李慶恩

（中化重慶涪陵化工有限公司，重慶涪陵 408000）

美國孟莫克公司開發(fā)的吸收過程循環(huán)酸余熱回收系統(tǒng)(HRS)工作原理是利用硫酸在w(H2SO4)99%以上腐蝕性略有下降的特性，將酸溫度和酸濃度同時(shí)控制在一個(gè)狹窄區(qū)域，針對(duì)特定工況開發(fā)出耐強(qiáng)腐蝕的專用ZeCor合金材料，使HRS實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，硫酸低溫位熱能回收系統(tǒng)余熱回收率達(dá)75%以上[1]。

HRS的技術(shù)核心是嚴(yán)格控制酸濃度。200 ℃以上、w(H2SO4)99%以下時(shí)，硫酸對(duì)設(shè)備腐蝕相當(dāng)大，酸濃度越低，維持時(shí)間越長，腐蝕速率越快，且防腐材料不易抵抗。為此，除設(shè)置常規(guī)的溫度、壓力、液位等控制儀表外，在酸循環(huán)管路上還設(shè)置多臺(tái)酸濃度在線分析儀，并進(jìn)行酸濃度超限報(bào)警及聯(lián)鎖。在裝備上，孟莫克公司選擇了全球知名的酸濃度在線測(cè)量儀表、Lewis控制閥，以及完善的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，確保HRS安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。

1 酸濃度在線分析儀

1.1 工作原理

酸濃度和電導(dǎo)率存在一定關(guān)系，可采用電導(dǎo)率分析儀測(cè)量酸濃度。電導(dǎo)率傳感器有接觸式探頭和無電極（也稱感應(yīng)型）式探頭，鑒于硫酸電導(dǎo)率高、腐蝕性強(qiáng)，應(yīng)采用無電極式探頭。環(huán)形電導(dǎo)率傳感器測(cè)量原理基于法拉利電磁感應(yīng)，示意見圖1。

圖1 環(huán)形電導(dǎo)率傳感器測(cè)量原理示意

采用2個(gè)分離的線繞成金屬環(huán)形線圈，封裝在一個(gè)耐腐蝕非金屬環(huán)形探頭內(nèi)作為檢測(cè)傳感器，也稱之為環(huán)形電導(dǎo)率傳感器。兩個(gè)線圈一個(gè)作為發(fā)送器（勵(lì)磁線圈），一個(gè)作為接收器（測(cè)量線圈）。T1，T2為環(huán)形變壓器，發(fā)送器線圈通電U1時(shí)，T1中產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁通，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，此交變磁通使溶液產(chǎn)生感應(yīng)電流Ie，形成一個(gè)交叉于T1，T2的電流環(huán)，電流環(huán)電流與溶液電導(dǎo)率成正比，同時(shí)電流環(huán)又使T2中生成交變磁通，從而使溶液與電流Ie成比例的電壓U2在接收器線圈中形成。通過測(cè)量電壓U2的大小，得到該溶液的電導(dǎo)率值，根據(jù)溶液濃度對(duì)電導(dǎo)率的相關(guān)曲線，將電導(dǎo)率測(cè)量值換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

將環(huán)形磁芯繞制的傳感器放置于硫酸溶液中，包圍傳感器的溶液通過中心孔形成電介質(zhì)回路，溶液回路等效電阻Re=K/Xe，（K為傳感器系數(shù)），溶液回路感應(yīng)電流Ie的大小由溶液等效電阻Re，即溶液電導(dǎo)率Xe決定。這樣在接收器線圈上可得到隨電導(dǎo)率變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2，通過溫度補(bǔ)償及計(jì)算，就能測(cè)量出瞬時(shí)硫酸濃度值。

1.2 儀表選擇

酸濃度在線分析儀是HRS裝置的關(guān)鍵儀表，因傳感器工作于200 ℃高溫，可供選擇的儀表廠商極少，儀表為原裝進(jìn)口，價(jià)格昂貴。典型HRS工藝在線酸濃度測(cè)量點(diǎn)位示意見圖2。

圖2 典型HRS工藝中在線酸濃度測(cè)量點(diǎn)位示意

圖2中，酸濃度檢測(cè)傳感器工作溫度高于180 ℃的測(cè)量點(diǎn)有A1，A2，A3，A4，其中A1工作溫度在200~220 ℃。稀釋器加水控制酸濃度是工藝操作管控重點(diǎn)，所以其出口管酸濃度檢測(cè)設(shè)置了2臺(tái)酸濃度在線分析儀，若2臺(tái)分析儀測(cè)量濃度差值超限可報(bào)警。A1，A3和A4測(cè)點(diǎn)極為重要，參與系統(tǒng)聯(lián)鎖。

由于HRS需要檢測(cè)的是200 ℃高溫下的硫酸濃度，普通的插入式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器無法滿足工況溫度要求，所以采用特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)形電導(dǎo)率傳感器——流通式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器。流通式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器與插入式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器的結(jié)構(gòu)略有不同，流通式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器測(cè)量原理示意見圖3。

圖3 流通式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器測(cè)量原理示意

流通式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器也有發(fā)送器和接收器兩個(gè)線圈，但這兩個(gè)線圈置于內(nèi)襯聚四氟乙烯的短管外，工藝介質(zhì)由短管內(nèi)流過。由于環(huán)形線圈不是直接插入被測(cè)溶液，因此需要用外部連接線把電路接通。所謂外部接線就是用短接片連接2個(gè)與工藝介質(zhì)接觸的金屬環(huán)，即環(huán)形電導(dǎo)率傳感器的 2個(gè)工作線圈。短接片起連通線圈的作用，接觸線圈就是傳感器與工藝過程管線連接的配對(duì)法蘭。

在HRS中，在線酸濃度測(cè)量采用取樣管抽出式連續(xù)測(cè)量方式，工藝介質(zhì)返回后續(xù)系統(tǒng)，儀表采用DN25管徑規(guī)格，法蘭的壓力等級(jí)Class150 的流通式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器包括襯聚四氟乙烯短管、環(huán)形電極、連接法蘭和信號(hào)電纜。傳感器材質(zhì)是不銹鋼管材內(nèi)襯聚四氟乙烯。

整套酸濃度在線分析儀由流通式環(huán)形電導(dǎo)率傳感器（以下簡稱傳感器）、1個(gè)分離的自動(dòng)溫度補(bǔ)償元件（熱電阻）及相匹配的分析儀三部分組成。通過分析儀測(cè)量出硫酸的電導(dǎo)率值，輸出4~20 mA DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸至DCS，在DCS中通過硫酸電導(dǎo)率與濃度的線性化公式進(jìn)行濃度轉(zhuǎn)換。測(cè)溫?zé)犭娮璋惭b在傳感器下游附近的采樣管路中，根據(jù)對(duì)電導(dǎo)率的檢測(cè)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。酸濃度在線分析儀傳感器示意見圖4。

圖4 酸濃度在線分析儀傳感器示意

2 酸濃度在線分析儀使用注意事項(xiàng)

酸濃度在線分析儀在使用時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1）酸濃度在線分析儀傳感器的測(cè)量值與溶液的流速、流向無關(guān)，但需保證傳感器環(huán)形孔內(nèi)介質(zhì)正常流通，不能堵塞。

2）介質(zhì)要滿管，不能有氣泡，否則會(huì)影響測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

3）傳感器與配對(duì)工藝管路法蘭連接螺栓必須絕緣，確保隔離墊片、螺栓絕緣導(dǎo)管及墊圈完好。

4）與傳感器兩端連接的配對(duì)法蘭的短路連通線必須接觸良好。采用獨(dú)立焊接的不銹鋼螺栓，連接線兩端頭制作線鼻子，并進(jìn)行可靠防護(hù)，不能簡易地壓在法蘭連接螺栓上進(jìn)行連接。

5）分離安裝的測(cè)溫?zé)犭娮璋惭b于靠近傳感器的管路上，必須接入分析儀對(duì)電導(dǎo)率檢測(cè)值進(jìn)行補(bǔ)償，并保證溫度檢測(cè)準(zhǔn)確及對(duì)分析儀自動(dòng)溫度補(bǔ)償點(diǎn)的正確配置。

6）酸濃度在線分析儀直接測(cè)量電導(dǎo)率，應(yīng)將電導(dǎo)率在DCS中采用特定硫酸的線性化公式進(jìn)行濃度轉(zhuǎn)換，酸濃度在線分析儀濃度檢測(cè)范圍為w(H2SO4)96% ~ 100%。

7）稀釋器出口的酸濃度在線分析儀傳感器應(yīng)保證空氣分離器正常工作，防止氣泡干擾分析儀讀數(shù)。

3 酸濃度在線分析儀故障原因分析及改進(jìn)建議

3.1 傳感器損壞

在HRS中，傳感器工作環(huán)境是200 ℃溫、0.3 MPa，若長期運(yùn)行，傳感器的聚四氟乙烯襯里管會(huì)變形，造成硫酸泄漏或無法準(zhǔn)確測(cè)量酸濃度。傳感器損壞圖片見圖5。

圖5 傳感器損壞圖片

經(jīng)分析，造成傳感器損壞的原因主要有：

1）傳感器最大設(shè)計(jì)溫度為182 ℃，但工藝介質(zhì)溫度超過200 ℃。酸濃度在線分析儀傳感器選型樣本、傳感器銘牌、信號(hào)電纜標(biāo)貼均標(biāo)明傳感器最大工作溫度為182 ℃。

2）盡管理論上聚四氟乙烯能承受260 ℃高溫，但裝置處于0.3 MPa工藝壓力時(shí)，從180 ℃就開始軟化，隨著溫度升高，軟化程度加劇。高溫下聚四氟乙烯襯里管受熱軟化，在介質(zhì)壓力作用下沿軸向方向伸長，然后從法蘭翻邊連接處拉裂，造成高溫硫酸介質(zhì)進(jìn)入不銹鋼外殼管與聚四氟乙烯內(nèi)襯管之間，并向徑向中心方向擠壓，加劇內(nèi)襯管變形損壞，嚴(yán)重時(shí)造成內(nèi)芯中心管路變形堵塞。襯里損壞示意見圖6，襯里損壞照片見圖7。

圖 6 襯里損壞示意

圖7 襯里損壞照片

3）傳感器襯里軸向伸長與法蘭翻邊拉裂的原因是傳感器內(nèi)徑與配對(duì)法蘭內(nèi)徑存在差異，儀表襯里管內(nèi)徑為φ18 mm，配對(duì)法蘭內(nèi)徑為φ25 mm，因配對(duì)法蘭內(nèi)徑大一些，內(nèi)徑小的內(nèi)襯管受熱變形后在壓力作用下向兩端伸長，最終導(dǎo)致法蘭翻邊連接處的聚四氟乙烯拉裂，傳感器內(nèi)徑與配對(duì)法蘭內(nèi)徑差異示意見圖8。

為了防止傳感器發(fā)生故障提出以下改進(jìn)建議：

1）將配對(duì)法蘭內(nèi)徑改為與傳感器內(nèi)徑相同或稍小，理論上可阻止軟化的聚四氟乙烯內(nèi)襯管兩端伸長，避免法蘭翻邊處拉裂導(dǎo)致的酸進(jìn)殼層擠壓內(nèi)襯四氟管的現(xiàn)象。

2）降低傳感器的工作溫度。該進(jìn)口傳感器最大設(shè)計(jì)溫度為182 ℃，然而實(shí)際溫度遠(yuǎn)超該溫度。最易損壞的是A1（見圖1），因?yàn)樵摐y(cè)量點(diǎn)工藝設(shè)計(jì)溫度是200~227 ℃，實(shí)際操作中工藝溫度基本在210 ℃左右，建議降低傳感器的工作溫度，例如將傳感器進(jìn)口取樣管路不保溫或另外增加冷卻裝置（水冷卻器或者散熱片），使傳感器在182 ℃工作，注意傳感器及后管路仍需要進(jìn)行保溫，以保證安裝在下游的溫度檢測(cè)熱電阻與檢測(cè)傳感器處于同樣的工藝介質(zhì)溫度，使之能正確地進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖 8 傳感器內(nèi)徑與配對(duì)法蘭內(nèi)徑差異示意

3.2 傳感器連接法蘭端面泄漏

流通式酸濃度在線分析儀傳感器是在配對(duì)法蘭上通過外部短接線將電路連通，因此需要將儀表傳感器與配對(duì)法蘭絕緣，才能保證儀表正常工作。原裝儀表配有法蘭端面墊片、連接螺栓絕緣套管和連接螺栓絕緣平墊片等安裝附件。在儀表投用后，因使用介質(zhì)溫度較高，絕緣墊可能會(huì)熱脹冷縮，引起螺栓松動(dòng)造成密封面處硫酸介質(zhì)微漏，此時(shí)只需關(guān)閉取樣閥門，將酸濃度在線分析儀傳感器連接螺栓緊固即可。

一些廠家發(fā)現(xiàn)原法蘭連接螺栓絕緣平墊片變形時(shí)，采用自行加工的聚四氟乙烯平墊片代替，易造成法蘭螺栓壓緊不夠，密封面處介質(zhì)少量泄漏，影響傳感器絕緣性，使酸濃度測(cè)量不準(zhǔn)確。傳感器連接法蘭端面泄漏示意見圖9。

圖9 傳感器連接法蘭端面泄漏示意

法蘭連接螺栓由于兩端均有絕緣平墊片，聚四氟乙烯絕緣平墊片材質(zhì)軟，與金屬螺栓剛度不一致，而且緊固的接觸面小，造成緊固中聚四氟乙烯絕緣平墊片變形，始終無法將法蘭可靠壓緊，從而造成泄漏。

在絕緣墊片外側(cè)各增加1只鋼材質(zhì)的平墊片，可解決連接螺栓無法壓緊的問題，傳感器法蘭連接緊固示意見圖10。

圖10 傳感器法蘭連接緊固

4 儀表運(yùn)行及維護(hù)管理

酸濃度在線分析儀在運(yùn)行過程中需做好維護(hù)，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性：

1）及時(shí)更換有缺陷的酸濃度在線分析儀表。

2）經(jīng)常進(jìn)行人工分析比對(duì)，在使用范圍內(nèi)校準(zhǔn)，保證濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3）嚴(yán)格酸濃度報(bào)警及聯(lián)鎖管理，正常操作時(shí)聯(lián)鎖裝置必須投入使用，若需解除必須嚴(yán)格執(zhí)行審批制度。

4）儀器故障報(bào)警或數(shù)據(jù)保持不變均應(yīng)引起足夠重視，必須詳細(xì)檢查。

5）酸濃度在線分析儀在檢修或者故障維修期間，必須穩(wěn)定稀釋器加水流量，嚴(yán)格各工藝參數(shù)的管控。

6）加強(qiáng)泄漏管理，杜絕傳感器法蘭連接端面泄漏，消除安全隱患，避免污染環(huán)境及損壞儀表。

5 結(jié)語

硫酸裝置低溫位熱能回收系統(tǒng)在國內(nèi)大中型硫酸生產(chǎn)裝置中得以廣泛應(yīng)用，無論是孟莫克公司的HRS 還是國產(chǎn)化的DWRHS，酸濃度在線分析儀均是工藝設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵性儀表，必須得到各級(jí)管理及維護(hù)層面的足夠重視，才能保證生產(chǎn)裝置的安全、穩(wěn)定和長周期運(yùn)行。