吹氣法在硫磺回收裝置液硫池液位測量中的應用

周建紅，李自皋

(玉門油田分公司 煉油化工總廠 儀表車間，甘肅 玉門 735200)

吹氣法在硫磺回收裝置液硫池液位測量中的應用

周建紅，李自皋

(玉門油田分公司 煉油化工總廠 儀表車間，甘肅 玉門 735200)

結(jié)合硫磺回收裝置液硫池工藝流程中液硫介質(zhì)黏度大、易凝固結(jié)晶的特點，闡述了吹氣法液位測量的靜壓平衡原理，重點介紹了該方法在液硫池液位測量中的安裝、定壓恒流設置、變送器靜壓量程計算、誤差分析等應用實踐，并分析了吹氣法應用的優(yōu)勢與不足及改進措施。

某煉油化工總廠于2015年改擴建的硫磺回收項目是一套環(huán)保隱患治理項目，硫磺回收裝置由制硫、尾氣處理、液硫脫氣成型及公用工程四部分組成，其中制硫部分采用部分燃燒，兩級催化轉(zhuǎn)換工藝；尾氣處理部分采用還原吸收工藝；設置2套制硫爐，共用液硫脫氣池及排污擴容器。尾氣處理部分設置1臺尾氣焚燒爐，自設除氧器，開工時采用除氧水產(chǎn)生蒸汽，正常后采用凝結(jié)水產(chǎn)生蒸汽。裝置設置煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)，煙氣SO2排放質(zhì)量濃度不大于400 mg/m3，滿足了GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》的要求。

酸性氣在制硫爐中高溫熱反應和反應器內(nèi)的低溫催化反應生產(chǎn)液態(tài)硫，分2條管線進入地下液硫池。采用地下密封池進行存儲更加環(huán)保，對員工身體傷害也相對較小。硫磺生產(chǎn)采用硫磺成型工藝，熔融硫磺物料通過泵傳輸，經(jīng)過過濾器送入到滴落成型造粒機，噴出后冷卻成固體顆粒，進入半自動封包線進行半自動化封包流程，整個硫磺生產(chǎn)流程自動化程度較高。

本文從液硫池的特點和液硫的介質(zhì)特性出發(fā)，著重分析吹氣法在液硫池液位測量的應用實踐中需要重點注意的事項和需進一步改進的措施。

1 液硫池的液位測量方案

液硫池在裝置區(qū)的安全地帶設有放空口，所以池內(nèi)為常壓，制硫爐內(nèi)的高溫熱反應和反應器內(nèi)低溫催化反應下的液硫在硫池混合后溫度一般在160 ℃左右，相對密度一般在1.771左右。為了降低裝置內(nèi)各設備的標高，液硫池的主體部分位于地坪以下，所以在液位計選型時首先排除了外浮筒等引出式液位計。如選用內(nèi)浮筒、導波雷達、磁致伸縮、射頻導納等液位儀表，由于在使用時需與介質(zhì)接觸，而液硫的密度較大、黏度較高，液位下降時易與儀表部件粘連，因而該類儀表不適用于液硫池的工況。由于超聲波液位計的測量數(shù)值易受介質(zhì)溫度的影響，同樣不推薦使用。常用的液硫池液位測量一般選用吹氣法或雷達液位計，兩種測量方法各有特點，并且均有成功應用的案例，本文重點介紹吹氣法的應用與改進措施。

常見的吹氣法工作原理如圖1所示。將節(jié)流后的壓縮氣體通過導管插入到被測容器底部，當導管下端有微量氣泡溢出時，導管內(nèi)的壓力即是容器內(nèi)液體產(chǎn)生的靜壓，通過式(1)可得出容器的液位。

p=ρgH

(1)

式中：p——靜壓力；ρ——液體密度；H——液位。

圖1 吹氣法原理示意

使用吹氣法測量液位時，導管內(nèi)的氣體起“氣體墊”的作用，它將容器內(nèi)液體的靜壓傳導給壓力變送器，如果“氣體墊”受到干擾產(chǎn)生波動，就會使測量數(shù)值不準確，所以保證吹氣流量的恒定是吹氣法成功應用的關鍵。保證吹氣量恒定的方法通常有兩種：

1) 在導管上安裝恒差繼動器。可保證前后差壓恒定，由于差壓與流量的平方呈線性關系，差壓恒定即是流量恒定。但由于恒差繼動器造價高、易損壞，一般不采用該種方式。

2) 利用臨界壓縮比恒流原理。當壓縮氣體流過節(jié)流件時，節(jié)流件前后的壓力比不大于氣體的臨界壓縮比時，氣體的流速接近節(jié)流件前狀態(tài)下的音速，且不隨節(jié)流件后壓力的變化而變化，當節(jié)流件前的氣體狀態(tài)變化不大時，節(jié)流件后即可形成穩(wěn)定的氣體流速和體積流量。

吹氣法適用于測量腐蝕性強、有懸濁物的液體，主要應用在測量精度要求不高的場合。

2 吹氣法測量方案的應用

該裝置的液硫池設置在地面下，為密閉型，容積為10 m×10 m×3 m，高出地面約0.5 m。內(nèi)設1臺液硫脫氣泵、1臺液硫泵；液硫池設計溫度為160 ℃，設計壓力0.01 MPa，硫磺生產(chǎn)能力為1.2 t/h。南北方向各設置了1套吹氣法液位測量儀表，采用蒸汽伴熱。

2.1 吹氣法測量液硫池液位儀表的安裝

液硫池液位計的安裝如圖2所示，吹氣氣源采用氮氣，氮氣通過截止閥、過濾減壓器、限流孔板、止回閥與三通連接器連接；三通連接器的中間連接無縫鋼管，用作吹氣管，通向液硫池，距離底部留有約0.20m的測量盲區(qū)；三通連接器的另一邊與截止閥和壓力變送器連接，通過壓力變送器測量吹氣管內(nèi)液態(tài)硫的靜壓。

吹氣管通過盲法蘭與U型伴熱管線相連，組成一體化測量伴熱部件，高出液硫池頂部約0.25 m。一體化測量伴熱部件通過盲法蘭在液硫池的頂部固定。

圖2 吹氣法測量液硫池液位儀表安裝示意

1) 吹氣氣源。采用氮氣，其化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，為惰性氣體，不會與液硫池的單質(zhì)硫、二氧化硫、硫化氫等物質(zhì)發(fā)生化學反應；不建議使用凈化風或非凈化風，壓縮空氣中的水分進入液硫池后反應生成酸，會腐蝕吹氣管及伴熱管路。

2) 過濾減壓器。是穩(wěn)定吹氣壓力的重要手段，通過對氮氣的過濾，可以清除氮氣中的雜質(zhì)和水汽，防止吹氣管路的堵塞，克服氮氣壓力管網(wǎng)的波動，給吹氣管提供相對穩(wěn)定的恒流源。另外通過減壓閥的壓力調(diào)控，也可以在液硫池空池的時候，對壓力變送器的零點進行調(diào)校。

3) 限流孔板。當前面安裝了過濾減壓器后，限流孔板前的氮氣狀態(tài)基本恒定，變化不大，限流孔板后即可形成穩(wěn)定的氣體流速和流量，也不隨限流孔板后壓力的變化而變化，即可達到可適用“臨界壓縮比恒流原理”的條件。

4) 變送器。可選擇壓力變送器，也可選擇負壓室通大氣的差壓變送器。液硫池雖然是密閉容器，但其設計操作壓力為0.01 MPa，因而可視作常壓容器，變送器測量的壓力基本可以近似地看作液位變化產(chǎn)生的靜壓。

5) 測量管及伴熱蒸汽。測量管及伴熱蒸汽部件，一般適宜采用頂部安裝，且高于液硫池頂部0.25 m，防止液硫液位溢出，堵塞測量管路的過濾減壓器、限流孔板及壓力變送器，同時也方便儀表維護；其長度取決于液硫池的深度，吹氣管底部應留有0.20 m的測量盲區(qū)，有利于產(chǎn)生氣泡，并防止液硫池底部沉淀的雜質(zhì)進入吹氣管，堵塞吹氣管路。

圍繞吹氣管的U型蒸汽伴熱管線宜采用口徑和壁厚較大的不銹鋼無縫鋼管，不僅可以增加蒸汽伴熱的熱傳遞效果，也可延長蒸汽伴熱管路的使用壽命，該部件與液硫及液硫池的復雜腐蝕性氣體直接接觸，一旦伴熱蒸汽管路發(fā)生腐蝕性泄漏或停止伴熱，測量管的液硫在低于120 ℃時將會凝固，維修補焊作業(yè)非常不方便，因而測量管伴熱蒸汽管路的材質(zhì)和施工質(zhì)量非常重要。

2.2 吹氣法測量儀表的設置

2.2.1 壓力變送器的量程計算

在液硫池達到最高液位時，使用吹氣法在測量管下端有微量氣泡溢出時，導管內(nèi)的壓力即是容器內(nèi)液體產(chǎn)生的最大靜壓，通過式(1)計算出最高液位時的靜壓為52.091 kPa，不考慮測量盲區(qū)，也就是壓力變送器的最大量程。

液位的高度與產(chǎn)生的靜壓呈線性關系，即壓力變送器的壓力變化可反應出液硫池液位的變化。

2.2.2 誤差分析

式(1)中，液硫的密度與溫度有著密切的關系，隨著溫度的升高，液硫的密度逐漸減小，在液硫池的設計深度、溫度一定的情況下，隨著液硫溫度的變化，其產(chǎn)生的靜壓p也隨之變化，假設液硫池深度H=3.0 m，設計溫度為160 ℃，g=9.8 m/s2，則四者的對應關系見表1所列。

表1 液硫的密度、溫度、靜壓、誤差對應關系

從表1可以看出，如果液硫池的設計溫度為160 ℃，深度為3.0 m，則壓力變送器的量程應設置為0～52.091 kPa。實際運行時，液硫池的伴熱蒸汽量會發(fā)生波動，實際伴熱溫度一般低于設計溫度，有利于節(jié)能降耗，液硫溫度會在130～145 ℃波動，因而就會產(chǎn)生0.741～0.347 kPa的靜壓誤差，對應的液面誤差在0.67%～1.42%，即最大誤差為2～4 cm，基本上在可接受范圍內(nèi)。

2.2.3 定壓設置

過濾減壓器定壓設置是為了既不因壓力過高造成氮氣的浪費，使壓力變送器產(chǎn)生虛假測量壓力；又不因壓力過低，測量管在液位較高的情況下不能克服靜壓，在測量管底部不能產(chǎn)生氣泡，導致吹氣使抗干擾能力減弱。根據(jù)實際應用和估算，對于3.0 m的液硫池，定壓應在0.090～0.104 MPa，即為最大靜壓值的2倍為宜。考慮到測量盲區(qū)和實際液位也不可能達到最高液位工藝要求，亦可稍微低于2倍最大靜壓值，因而確定定壓低限為0.090 MPa，定壓高限為0.104 MPa。個別文獻建議減壓閥后的壓力定為0.3 MPa，通過現(xiàn)場實際反復調(diào)試、計算，筆者認為該文的減壓閥后的壓力提法偏高，易產(chǎn)生虛假液位。

2.3 吹氣法測量液硫池液位的應用

2.3.1 吹氣法的優(yōu)勢

1) 使用吹氣法測量液硫池液位，有效地克服了液硫介質(zhì)黏度大、易凝固結(jié)晶，池內(nèi)部有毒、有害氣體較多，易腐蝕，較難測量的缺點。

2) 測量管不易堵塞、操作使用方便、維護工作量很少，雷達液位計天線上不會出現(xiàn)硫蒸氣結(jié)晶、掛料，有效地避免了流體的湍動、漩渦、氣泡對微波信號造成的衰減導致測量精度降低等問題。

3) 相對于雷達液位計，吹氣法結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護方便且不需專門培訓，容易滿足用戶的實際需求。

4) 維護時，不會對維護人員造成二次傷害，不需要排污或放空，有毒、有害氣體不會溢出，只需要稍微開大過濾減壓閥，對吹氣管路進行吹掃即可完成維護工作。

2.3.2 吹氣法的劣勢

1) 液硫池內(nèi)單質(zhì)硫在120 ℃以上保持液態(tài)，當溫度低于120 ℃時則會凝固，所以氮氣在吹氣管吹入液硫池時需考慮足夠的伴熱，避免冷氮氣與液硫的接觸面結(jié)晶，導致堵塞導管。因此，需要消耗較多的氮氣和高溫伴熱蒸汽，不利于節(jié)能降耗。

2) 液硫為腐蝕性較強且易結(jié)晶的介質(zhì)，容易對吹氣管及伴熱管路的部件產(chǎn)生腐蝕作用，降低該部件的使用壽命，且一旦該部件腐蝕穿孔，堵漏、焊接工作難度較大。

3) 吹氣法測量管路和伴熱管路部件需要穩(wěn)定的氮氣和蒸汽供給源，在裝置出現(xiàn)停工或突發(fā)狀況下，裝置的氮氣和蒸汽一旦供給中斷，液硫池內(nèi)的有毒、有害氣體會通過測量管進入壓力變送器的測量管路或堵塞測量管路，液位將無法測量。

2.3.3 改進措施

1) 過濾減壓器是吹氣法提供穩(wěn)定恒流氣源的重要輔助設備，必須選擇優(yōu)質(zhì)、可靠、精確度較高的減壓閥，并配置過濾裝置，防止水汽或雜質(zhì)進入吹氣測量管路。

2) 改進過濾減壓器的定壓設置，減壓閥的定壓值要與液硫池的深度、液流密度、溫度相匹配，與液硫池的最大測量深度有關，需要經(jīng)過認真核算，定壓設置在最大測量靜壓值的2倍較為適宜，可防止虛假液位，以減少氮氣的消耗，穩(wěn)定測量精度。

3) 使用穩(wěn)定可靠的高壓蒸汽伴熱，選用口徑和壁厚較大不銹鋼無縫鋼管作為伴熱管路，增加蒸汽伴熱的熱傳遞效果，延長蒸汽伴熱管路的使用壽命。

4) 增加一定容積的氮氣儲氣罐，當吹氣氮氣主管網(wǎng)中斷時，臨時短時間保證液位測量。

5) 根據(jù)液硫池的液硫溫度，及時調(diào)整設置壓力變送器的量程，減少測量誤差。

6) 停工檢修時保持氮氣吹掃，防止吹氣測量管結(jié)晶堵塞。

3 結(jié)束語

吹氣法在該煉油化工總廠硫磺裝置液硫池的液位測量中得到了成功的應用與實踐，通過合理的儀表選型，優(yōu)質(zhì)的施工安裝、調(diào)校，成功地克服了液硫池液位及介質(zhì)液位測量的特殊性和儀表選型的局限性，尤其是安裝選材、減壓閥的定壓設置調(diào)試方法，值得推廣。

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周建紅(1987—)，男，甘肅酒泉人，2011年畢業(yè)于重慶三峽學院電子信息工程專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)就職于玉門油田分公司煉油化工總廠儀表車間，從事儀表自動化工作，任助理工程師。

TQ056

B

1007-7324(2017)03-0070-04

稿件收到日期： 2017-01-09，修改稿收到日期： 2017-03-30。