劉紀(jì)中

(安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 ， 河南 安陽 455133)

安化集團(tuán)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(xiàng)重要指標(biāo)，它的運(yùn)行指標(biāo)控制好壞直接影響尿素的產(chǎn)品質(zhì)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(jì)，長期以來，該液位計(jì)使用的周期一般在1～2年。自2016年以來，該液位計(jì)頻繁出現(xiàn)故障，造成液位指示不準(zhǔn)確，或液位無顯示，而且液位計(jì)使用周期縮短至兩個(gè)月左右，嚴(yán)重影響尿素裝置的穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)控制調(diào)節(jié)分離器液位，這不僅增加了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且由于手動(dòng)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(yán)重問題。二段蒸發(fā)分離器液位檢測儀表不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響尿素系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高負(fù)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(qū)動(dòng)液進(jìn)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(jìn)入尿素合成塔。經(jīng)二氧化碳壓縮機(jī)壓縮后的高壓二氧化碳也從尿素合成塔底部進(jìn)入合成塔，氨和二氧化碳反應(yīng)生成尿素，其中二氧化碳的轉(zhuǎn)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(jìn)入汽提塔，從汽提塔下部經(jīng)LV-9202進(jìn)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(jìn)一步提純尿素溶液，提純后尿素溶液濃度達(dá)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(jìn)行造粒。對于二段蒸發(fā)分離器來說，工藝操作的一個(gè)重要指標(biāo)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(gè)簡單的控制回路來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，二段蒸發(fā)分離器液位高度通過電容式液位計(jì)轉(zhuǎn)換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(yùn)算后輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號去自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥LV-9501的開度，實(shí)現(xiàn)該液位的自動(dòng)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(yùn)，系統(tǒng)被迫減負(fù)荷；如果液位控制太高，將增加尿液在系統(tǒng)中的停留時(shí)間，會使尿素中的縮二脲含量升高，造成尿素產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

2 測量原理

二段蒸發(fā)分離器液位計(jì)采用的是電容式液位計(jì)。電容式液位計(jì)的測量原理是：傳感器是根據(jù)圓筒形電容器原理設(shè)計(jì)制作的，當(dāng)容器無介質(zhì)時(shí)，傳感器有一個(gè)初始電容，當(dāng)容器內(nèi)有介質(zhì)時(shí)，電容變化量僅與介質(zhì)高度有關(guān)系，而且兩者為線性關(guān)系，電容變化量再經(jīng)過信號放大等處理，把介質(zhì)高度的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mADC電流信號，并遠(yuǎn)傳至操作控制室由二次儀表或DCS集散控制系統(tǒng)進(jìn)行顯示記錄、報(bào)警或自動(dòng)控制。

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

對于導(dǎo)電的介質(zhì)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(dǎo)電性，所以選用電容式液位計(jì)時(shí)，需要在不銹鋼電極上面覆蓋絕緣層，由于尿素溶液的強(qiáng)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(jì)原理圖如圖1所示。

1.內(nèi)電極 2.絕緣套 3.設(shè)備容器

當(dāng)液位由零變化到H1時(shí)，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(zhì)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(shè)備容器直徑；d為內(nèi)電極直徑；H0設(shè)備容器高度；H1為工藝介質(zhì)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(guān)系。

3 存在的問題

尿素裝置運(yùn)行以來，二段蒸發(fā)分離器液位儀表一直存在著指示準(zhǔn)確度不高、使用周期短的問題。特別是2019年以來，該液位計(jì)使用的周期縮短了，從原來的6～12個(gè)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(jī)會更換新的電容式液位計(jì)，使用時(shí)間也很難超過3個(gè)月。最初認(rèn)為是電容式液位計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量問題，先后試用了多家國產(chǎn)電容式液位計(jì)，但是效果均不理想，最后更換了美國進(jìn)口的阿美泰克電容式液位計(jì)，使用周期也沒有明顯延長。該電容式液位計(jì)經(jīng)常損壞嚴(yán)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(shù)攻關(guān)小組，努力去解決這一技術(shù)難題。

4 原因分析

針對該液位計(jì)存在的問題，我們高度重視，多次利用停車機(jī)會，把液位計(jì)拆卸下來，進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)這些液位計(jì)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(jì)指示失效。為此，結(jié)合工藝車間工藝流程和二段蒸發(fā)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)，對造成的原因進(jìn)行了分析。認(rèn)為造成液位計(jì)電極桿外絕緣套破損的原因主要有三個(gè)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(zhuǎn)，這樣，高速的尿液旋轉(zhuǎn)流對電極桿的絕緣套進(jìn)行直接沖刷、損害，這可能是該液位計(jì)電極桿絕緣套破損的主要原因；②電容式液位計(jì)的絕緣套厚度只有1 mm，偏薄，也是影響使用壽命的一個(gè)原因；③公司為了提高尿素生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)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(jì)的使用壽命。

5 解決方案及目標(biāo)

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(gè)保護(hù)管進(jìn)行有效防護(hù)，具體就是在電極桿外面增加一個(gè)Φ108 mm×4.5 mm的保護(hù)管，材質(zhì)為316L，在保護(hù)管外鉆上均勻分布的Φ14 mm的孔，頂部加316L材質(zhì)的鋼板封堵，提前制作，待停車期間實(shí)施。②解決電容式液位計(jì)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(jìn)口的電容式液位計(jì)并提前采購到位，待停車期間安裝并調(diào)試。③改造實(shí)施后，要實(shí)現(xiàn)電容式液位計(jì)的指示準(zhǔn)確可靠，運(yùn)行周期要達(dá)到6個(gè)月以上，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)二段蒸發(fā)分離器液位自動(dòng)控制。

6 實(shí)施和調(diào)試

①在停車期間工藝處理結(jié)束后，拆除電容式液位計(jì)，發(fā)現(xiàn)液位計(jì)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(jié)合工藝，打開二段蒸發(fā)分離器設(shè)備的上部，檢查發(fā)現(xiàn)折流板部分沖刷損壞，工藝進(jìn)行了修復(fù)。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(zhì)量，要求制作好的保護(hù)管中心與液位計(jì)的設(shè)備管口中心一致，保護(hù)管上下同心度要求<5 mm，然后焊接牢固；另外，在設(shè)備內(nèi)壁與保護(hù)管外壁用不銹鋼管焊接固定，保證保護(hù)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(jì)使用前要調(diào)試正常，結(jié)合工藝，在開車前用軟水升降液位進(jìn)行初步標(biāo)定，開車后再進(jìn)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(yùn)行可靠。

7 運(yùn)行效果

二段蒸發(fā)分離器電容式液位計(jì)優(yōu)化改造實(shí)施后，尿素系統(tǒng)2019年7月初開車以來，該電容液位計(jì)一直運(yùn)行良好。該電容式液位計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、指示準(zhǔn)確，尿素二段蒸發(fā)分離器液位實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，工藝運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了理想的效果。

8 小結(jié)

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

該電容式液位計(jì)正常運(yùn)行后，二段蒸發(fā)分離器液位實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，有效減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)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(biāo)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(dá)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(yùn)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(shù)難題。