柴油液相加氫反應(yīng)器液位測量誤差分析與改進

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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fēng)險。本文通過對反應(yīng)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(yīng)器液位測量誤差分析

反應(yīng)器液位能有效控制的先決條件是液位的準確測量，該反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣相空間較小，沒有設(shè)置高壓就地直讀儀表，無法準確地觀測到反應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)致產(chǎn)品不合格。目前，反應(yīng)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(yīng)器液位。

柴油液相加氫裝置有2臺反應(yīng)器，共5個床層，每層設(shè)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(yīng)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(yīng)器設(shè)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(fù)計算，僅計算滿量程零點負遷移即可，如式(1)所示：

圖1 反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。考慮到生產(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(yīng)器操作工況為高溫、高壓、高硫化氫，設(shè)計時將變送器引壓管設(shè)計為密閉排污，因此隔離液只能使用反應(yīng)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(yīng)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(shè)計引壓結(jié)構(gòu)不合理

以現(xiàn)場該反應(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)器從冷態(tài)升至操作溫度會膨脹升高約12 cm，原設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器初始設(shè)計并沒有設(shè)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(yīng)商技術(shù)人員交流，討論高壓磁浮子液位計在該反應(yīng)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(shè)初期沒有設(shè)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(shè)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(shè)量，降低施工成本。

3 安裝注意事項

由于該反應(yīng)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(shè)備專業(yè)和設(shè)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(wù)應(yīng)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(yīng)器液位測量因高溫引起的柴油密度變化導(dǎo)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(fēng)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(dǎo)致的內(nèi)操“盲眼”問題，也大幅降低了現(xiàn)場校表的安全風(fēng)險。該測量方案對同類加氫反應(yīng)器液位儀表改造或選型具有參考意義。