氧化反應(yīng)器液位測(cè)量失準(zhǔn)分析及解決方案

梁飛

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

液位是化工生產(chǎn)的主要工藝參數(shù)之一。通過對(duì)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)液位的準(zhǔn)確測(cè)量，可以真實(shí)反映設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的多少，為工藝裝置提供正確操作的依據(jù)。通過對(duì)上、下限液位進(jìn)行報(bào)警，連續(xù)地對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，以確保介質(zhì)保持在要求的液位，這為裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行提供了保障[1-2]。

氧化反應(yīng)器是PTA裝置最主要的反應(yīng)設(shè)備，其液位值直接參與工藝聯(lián)鎖，反應(yīng)器中生成的漿料必須保持在一定液位，以確保生產(chǎn)工藝正常，因而對(duì)反應(yīng)器內(nèi)漿料液位準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集與監(jiān)控顯得尤為重要。

1 背景簡(jiǎn)介

某石化企業(yè)PTA裝置工藝路線采用三井-阿莫柯專利技術(shù)，經(jīng)多次改造后，現(xiàn)產(chǎn)量為400 kt/a。隨著產(chǎn)能的提高，氧化反應(yīng)器液位也相應(yīng)提升，通過在原玻璃液面計(jì)上方新增1臺(tái)玻璃液面計(jì)來擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)指示量程，同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器負(fù)壓室側(cè)取壓口上移，通過高負(fù)遷移濕式測(cè)量，用以滿足擴(kuò)容后對(duì)液位測(cè)量的需求。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)、DCS與現(xiàn)場(chǎng)液位顯示值不一致等問題不斷出現(xiàn)。因此，針對(duì)上述現(xiàn)象詳細(xì)論述問題產(chǎn)生的原因及解決方案。

2 問題分析

2.1 反應(yīng)器液位測(cè)量

標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器的構(gòu)成及安裝如圖1所示。正、負(fù)側(cè)取壓管通過封液罐與變送器正、負(fù)室相連，封液為醋酸。因反應(yīng)器無法重新開口，取壓口須使用設(shè)備預(yù)留孔進(jìn)行安裝，擴(kuò)容后h1高度達(dá)到23.1 m，工藝控制液位H由原來的6 m上升至7 m左右。現(xiàn)場(chǎng)玻璃液面計(jì)安裝于連通罐上，連通罐與差壓變送器共用取壓口。

2.2 封液管線伴熱

醋酸熔點(diǎn)16.6℃，沸點(diǎn)117.9℃，溫度低于熔點(diǎn)時(shí)會(huì)凍結(jié)成冰狀晶體。裝置擴(kuò)容前用廢熱蒸汽對(duì)封液管線進(jìn)行伴熱，溫度較低，一般控制在60℃左右。擴(kuò)容后，裝置引入高品質(zhì)蒸汽，因蒸汽溫度較高，需通過簡(jiǎn)易換熱設(shè)備后用于伴熱，溫度控制效果反而變差。

圖1 液位計(jì)安裝示意

2.3 溫度變化對(duì)測(cè)量的影響

觀察分析發(fā)現(xiàn)，伴熱蒸汽壓力的變化，季節(jié)及晝夜溫差的變化對(duì)液位的測(cè)量造成很大影響。下面通過一組計(jì)算加以說明。

圖1中，H是工藝控制液位，正常情況下應(yīng)維持在7 m,變送器負(fù)壓側(cè)封液高度h1為23.1 m, 正壓側(cè)封液高度h2為5.3 m，根據(jù)負(fù)遷移計(jì)算方法可得，變送器正負(fù)室壓差Δp應(yīng)滿足公式[3]：

Δp=ρ2gH-(h1-h2)ρ1g

(1)

式中：ρ1——封液醋酸密度，1.027 1 g/mL(40℃)，1.038 0 g/mL，1.049 8 g/mL[4](20℃)；ρ2——氧化反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)密度，為0.95 1 g/mL；g——重力加速度，取9.8 m/s2。

關(guān)于負(fù)遷移的計(jì)算，這里不多贅述。

當(dāng)H=7 m時(shí)，取此時(shí)溫度為40℃，由式(1)可得：

H=[Δp+(h1-h2)ρ1g]/ρ2g

(2)

反應(yīng)器液位不變，當(dāng)封液醋酸溫度發(fā)生變化時(shí)，ρ1也隨之變化，由式(1)可知Δp也將發(fā)生變化。由于此時(shí)變送器參數(shù)沒有改變，根據(jù)式(2)可知，液位計(jì)的指示值將發(fā)生相應(yīng)變化，液位測(cè)量由此產(chǎn)生了誤差。

假設(shè)在醋酸溫度為40℃時(shí)對(duì)變送器進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)式(2)可得：

H=[Δp+(h1-h2)ρ1(40)g]/ρ2g

(3)

式中：ρ1(40)——40℃時(shí)醋酸密度。

此時(shí)H為實(shí)際液位值。當(dāng)溫度降至30℃時(shí)，變送器參數(shù)不變，但正負(fù)室壓差已經(jīng)由Δp變?yōu)棣(30)：

Δp(30)=ρ2gH-(h1-h2)ρ1(30)g

(4)

結(jié)合式(3)可得溫度變化后H(30)為

H(30)=[Δp(30)+(h1-h2)ρ1(40)g]/ρ2g=

[ρ2gH-(h1-h2)ρ1(30)g+

(h1-h2)ρ1(40)g]/ρ2g=

H-(ρ1(30)-ρ1(40))(h1-h2)/ρ2

(5)

由式(5)可知，當(dāng)溫度降低10℃時(shí)，儀表指示值H(30)比實(shí)際液位值H減少了(ρ1(30)-ρ1(40))(h1-h2)/ρ2。代入數(shù)值后就得到由于溫度變化導(dǎo)致的液位測(cè)量誤差ΔH(30)：

ΔH(30)=(ρ1(30)-ρ1(40))(h1-h2)/ρ2≈0.204(m)

此時(shí)測(cè)量值的相對(duì)誤差為

ΔH(30)/H=0.204/7≈2.91%

換算成反應(yīng)器內(nèi)物料體積偏差V(查工藝手冊(cè)得反應(yīng)器橫截面直徑為5 300 mm)：

V=π(d/2)2ΔH(30)≈4.5(m3)

同理可以算出當(dāng)溫度由40℃降至20℃時(shí)所產(chǎn)生的誤差ΔH(20)為0.425 m，相對(duì)誤差為6.1%，體積偏差達(dá)到9.38 m3。由此可見，液位測(cè)量值的失準(zhǔn)，對(duì)工藝控制的影響很大，將間接改變物料在反應(yīng)器中的滯留時(shí)間，導(dǎo)致反應(yīng)品質(zhì)降低，甚至出現(xiàn)不合格產(chǎn)品或觸發(fā)聯(lián)鎖。

在日常使用過程中，由于蒸汽壓力變化導(dǎo)致伴熱溫度以及環(huán)境溫度發(fā)生變化的情況非常普遍。在晝夜溫差較大的季節(jié)，中午校準(zhǔn)的儀表在夜里時(shí)常出現(xiàn)偏差，DCS指示與現(xiàn)場(chǎng)指示不對(duì)應(yīng)，液位經(jīng)常波動(dòng)，無法指導(dǎo)工藝控制。通過上述計(jì)算，就很容易找到原因。

2.4 其他影響

1) 23.1 m的封液管線，在放大醋酸密度變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性影響的同時(shí)，增加了測(cè)量滯后，降低了控制的及時(shí)性。

2) 伴熱蒸汽溫度不穩(wěn)定，常出現(xiàn)溫度偏高使封液醋酸蒸發(fā)，液位降低，導(dǎo)致測(cè)量值偏差等情況。

3) 醋酸的腐蝕性隨溫度的升高而增強(qiáng)，蒸汽伴熱加劇了醋酸對(duì)管線的腐蝕。

4) 較長(zhǎng)的封液管線增加了跑冒滴漏及外力損傷的可能性，增加了日常儀表維護(hù)的工作量及維護(hù)費(fèi)用。

5) 管線需配套蒸汽伴熱系統(tǒng)，達(dá)不到節(jié)能要求。

3 解決方案

為解決反應(yīng)器液位測(cè)控問題，消除與改善原濕式差壓測(cè)量的各種誤差，通過多方比對(duì)，最終選擇Rosemount3051S/ERS電子遠(yuǎn)傳液位變送器進(jìn)行改造。新表安裝如圖2所示。

圖2 電子遠(yuǎn)傳液位變送器安裝示意

3.1 測(cè)量原理

該電子遠(yuǎn)傳液位變送器使用2個(gè)以數(shù)字方式連接在一起的壓力傳感器取代機(jī)械毛細(xì)管。通過2個(gè)傳感器中的測(cè)壓元件將接收的氣體、液體等壓力信號(hào)進(jìn)行差壓計(jì)算，轉(zhuǎn)變成1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線制4～20 mA HART信號(hào)傳輸給DCS、指示報(bào)警儀、記錄儀等，進(jìn)行測(cè)量、指示和過程調(diào)節(jié)。

3.2 主要部件構(gòu)成

1) 主傳感器。主傳感器為3051S壓力傳感器，性能成熟可靠，使用廣泛。與原標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器和玻璃管液位計(jì)共用取壓口，便于測(cè)量數(shù)值間的比較。主傳感器接收反應(yīng)器底部壓力信號(hào)，與副傳感器傳送過來的信號(hào)進(jìn)行差壓計(jì)算，轉(zhuǎn)換成4～20 mA HART信號(hào)傳送至DCS用于指示。

2) 副傳感器。副傳感器同樣為3051S壓力傳感器，安裝方式與主傳感器一樣，安裝于反應(yīng)器上方取壓口。副傳感器接收壓力信號(hào)經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換后傳輸給主傳感器用于差壓計(jì)算。

3) 連接總線。用于主、副傳感器間信號(hào)的傳輸，選用雙絞線。采用CAN 通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇。CAN總線采用典型的串行總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足了主、副傳感器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和距離的要求[5]。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)器壓力為1.08 MPa，物料密度為0.951 g/mL，儀表使用量程為0～81 kPa，對(duì)應(yīng)液位量程0～8.5 m。因連通罐需定期用2.7 MPa醋酸進(jìn)行沖洗，故選擇儀表最高工作壓力為3.0 MPa。因該廠首次使用該產(chǎn)品，為確保安全，保留原有標(biāo)準(zhǔn)差壓液位計(jì)LIC1201用于比對(duì)，新表與舊表共用取壓口。標(biāo)準(zhǔn)差壓液位計(jì)控制原理如圖3所示，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)液位發(fā)生變化時(shí)，液位調(diào)節(jié)器自動(dòng)輸出信號(hào)，控制反應(yīng)器出口閥LV-1201的閥開度來調(diào)節(jié)介質(zhì)液位。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)差壓液位計(jì)控制原理

圖4為反應(yīng)器液位趨勢(shì)圖，當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，LIC1201指示值將變大，為保證液位平穩(wěn)，調(diào)節(jié)器控制LV-1201加大閥開度，反應(yīng)器真實(shí)液位下降。如圖4所示，電子遠(yuǎn)傳液位變送器LI-1201A指示值下降6.5%，而LIC-1201指示值變化很小。其結(jié)果是直接導(dǎo)致物料在反應(yīng)器中的滯留時(shí)間變少， 反應(yīng)效果變差，而操作工所看到的液位值變化很小，未能及時(shí)將回路切至手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

圖4 反應(yīng)器液位隨溫度變化趨勢(shì)

隨著電子遠(yuǎn)傳液位變送器使用時(shí)間的增長(zhǎng)，裝置對(duì)該表的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性逐步認(rèn)可，并計(jì)劃用LI-1201A取代標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器參與反應(yīng)器液位的自動(dòng)控制。

3.4 方案優(yōu)勢(shì)

1) 與標(biāo)準(zhǔn)差壓變送器相比，電子遠(yuǎn)傳液位變送器系統(tǒng)在性能上有很大的改善，CAN總線的使用，取代了原來的封液管線等機(jī)械部件，縮短了響應(yīng)時(shí)間，即便環(huán)境溫度發(fā)生變化，也不會(huì)對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性造成影響，保證了測(cè)量穩(wěn)定性。

2) 傳感器在取壓口的直接安裝和CAN總線的使用大幅簡(jiǎn)化了設(shè)備的安裝和維護(hù)，引壓管線、封液管線的取消同時(shí)也消除了封液蒸發(fā)、管線堵塞、泄漏等問題發(fā)生的可能。伴熱及各類支架的取消，為項(xiàng)目節(jié)省了費(fèi)用，達(dá)到了節(jié)能的效果。

3) 電子遠(yuǎn)傳液位變送器系統(tǒng)除了液位計(jì)算之外，還提供額外的過程優(yōu)化控制信息，如來自每個(gè)壓力傳感器讀數(shù)的實(shí)時(shí)訪問和液位或體積測(cè)量的比例輸出等，提高了儀表的可用性。

4) 兩線制HART信號(hào)的使用及變送器帶現(xiàn)場(chǎng)LED顯示，方便了設(shè)備后期的調(diào)校維護(hù)，同時(shí)針對(duì)改造項(xiàng)目還可以利用改造前的線路，大幅減少了線路改造費(fèi)用和工程量。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)較新的PTA氧化反應(yīng)器都預(yù)留有儀表安裝位置，可以選擇放射性物位儀表等進(jìn)行液位的測(cè)量。筆者所介紹的反應(yīng)器始建于20世紀(jì)70年代末，改造時(shí)可選擇的儀表種類較少。電子遠(yuǎn)傳液位變送器的使用，很好地解決了反應(yīng)器液位測(cè)量問題。在煉油裝置等一些高型容器和塔類設(shè)備、溫度條件多變時(shí)的液位測(cè)量上，尤其是在老設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造時(shí)，該方案具有很好的推廣價(jià)值。

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