魏磊 ，林東

(1. 中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086； 2. 廣東茂化建集團有限公司 惠州分公司，廣東 惠州 516086)

某石化公司3.6 Mt/a柴油加氫裝置采用美國杜邦的IsoTherming液相加氫處理工藝技術(shù)，其核心技術(shù)通過為飽和液體循環(huán)油提供反應所需要的氫氣，不再需要循環(huán)氫壓縮機。與傳統(tǒng)滴流床工藝相比，該工藝技術(shù)投資少、能耗低、催化劑利用效率高，可產(chǎn)出極低含硫的柴油，且具有低氫油比，加氫選擇性高的特點[1]。該工藝的關(guān)鍵操作是控制好柴油液相加氫反應器床層液位，使柴油與催化劑充分接觸以保證加氫精制的效果。

該反應器采用床層液位與補充氫流量的串級控制，實現(xiàn)液位的穩(wěn)定控制。自2017年10月開工以來，該反應器液位從未投過自動控制，且測量結(jié)果偏差大，波動頻繁，無法準確反映真實液位，給內(nèi)操帶來很大的困擾，而且頻繁地做在線隔離校表，給維保人員也帶來較大的安全風險。本文通過對反應器液位測量誤差原因的分析，研究并解決上述問題，實現(xiàn)裝置的長周期穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 反應器液位測量誤差分析

反應器液位能有效控制的先決條件是液位的準確測量，該反應器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，氣相空間較小，沒有設置高壓就地直讀儀表，無法準確地觀測到反應器液位。若液位偏低，柴油在催化劑上停留時間變長，催化劑床層易超溫，導致產(chǎn)品不合格；若液位偏高，則床層釋放氣帶液嚴重，進入下游低壓分離系統(tǒng)，導致產(chǎn)品不合格。目前，反應器液位測量的數(shù)據(jù)不能準確表明液位的真實情況，特別是在系統(tǒng)壓力和溫度波動或生產(chǎn)調(diào)整時波動較大，無法投用自動控制，操作員完全是憑經(jīng)驗參考補充氫流量來控制反應器液位。

柴油液相加氫裝置有2臺反應器，共5個床層，每層設計有1臺高靜差壓式液位計和1臺高壓雙法蘭式液位計。為減少反應器開孔數(shù)量，2臺液位計共用1個取壓點，誤差產(chǎn)生原因主要有以下兩點。

1.1 遷移的零點發(fā)生漂移

柴油液相加氫反應器設計工況是8.9～9.4 MPa，溫度為394～400 ℃，采用靜差壓式液位計測量液位，工作原理如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場變送器安裝的位置，正、負壓側(cè)至變送器相同高度所產(chǎn)生的壓力已相互抵消，無需重復計算，僅計算滿量程零點負遷移即可，如式(1)所示：

圖1 反應器差壓式液位計工作原理示意

Δp=ρgH-ρ0gh

(1)

式中： Δp——差壓，MPa；ρ——反應器內(nèi)柴油密度，kg/m3；H——液位高度，m；g——重力加速度，m/s2；ρ0——隔離液密度，kg/m3；h——正、負間取壓點的高度，m。

式(1)中h是定值，則通過對Δp的測量，可得到相應的液位高度。正常生產(chǎn)時5個床層的操作溫度不一樣，但基本上控制在345～370 ℃。正常工況下柴油密度為420～510 kg/m3?？紤]到生產(chǎn)穩(wěn)定后，床層溫度變化不大，校驗變送器時不再修正柴油密度。

由于反應器操作工況為高溫、高壓、高硫化氫，設計時將變送器引壓管設計為密閉排污，因此隔離液只能使用反應器內(nèi)的高溫柴油。當引壓管中引入高溫柴油后，因為末端不流動，隔離液密度完全受反應器溫度和環(huán)境溫度影響，無法知道準確的密度值，所以遷移量(ρ0gh)不是一個穩(wěn)定值。其次，負壓側(cè)氣相空間小，實際工藝介質(zhì)是氣液混合相，不完全是氣相。儀表量程較小，只有6.25 kPa，當壓力波動1 kPa，液位就波動16%，在實際生產(chǎn)中，DCS示值經(jīng)常超過100% 或顯示負值，給操作員帶來很大的困憂。

1.2 設計引壓結(jié)構(gòu)不合理

以現(xiàn)場該反應器液位計引壓管配置為例，如圖2所示，分析測量誤差原因。

圖2 反應器液位計引壓管配置示意

變送器1為高靜差壓式液位變送器，使用負遷移法測量，一般從變送器下部引壓管處注入隔離液，但密閉排污方案使得隔離液只能從變送器的排污口處注入。主要問題是正負壓側(cè)引壓管沒有設置放空閥，無法確認垂直段引壓管是否存在氣體或充滿液體。因為反應器不能進水，現(xiàn)場嘗試用常溫柴油作為隔離液從變送器排污口處注入，通過引壓管的高度和長度計算滿管所需要注入柴油的量，實際投用后誤差依然很大，主要原因是高溫柴油與常溫柴油互溶，隔離液密度發(fā)生了較大的變化。

反應器從冷態(tài)升至操作溫度會膨脹升高約12 cm，原設計對引壓管水平段增加了約3 m的π型彎管，防止開工升溫時引壓管被拉斷。若使用正遷移測量法，要保證負壓側(cè)引壓管內(nèi)氣相必須穩(wěn)定，但氣態(tài)輕烴會在3 m的π型彎管處冷凝成液態(tài)；其次，反應器的氣相空間屬于氣液混合相，無法滿足正遷移測量的條件。現(xiàn)場曾用正遷移法校表，在儀表投用48 h后誤差逐步擴大。

變送器2是高壓雙法蘭液位變送器，因毛細管內(nèi)是密度不受溫度影響的硅油，可以有穩(wěn)定的遷移量。主要問題是負壓側(cè)引壓管為DN50，3個高壓截止閥尺寸較大，從反應器根部至取壓法蘭處長度超過2 m，氣相輕烴會冷凝成液態(tài)形成氣液混合態(tài)。在校驗雙法蘭液位計時，發(fā)現(xiàn)負壓側(cè)放空處有大量的液體噴出；其次，原設計引壓結(jié)構(gòu)無法滿足正常生產(chǎn)時在線校表，通過正負取壓法蘭同時對大氣來校驗零點。因為反應器的工況是高壓、高溫、高硫化氫，安全專業(yè)不允許在沒有盲板隔離的環(huán)境下，拆卸正負取壓法蘭，同時對大氣來校驗零點。利用檢修契機拆下法蘭，單校變送器時發(fā)現(xiàn)，負壓側(cè)法蘭膜片上有大量結(jié)焦且很難脫落，膜片彈性變差，變送器輸出線性不好，零點漂移明顯。

2 反應器液位測量的改進

液位測量利用連通器原理是最直接、最準確和最有效的方法，但該裝置柴油加氫液相反應器初始設計并沒有設置直讀表。由于沒有參考基準，高靜差壓式液位計和高壓雙法蘭液位計又有諸多不利的客觀因素，給校表帶來很大的困擾。因此，需要改進該液位測量的方式。

通過與高壓磁浮子液位計供應商技術(shù)人員交流，討論高壓磁浮子液位計在該反應器工況： 壓力為8.9～9.4 MPa，溫度為394～400 ℃，密度為0.42～0.51 kg/m3的條件下使用的可行性，得出結(jié)論必須要降低儀表使用的溫度，否則浮子無法滿足該高溫高壓工況，這也是該裝置建設初期沒有設計磁浮子液位計的原因。由于高壓雙法蘭液位計為測量終端，工藝介質(zhì)不流動，經(jīng)過2 a的觀察發(fā)現(xiàn)，該液位計取壓法蘭的溫度未超過100 ℃。因此，高壓磁浮子液位計完全能適用于柴油液相加氫反應器的工況。同時，增加外捆綁式磁致伸縮液位計，不與工藝介質(zhì)接觸，實現(xiàn)DCS數(shù)據(jù)遠傳功能。

2.1 磁浮子液位計

磁浮子液位計是根據(jù)磁耦合原理、連通器原理和浮力原理來實現(xiàn)液位的檢測。在非磁性測量腔體內(nèi)，裝有—個內(nèi)置360°環(huán)磁的浮子，該浮子隨液面的上下變化而同步改變。同時，通過其內(nèi)部磁鋼的磁場與外部指示器、變送器發(fā)生磁耦合作用，反映出液面的真實高度。該類液位計被廣泛應用于易燃、有毒、高溫高壓和腐蝕工況。

浮子是整臺儀表的核心部件，決定了儀表的性能，主要由薄壁圓筒、半球封頭、支撐環(huán)和磁鋼組件組成，浮子工作原理如圖3所示。選型時需考慮工藝壓力、密度、溫度以及介質(zhì)腐蝕性等因素。

圖3 浮子工作原理示意

磁浮子液位計指示器是外操巡檢檢查液位的有效工具，也是儀表校驗差壓式液位變送器的參考標準。該指示器為真空玻璃管，玻璃管內(nèi)封裝有雙色磁性翻片，防水防塵，同時避免水汽進入，導致磁性翻板被氧化；磁性翻板為耐高溫磁粉鑄制，磁性持久穩(wěn)定，180°限位，機械互鎖，避免亂翻。

磁浮子液位計根據(jù)壓力為10 MPa，溫度為280 ℃，密度為0.55 kg/m3的工藝條件選型，整個磁浮子質(zhì)量約為80 g，因此，為防止反應器壓力波動對磁浮子造成沖擊，在磁翻板腔體頂端蓋和底部法蘭處設計有緩沖彈簧，磁翻板腔體結(jié)構(gòu)如圖4所示。測量范圍控制在過程連接中心線之間，以保證磁浮子的安全穩(wěn)定運行。

圖4 磁翻板腔體結(jié)構(gòu)示意

2.2 磁致伸縮液位計

磁致伸縮液位計是一種可以連續(xù)測量液位、界位，并能夠提供高精度信號用于監(jiān)測和控制的儀表[2]。主要由傳感器探桿、浮子、信號處理器組成。其工作原理是脈沖電流沿非磁性探桿形成旋轉(zhuǎn)磁場，當外部磁場與該磁場疊加會產(chǎn)生一個新的電流脈沖，信號處理器記錄并計算2個脈沖電流之間的時間差即可知道浮子所在的位置。由于磁浮子液位計已有浮子，磁致伸縮液位計就選擇外捆綁不接液式。需要注意的是磁致伸縮液位計屬于精密儀表，而高壓磁浮子液位計腔體厚度約11 mm，這對浮子內(nèi)部的磁鋼磁性提出較高的要求。

外捆綁式磁致伸縮液位計依托磁浮子液位計使用，在測量過程中不僅不受溫度、壓力、介電常數(shù)等因素的影響，解決了該工況下的液位需要精確測量的問題，而且精度高、易安裝，穩(wěn)定性好，核心元器件不與工藝介質(zhì)接觸，基本上無需維護。利用現(xiàn)場基金會總線(FF)結(jié)構(gòu)，選擇總線型磁致伸縮液位計，信號傳輸不僅數(shù)字化、智能化，且調(diào)試方便，大幅減少了電纜敷設量，降低施工成本。

3 安裝注意事項

由于該反應器材料為 Cr-Mo 鋼，重新開鑿液位計引壓孔技術(shù)難度較大，施工也很困難，因此經(jīng)與工藝專業(yè)、設備專業(yè)和設計人員討論，確定了在高壓雙法蘭液位計引壓法蘭的短管處增加1個三通接頭，使磁浮子液位計與高壓雙法蘭液位計共用一個取壓點的方案。該方案可把磁浮子液位計當做一個大連通器，減少負壓側(cè)積液對高壓雙法蘭液位計測量的影響。安裝時特別需要注意： 磁浮子與腔體內(nèi)壁只隔3 mm，技術(shù)人員在配管施工時，務應保證磁浮子液位計垂直安裝，避免磁浮子在腔體內(nèi)傾斜，影響液位測量。

4 結(jié)束語

柴油液相加氫反應器液位測量因高溫引起的柴油密度變化導致儀表測量誤差大，而高壓和高硫化氫又給頻繁校表帶來較大的安全風險。高壓磁浮子液位計搭配磁致伸縮液位計既可以就地顯示液位，又解決了液位測量的遠傳數(shù)據(jù)完全不受溫度變化的影響，穩(wěn)定性好，維護頻率低。同時，更好地解決了在開、停工過程中溫度大幅度變化導致的內(nèi)操“盲眼”問題，也大幅降低了現(xiàn)場校表的安全風險。該測量方案對同類加氫反應器液位儀表改造或選型具有參考意義。