郭宏遠(yuǎn) 高 原

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司)

電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)在HT-L煤氣化中的應(yīng)用

郭宏遠(yuǎn) 高 原

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司)

以氣化爐激冷室的液位測(cè)量為例，簡(jiǎn)單介紹原有的測(cè)量方案與雙法蘭式差壓液位計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，進(jìn)而提出了改用電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)的改造方案，并詳細(xì)介紹其工作原理、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用和在安裝過程中需要注意的事項(xiàng)。

電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì) HT-L煤氣化 激冷室液位

HT-L煤氣化工藝是目前廣泛應(yīng)用的先進(jìn)粉煤加壓氣化技術(shù)，它將原料煤粉經(jīng)過磨碎干燥后，加壓輸送至航天氣化爐內(nèi)。氣化爐采用加壓氣流床工藝，干粉煤與氧氣、蒸汽在高溫高壓下，進(jìn)入爐膛內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，反應(yīng)生成的合成氣(主要成分為CO和H2)和熔渣在激冷室經(jīng)激冷水和水浴冷卻，渣排入爐外回收利用，合成氣經(jīng)洗滌塔洗滌除塵后進(jìn)入下游系統(tǒng)。

整個(gè)HT-L煤氣化項(xiàng)目的工藝流程較長、工藝介質(zhì)較多且工況復(fù)雜，整個(gè)裝置涉及大量的腐蝕性介質(zhì)(如灰水、渣水及黑水等)，需要進(jìn)行液位的測(cè)量，涉及的主要設(shè)備有氣化爐激冷室、合成氣洗滌塔及高低壓閃蒸罐等。這類介質(zhì)的共同特點(diǎn)是臟污、含有懸浮固體顆粒、粘度高、具有腐蝕性，普通的差壓液位計(jì)難以勝任這類介質(zhì)的測(cè)量，在航天長征化學(xué)工程股份有限公司以往的項(xiàng)目中一直采用雙法蘭式差壓液位變送器并加裝沖洗吹掃的方式進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用反饋，雙法蘭差壓液位計(jì)的測(cè)量效果并不理想且日常維護(hù)量大，因此公司在后續(xù)的項(xiàng)目中改用了新型的電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)。

1 原液位測(cè)量方案簡(jiǎn)介

2 雙法蘭差壓液位計(jì)存在的問題

采用雙法蘭差壓液位計(jì)進(jìn)行HT-L氣化爐激冷室液位的測(cè)量，雖然能夠基本滿足測(cè)量要求，但是由于介質(zhì)的特殊性與現(xiàn)場(chǎng)工況的復(fù)雜性，實(shí)際應(yīng)用中仍然存在以下幾點(diǎn)問題，導(dǎo)致測(cè)量精度降低，日常操作與維護(hù)量較大，變送器的使用壽命縮短：

a. 零點(diǎn)遷移誤差。使用雙法蘭差壓液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)必須計(jì)算零點(diǎn)遷移量，變送器的量程和遷移量與變送器的正向和負(fù)向取壓孔之間的距離成正比[1]。由于氣化爐激冷室內(nèi)介質(zhì)的密度與毛細(xì)管內(nèi)硅油的密度均是理論值，在實(shí)際開停車操作中，由于爐內(nèi)壓力與溫度的大幅變化，被測(cè)介質(zhì)的密度并不固定，儀表初始設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算得出的理論零點(diǎn)遷移量與實(shí)際值存在一定的偏差，從而導(dǎo)致液位測(cè)量失準(zhǔn)。同時(shí)，又由于差壓變送器正、負(fù)取壓端法蘭所接觸的介質(zhì)溫度不同，使得變送器兩端毛細(xì)管內(nèi)的密封液(硅油)膨脹不一致，又會(huì)產(chǎn)生新的零點(diǎn)漂移[2]。

圖1 原氣化爐激冷室液位測(cè)量方案

b. 毛細(xì)管影響。使用雙法蘭差壓變送器測(cè)量液位，毛細(xì)管是造成測(cè)量誤差的主要因素之一。首先，毛細(xì)管的長度不能過長，單根一般不超過10m。如果毛細(xì)管設(shè)計(jì)過長，現(xiàn)場(chǎng)安裝與維護(hù)難度將大幅增加，同時(shí)也減慢變送器正、負(fù)兩端壓力信號(hào)的傳遞速度，造成響應(yīng)滯后，導(dǎo)致測(cè)量誤差。其次，毛細(xì)管內(nèi)填充液容易受環(huán)境溫度的影響。為測(cè)量高溫介質(zhì)，需要選用耐高溫的硅油，而此種硅油在環(huán)境溫度過低時(shí)粘滯度會(huì)增加，從而對(duì)壓力變化的時(shí)間響應(yīng)過慢，甚至無法正確測(cè)量。所以對(duì)于環(huán)境溫度變化比較大的地區(qū)，如內(nèi)蒙古等，還要考慮對(duì)毛細(xì)管采取保溫伴熱措施。

c. 引壓管堵塞。使用雙法蘭差壓液位計(jì)測(cè)量氣化爐激冷室的液位，由于正、負(fù)引壓管所接觸的被測(cè)介質(zhì)黑水與合成氣中均含有大量的微小顆粒，具有極大的沉積性，當(dāng)測(cè)量裝置長期運(yùn)行時(shí)，引壓管內(nèi)會(huì)逐漸淤積臟污介質(zhì)，造成引壓管堵塞[3]。因此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)下端取壓口采取斜插法蘭的安裝方式，并對(duì)上下取壓口加裝沖洗環(huán)，引入高壓密封水進(jìn)行連續(xù)沖洗，用以清除變送器膜盒上的沉積物，另外也可以對(duì)變送器的膜盒降溫[4]。但是運(yùn)行一段時(shí)間后，引壓管仍然會(huì)產(chǎn)生堵塞結(jié)垢的現(xiàn)象，造成液位測(cè)量誤差。為消除此影響，曾經(jīng)考慮加大沖洗水量，但是沖洗水量過大會(huì)造成一定的渦流，導(dǎo)致壓力傳感誤差，并且會(huì)沖壞膜盒。因此設(shè)計(jì)上采用3臺(tái)雙法蘭差壓液位計(jì)的冗余配置方案，以勉強(qiáng)滿足測(cè)量要求。

d. 膜片腐蝕。因?yàn)樽鳛楸粶y(cè)介質(zhì)的合成氣與黑水，除了都具有腐蝕性外，還含有大量的H+，會(huì)對(duì)長期接觸的膜片產(chǎn)生析氫腐蝕，導(dǎo)致液位測(cè)量誤差。為此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)選型時(shí)已經(jīng)選用了成本較高的316L加厚鍍金膜片，并加裝沖洗裝置進(jìn)行不間斷的沖洗，能夠在一段時(shí)間內(nèi)保障測(cè)量效果，但是在運(yùn)行一段時(shí)間后，仍然需要定期更換膜片，以保證測(cè)量精度。

3 電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)

基于以上所列的實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，公司在新的項(xiàng)目中改用了新型的電子遠(yuǎn)傳差壓液位變送器，取代雙法蘭差壓液位計(jì)。

電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)，即電子遠(yuǎn)傳差壓液位變送器，采用兩個(gè)壓力變送器(傳感器)分別測(cè)量被測(cè)罐體高、低壓側(cè)的壓力，高壓側(cè)作為主傳感器，低壓側(cè)作為副傳感器，再通過電纜將副傳感器的壓力信號(hào)傳遞至主傳感器(或額外的變送器)中進(jìn)行壓差計(jì)算，計(jì)算完成后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的兩線制4～20mA信號(hào)輸出至DCS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控[4,5]。電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)的測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)的測(cè)量原理

目前生產(chǎn)電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)的主流廠家僅有羅斯蒙特、E+H(Endress+Hauser)兩家。羅斯蒙特的3051S ERS (Electronic Remote Sensor)電子遠(yuǎn)傳變送器系統(tǒng)，是使用一主一副兩個(gè)壓力傳感器，將副傳感器的壓力信號(hào)引至主傳感器中進(jìn)行壓差計(jì)算，再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。而E+H的Deltabar FMD72產(chǎn)品與羅斯蒙特不同的是，采用兩個(gè)壓力傳感器+一個(gè)變送器的結(jié)構(gòu)，將高、低壓側(cè)傳感器的壓力信號(hào)傳遞至變送器中進(jìn)行壓差計(jì)算與信號(hào)的輸出，變送器使用安裝支架固定在被測(cè)容器旁。

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4 選型與應(yīng)用

經(jīng)過綜合比較，目前在內(nèi)蒙古伊泰杭錦旗項(xiàng)目上采用羅斯蒙特3051S電子遠(yuǎn)傳變送器系統(tǒng)，采用“兩個(gè)3051SAM壓力變送器+1199系列密封系統(tǒng)+雙側(cè)密封水沖洗”的方式來進(jìn)行氣化爐激冷室液位的測(cè)量。

新型的測(cè)量方案如圖3所示。主、副壓力傳感器均選用3051SAM壓力變送器，主傳感器安裝在氣化爐激冷室底部的取壓位置，即高壓側(cè)；副傳感器安裝在上部的取壓口，且保證在最高液位之上，即低壓側(cè)。過程連接口均采取1199系列密封系統(tǒng)，法蘭式連接。膜片材料為316L加厚鍍金處理，并加裝“熱優(yōu)化器”擴(kuò)展功能，使傳感器膜盒內(nèi)的填充液不再受到環(huán)境溫度的影響。為防止膜盒沉積結(jié)垢，對(duì)高、低壓側(cè)的過程接口處采用高壓密封水持續(xù)沖洗。電纜選擇屏蔽雙絞線，采用CAN總線協(xié)議。

電子遠(yuǎn)傳式差壓液位變送器在安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

a. 兩個(gè)壓力傳感器都可以用作液位計(jì)算的主變送器，但是測(cè)量低壓的傳感器必須安裝在罐體的最高液位之上；

b. 避免在加料區(qū)、泵的抽吸區(qū)域或攪抖器等壓力脈沖信號(hào)能影響到被測(cè)容器的區(qū)域內(nèi)安裝壓力傳感器。

5 優(yōu)勢(shì)

與雙法蘭差壓液位計(jì)相比，電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)如下：

a. 兩個(gè)壓力變送器分別測(cè)量高、低壓側(cè)的壓力值，再傳至主變送器中計(jì)算壓差，不再需要進(jìn)行零點(diǎn)遷移計(jì)算;

b. 取消了傳統(tǒng)的導(dǎo)壓管與毛細(xì)管，也不需要對(duì)毛細(xì)管再進(jìn)行額外的保溫伴熱措施，并且不再受被測(cè)罐體高度的制約，簡(jiǎn)化了設(shè)備的安裝與維護(hù)，避免了傳統(tǒng)導(dǎo)壓管常見的泄漏、堵塞及冷凝等問題；

c. 采用電子遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，傳感信號(hào)采用數(shù)字傳輸方式，使用標(biāo)準(zhǔn)電纜取代了傳統(tǒng)的機(jī)械管路，縮短了信號(hào)響應(yīng)時(shí)間，減少了測(cè)量誤差的積累，消除了環(huán)境溫度影響造成的測(cè)量偏差，保障了測(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性；

圖3 采用電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)的氣化爐激冷室液位測(cè)量方案

d. 電子遠(yuǎn)傳液位變送器系統(tǒng)除了液位計(jì)算之外，還可以分別計(jì)算和傳輸每個(gè)傳感器的溫度與壓力，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量，為過程優(yōu)化控制提供額外的信息，極大地?cái)U(kuò)展了儀表的可用性[6]。

6 結(jié)束語

電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)作為一種新興的智能化液位測(cè)量方式，具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，特別適用于有環(huán)境溫度影響下的腐蝕性、易結(jié)晶或凝固、高粘稠、高溫及懸濁等過程介質(zhì)的液位測(cè)量和超高有壓罐體的液位測(cè)量。盡管目前生產(chǎn)廠家較少，但對(duì)比傳統(tǒng)的雙法蘭式差壓液位計(jì)有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，減少了裝置的“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，減小了現(xiàn)場(chǎng)儀表工的日常操作與維護(hù)工作量，降低了全廠的能耗，全面提高了整個(gè)裝置的環(huán)保質(zhì)量。

[1] 楊云龍.氣化爐激冷室液位的測(cè)量與控制[J].廣州化工,2010,38(3)：168～169.

[2] 劉子云.一種全新的消除雙法蘭智能差壓變送器液位測(cè)量誤差的方法[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(9)：1003～1006.

[3] 李國偉.激冷室液位顯示不正常的原因分析[J].氮肥技術(shù),2015,36(6)：39～41.

[4] 董康.大型氧化反應(yīng)器液位測(cè)量方案[J].工業(yè)技術(shù),2016,(3)：59～60.

[5] 薛永強(qiáng).液氨儲(chǔ)罐液位計(jì)選型探討[J].儀器儀表用戶,2016,23(5)：39～41.

[6] 梁飛.氧化反應(yīng)器液位測(cè)量失準(zhǔn)分析及解決方案[J].石油化工自動(dòng)化,2014,50(6)：41～44.

TH816

B

1000-3932(2017)04-0415-04

2016-10-14，

2017-02-24)

郭宏遠(yuǎn)(1984-)，工程師，從事煤化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，18611085056@163.com。