余小儒，張 歡

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素裝置中液位計的選型及安裝

余小儒，張 歡

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢430223)

各種液位計的在尿素裝置上都有所應用，并且液位計的準確度是尿素穩(wěn)定運行的重要參數(shù)。而尿素裝置具有高溫、高壓及介質(zhì)腐蝕性強，易結晶，介質(zhì)密度波動大的特點，對各種類型的液位計都有相應的要求。本文簡述了尿素裝置各類代表性設備液位計的選型和安裝，提出了尿素裝置液位計的應用范圍，選型要點和安裝要求。

尿素裝置；射線液位計；電容式液位計；雷達液位計；應用范圍；安裝要求

目前尿素新建裝置生產(chǎn)工藝主要有CO2汽提法和氨汽提法和水溶液全循環(huán)溶液法工藝，其中CO2汽提法和氨汽提法工藝比較先進，東洋的ACES21工藝也有其特點。尿素中分離設備及儲罐眾多，相對應在液位計選型上面也有很多特點?？紤]到尿素裝置的高溫、高壓及介質(zhì)腐蝕性強，易結晶，介質(zhì)密度波動大的運行特點，液位計選型必須考慮尿素裝置工藝本身特點進行選取，主要有以下類型：

1 射線液位計

在尿素裝置中，合成塔，汽提塔，高壓甲銨冷凝器，高壓分離器(Snam氨汽提工藝)都是屬于核心設備，CO2汽提法工藝，射線液位計選擇為合成塔和汽提塔；氨汽提法工藝中，射線液位計選擇為高壓分離器和汽提塔；而在日本東洋的ACES21工藝中，射線液位計安裝在高壓甲銨分離器和汽提塔。設備內(nèi)均為高溫、高壓、易結晶，并帶有強腐蝕性的介質(zhì)。更為重要的是，設備中尿素的反應和逆反應都同時在進行，屬于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相共存的狀態(tài)，常規(guī)液位測量很難精確，所以一般都采用放射性液位計。

放射性液位計的測量是非接觸式的，安裝十分方便。放射性液位計一般有兩種，分別為同位素Cs137和Co60。Cs137半衰期為30.2年，穿透性差一些；Co60 半衰期為5.3年，穿透性強。要求強度大的或被測介質(zhì)密度低、測量范圍小的可選用 Cs137，大直徑厚壁容器要求穿透能力強的可選用Co60。放射源有點狀源和棒狀源之分。Cs137 一般為點源，也很難做成連續(xù)的棒狀源，而 Co60 既可做點源又可做棒狀源。

作為汽提塔，一般射線液位計設置在汽提塔底部，由于汽提塔底部出料側直徑較小，一般都選用Cs137為點源進行測量。安裝的位置和測量見圖1：

而不管上述三種工藝，合成塔，高壓分離器或者高壓甲銨冷凝器則由于在測量端設備直徑較大，需要穿透力強的射源，一般選用Co60。并且一般選擇非連續(xù)的棒狀源。安裝的位置和測量見圖2：

圖1 汽提塔射線液位計安裝示意圖

圖2 甲銨冷凝器射線液位計安裝示意圖

2 電容式液位計

電容式液位計一般用于尿素裝置中低壓分解器，以及蒸發(fā)的液位測量。在此階段，隨著尿素濃度的增加，結晶的可能性變大。目前尿素裝置在這些設備的液位測量一般選擇有電容式液位計和隔膜式雙法蘭液位計。

電容式液位計是采用測量電容的變化來測量液面的高低的。它是一根金屬棒插入盛液容器內(nèi)，金屬棒作為電容的一個極，容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)ε1和液面上的介電常數(shù)ε2不同，比如：ε1>ε2，則當液位升高時，電容式液位計兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當液位下降，ε值減小，電容量也減小。所以，電容式液位計可通過兩電極間的電容量的變化來測量液位的高低。電容液位計的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保證液位測量準確，因被測介質(zhì)具有導電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。電容液位計體積小，容易實現(xiàn)遠傳和調(diào)節(jié)，適用于具有腐蝕性和高壓的介質(zhì)的液位測量。

由于上述結構，電容式液位計可適用于高溫、高壓、強腐蝕，易結晶，防堵塞，防冷凍及固體粉狀、粒狀物料。

電容式液位計的安裝位置和內(nèi)部結構見圖3和圖4：

圖3 電容式液位計安裝圖

圖4 電容計套管圖

電容式液位計的測量主要就是依賴兩個電極之間的電容量變化，也就是說電容液位計的靈敏度是取決于兩個介質(zhì)，氣體、和液體的介電常數(shù)的差值。電容液位計的測量必須保證兩個介質(zhì)的介電常數(shù)保持一致，否則介電常數(shù)的變化會直接導致誤差的產(chǎn)生。

電容式液位計的金屬棒電極都覆蓋有絕緣層，這樣可以避免因被測量介質(zhì)具有導電性而產(chǎn)生的測量誤差和安全隱患。

但在使用中，有如下問題會導致測量不準：

(1)絕緣層密封性不好，即四氟套管內(nèi)進入尿液，造成內(nèi)電極與外容器壁之間短路，使電機損壞。

(2)當容器內(nèi)溶液的密度波動時，也會造成液位測量不準

(3)電容外套管之間不流通，形成結晶層，是的液體介電常數(shù)變大，導致測量不準。

所以在選用電容式液位計時，必須考慮到設備與電容套管之間流通性正常，即套管空間內(nèi)的孔洞在安裝時必須考慮連通口高度設置是否合理，是否存在尿素結晶的"死區(qū)"。如果存在"死區(qū)"的位置，必須設計伴熱管線以及停車置換時的排放口。

3 雙法蘭液位計

雙法蘭液位計是另一種在尿素應用很廣的液位計，從中壓分解器、低壓分解器、蒸發(fā)器的液位計可選用隔膜式雙法蘭液位計，到工藝冷凝液回收單元和工藝冷凝液處理單元都可以選用雙法蘭液位計。

作為測量液位的儀表，雙法蘭比單法蘭更精確，考慮到尿素的易結晶性，普通的雙法蘭難以滿足液位測量的要求，所以需要對雙法蘭進行一定的升級，如帶沖洗水的負遷移雙法蘭液位計，見圖5：

圖5 帶沖洗水的負遷移雙法蘭液位計

它的目的在于通過在兩端持續(xù)的增加等量的沖洗水來防止負壓測結晶，但同時伴隨的問題有：

(1)沖洗水易受操作工況影響，很容易造成兩端沖洗水流量不均，影響實際液位測量；

(2)如果沖洗水不穩(wěn)定，甲銨濃度過高，會在負向?qū)汗苄纬山Y晶，堵塞負壓管，同樣造成測量不準；

(3)精確度上，由于兩種沖洗水受槽罐液位的影響，背壓不同。同樣造成兩端的壓力取值點有不同，在液位波動時，兩端沖洗水的背壓也會變化，造成液位計的指示誤差更加變大。

針對以上問題，所以目前新建尿素裝置大量的采用隔膜式雙法蘭液位計，見圖6：

隔膜式雙法蘭液位計針對普通的雙法蘭液位計有如下的優(yōu)點：儀表維護量小、測量準確，通過隔膜讓物料同液位計相隔離，適用于高溫高壓、強腐蝕等介質(zhì)的液位測量；并且不用加隔離液或者沖洗水等額外措施，降低了因隔離液流失或者沖洗水不穩(wěn)定導致的液位測量誤差的幾率。但在使用的過程中由于其特性，有如下幾個問題有注意：

(1)環(huán)境溫度可能會影響毛細管內(nèi)硅油的密度，從而引起測量誤差；

(2)毛細管容易被壓斷、測量膜盒受外力變形后，影響測量精度；

(3)設計及安裝時，配對法蘭的尺寸不完全一致，導致存在部分波紋管面安裝時承壓，造成測量誤差，嚴重時會造成波紋面產(chǎn)生裂紋，導致硅油泄漏，液位計測量失效。

圖6 隔膜式雙法蘭液位計

所以在選用隔膜式雙法蘭液位計需要注意的有以下因素:

防止儀表有"死點"造成波紋管處形成尿素結晶，影響測量精度?？紤]到尿液容易結晶的特點，在選擇儀表尺寸時應注意波紋管的突出面和設備內(nèi)壁貼合緊密平滑，無凹槽。

4 導波雷達液位計

導波雷達液位計應用于尿素的各個地下回收槽的液位測量。同時由于尿素的地下回收槽濃度波動大，易結晶的特點，一般采用雷達液位計，雷達液位計有如下優(yōu)勢：

智能雷達物位計適用于對液體、漿料及顆粒料的物位進行非接觸式連續(xù)測量，適用于溫度、壓力變化大；有惰性氣體及揮發(fā)存在的場合。

雷達液位計一般分為兩種，一種為非接觸式測量；另一種導波雷達為接觸式測量。接觸式測量要求高，但是導波雷達更適用于尿素裝置的運行工況。如罐內(nèi)有攪拌，介質(zhì)波動大，這樣的工況用底部固定的導波雷達測量值要比變通雷達穩(wěn)定；還有小罐體內(nèi)的物位測量，由于安裝測量空間小(或罐內(nèi)干擾物較多)，一般普通雷達不適用，這時導波雷達的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了；再有是低介電常數(shù)的工況，無論雷達還是導波雷達測量原理都是基于介質(zhì)介電常數(shù)差別，由于普通雷達的發(fā)射的波是發(fā)散的，當介質(zhì)介電常數(shù)過低時，信號太弱測量不穩(wěn)定，而導波雷達波是沿導波桿傳播信號相對穩(wěn)定，另外一般的導波雷達還有底部探測功能，可以根據(jù)底部回波信號能測量值加以修正，使信號更為穩(wěn)定準確。見圖7和圖8：

由圖可以看出在導波雷達液位計的實際應用中，若介質(zhì)為低介電常數(shù)，當其處于低液位時，罐底可見，此時為保證測量精度，建議將零點定在低高度為C 的位置。理論上測量達到天線尖端的位置是可能的，但是考慮到腐蝕及粘附的影響，測量范圍的終值應距離天線的尖端至少100mm。對于過溢保護，可定義一段安全距離附加在盲區(qū)上。所以導波雷達液位計的測量范圍應該根據(jù)設備情況來確定。

圖7 導波雷達液位計

圖8 非接觸雷達液位計

5 結語

在尿素裝置的液位計儀表中，液位的測量是一種非常重要的參數(shù)，其測量結果對于尿素裝置的高效、穩(wěn)定運行有著重要的作用。液位計的類型較多，在同種工藝下的選擇也并不是唯一，在選型和安裝時，應結合以往的工程運行經(jīng)驗以及工藝的特點，選擇經(jīng)濟適用 的液位計，并充分考慮各類液位計的特點及安裝要求，保障液位的測量準確度。

[1] 鄔明亮.γ射線液位計在尿素合成工段中的應用[J]. 石油化工自動化 2003(6)： 64-66.

[2] 趙 斌. 尿素裝置液位計分析與改進[J]. 大氮肥, 2013(8)：252-253.

(本文文獻格式：余小儒，張歡.尿素裝置中液位計的選型及安裝[J].山東化工，2017，46(16)：158-160.)

Type Selection and Installation for liquidometer in Urea Plant

Yu Xiaoru, Zhang Huan

(China Wuhuan Engineering Co.，Ltd., Wuhan 430223, China)

Types of liquidometer are used in Urea plant, the liquid level measurement which is important parameter to enable the stable operation of the Urea plant. There are a lot of features of Urea plant which need take corresponding requirement of liquidometer selection, such as high pressure and temperature, the strong corrosivity of medium, easy crystal, big density fluctuation, etc. This article describes the liuquidometer selection and installation which used in kinds of typical equipment of Urea plant, and make requirements of the liquidometer's application range, model selection and installation.

urea plant; radiation level meter; radar level meter; capacitive level meter; application range; installation requirement

TQ441.41

：A

：1008-021X(2017)16-0158-03

2017-05-31

余小儒(1983—)， 開車工程師 ,主要從事化工裝置的試車技術指導和管理工作。