管和空氣共同組成電容的等效介電系數(shù)；D0為設備容器直徑；d為內(nèi)電極直徑；H0設備容器高度；H1為工藝介質液位高度；D為內(nèi)電極和絕緣套的總直徑；由于ε、ε0、D、d、π均為定值，所以Cx只與H1成線性比例關系。

3 存在的問題

尿素裝置運行以來，二段蒸發(fā)分離器液位儀表一直存在著指示準確度不高、使用周期短的問題。特別是2019年以來，該液位計使用的周期縮短了，從原來的6～12個月，逐漸縮短到1～2周。在此期間，利用尿素系統(tǒng)短停檢修的機會更換新的電容式液位計，使用時間也很難超過3個月。最初認為是電容式液位計產(chǎn)品質量問題，先后試用了多家國產(chǎn)電容式液位計，但是效果均不理想，最后更換了美國進口的阿美泰克電容式液位計，使用周期也沒有明顯延長。該電容式液位計經(jīng)常損壞嚴重影響了尿素二段蒸發(fā)系統(tǒng)的正常操作，給尿素系統(tǒng)的安全生產(chǎn)帶來很大影響。為此專門成立了技術攻關小組，努力去解決這一技術難題。

4 原因分析

針對該液位計存在的問題，我們高度重視，多次利用停車機會，把液位計拆卸下來，進行仔細檢查，發(fā)現(xiàn)這些液位計的電極桿外面的聚四氟乙烯絕緣套破損，且損壞的部位主要集中在電極桿的中上部。由于電極桿外的聚四氟乙烯絕緣套遭到破壞，絕緣下降，電極桿與尿素溶液直接接觸后，造成電容式液位計指示失效。為此，結合工藝車間工藝流程和二段蒸發(fā)器設備的結構，對造成的原因進行了分析。認為造成液位計電極桿外絕緣套破損的原因主要有三個方面：①二段蒸發(fā)分離器內(nèi)的折流板可能存在問題，造成高純度尿素溶液在分離器內(nèi)高速旋轉，這樣，高速的尿液旋轉流對電極桿的絕緣套進行直接沖刷、損害，這可能是該液位計電極桿絕緣套破損的主要原因；②電容式液位計的絕緣套厚度只有1 mm，偏薄，也是影響使用壽命的一個原因；③公司為了提高尿素生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，多次生產(chǎn)腐植酸尿素和多肽尿素，在生產(chǎn)這些特種尿素的過程中，需要尿素系統(tǒng)添加多種原料，這些特殊原料的添加也會影響到電容式液位計的使用壽命。

5 解決方案及目標

針對分析的三方面問題，制定了如下方案：①在二段蒸發(fā)分離器內(nèi)增加一個保護管進行有效防護，具體就是在電極桿外面增加一個Φ108 mm×4.5 mm的保護管，材質為316L，在保護管外鉆上均勻分布的Φ14 mm的孔，頂部加316L材質的鋼板封堵，提前制作，待停車期間實施。②解決電容式液位計電極桿外的絕緣套厚度較薄的問題：電極桿外的聚四氟乙烯絕緣材料厚度由原來的1 mm增加到3 mm；選用進口的電容式液位計并提前采購到位，待停車期間安裝并調(diào)試。③改造實施后，要實現(xiàn)電容式液位計的指示準確可靠，運行周期要達到6個月以上，同時要實現(xiàn)二段蒸發(fā)分離器液位自動控制。

6 實施和調(diào)試

①在停車期間工藝處理結束后，拆除電容式液位計，發(fā)現(xiàn)液位計電極的聚四氟乙烯絕緣層已經(jīng)損壞，損壞情況與之前的一樣。②結合工藝，打開二段蒸發(fā)分離器設備的上部，檢查發(fā)現(xiàn)折流板部分沖刷損壞，工藝進行了修復。③蒸發(fā)分離器內(nèi)清理置換合格，具備內(nèi)部焊接條件。為保證焊接質量，要求制作好的保護管中心與液位計的設備管口中心一致，保護管上下同心度要求<5 mm，然后焊接牢固；另外，在設備內(nèi)壁與保護管外壁用不銹鋼管焊接固定，保證保護管的穩(wěn)定牢固，防止尿素溶液沖擊傾斜或變形，影響正常測量。④電容式液位計使用前要調(diào)試正常，結合工藝，在開車前用軟水升降液位進行初步標定，開車后再進一步修正；另外，提前檢查調(diào)試好LV-9501調(diào)節(jié)閥，保證調(diào)節(jié)閥運行可靠。

7 運行效果

二段蒸發(fā)分離器電容式液位計優(yōu)化改造實施后，尿素系統(tǒng)2019年7月初開車以來，該電容液位計一直運行良好。該電容式液位計運行穩(wěn)定可靠、指示準確，尿素二段蒸發(fā)分離器液位實現(xiàn)了自動控制，工藝運行穩(wěn)定，達到了理想的效果。

8 小結

根據(jù)工藝流程和設備結構特點，在二段蒸發(fā)分離器內(nèi)部的液位計管口增加316L不銹鋼保護管。這樣加強了防護功能，克服了工藝設備和操作等方面的影響，使介質液位始終處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，有利于電容式液位計測量的穩(wěn)定性；另外，把電容式液位計電極桿外的聚四氟乙烯絕緣護套增加厚度，提高了絕緣護套的強度，延長了電容式液位計的使用壽命。

該電容式液位計正常運行后，二段蒸發(fā)分離器液位實現(xiàn)了自動控制，有效減輕了職工的勞動強度。二段蒸發(fā)分離器液位穩(wěn)定后，操作人員也有條件在工藝指標內(nèi)把液位控制在較低的范圍，尿素產(chǎn)品中的縮二脲含量明顯下降，尿素產(chǎn)品優(yōu)等品率達到98%以上。穩(wěn)定的二段蒸發(fā)分離器液位也有效防止尿素熔融泵P108A/B汽化，為尿素蒸發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定運行創(chuàng)造了有利條件，解決了影響尿素安全穩(wěn)定生產(chǎn)技術難題。