【工程案例】脫硫塔液位測量中壓力變送器的選型案例

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一、背景了解

脫硫塔是一種對工業(yè)廢氣進(jìn)行脫硫處理的塔式設(shè)備，本次的現(xiàn)場所使用的脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)，這也是國內(nèi)大多數(shù)煙氣脫硫系統(tǒng)會采用的技術(shù)，而其中的吸收塔是完成“煙氣脫硫”這一重要環(huán)節(jié)的主要設(shè)備，對吸收塔液位進(jìn)行測量和監(jiān)控就是我們本次項目的目標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過程存在兩個難點(diǎn)。

其一是吸收塔液位參數(shù)是否穩(wěn)定和真實(shí)準(zhǔn)確對整個脫硫系統(tǒng)都有著直觀重要的意義，因?yàn)樵谡麄€脫硫系統(tǒng)中存在著的諸如循環(huán)泵、氧化風(fēng)機(jī)、攪拌器等大量關(guān)鍵設(shè)備，其實(shí)都與脫硫塔中的液位參數(shù)有聯(lián)鎖保護(hù)機(jī)制，一旦液位測量出現(xiàn)誤報，整個設(shè)備便會因?yàn)?/span>聯(lián)鎖保護(hù)而進(jìn)入停車狀態(tài)，這無疑會極大影響生產(chǎn)效率，和造成大量的成本浪費(fèi)。

其二是由于吸收塔本身結(jié)構(gòu)上的特殊性（如下圖一），使得現(xiàn)場安裝液位計的選擇受到了限制，無法使用當(dāng)前主流的液位計進(jìn)行直接測量。

綜合多種因素考慮，最后決定采用壓力變送器對吸收塔的液位進(jìn)行測量，壓力變送器測液位的原理可見：法蘭液位計的原理。

二、項目概述

石灰石-石膏法脫硫系統(tǒng)的主要設(shè)備是吸收塔，如上圖圖一所示，一般常規(guī)容器的液位測量可采用在容器頂部安裝超聲波液位計、雷達(dá)液位計或浮子液位計等，但由于吸收塔頂部存在其它結(jié)構(gòu)阻礙了這些儀表的測量，僅能從側(cè)壁或外部安裝的液位測量設(shè)備中選擇，最后選擇了精度和穩(wěn)定性能都更可靠的壓力變送器。經(jīng)過公式H=（ΔP/ρg）+h的計算可將壓差值轉(zhuǎn)化成液位高度值。

三、問題分析

由于壓力變送器是接觸類的液位測量儀表，在化工應(yīng)用中應(yīng)著重關(guān)注其接觸介質(zhì)的情況，在脫硫吸收塔中的介質(zhì)比較復(fù)雜，并且根據(jù)其分布在不同的區(qū)域也會有不同的介質(zhì)組成。

在漿液氧化區(qū)內(nèi)主要是硫酸鈣漿液，亞硫酸漿料和氧化空氣，吸收區(qū)是帶正壓的煙氣和漿料混合物。主要接觸介質(zhì)為石灰石-石膏漿料，它存在三點(diǎn)特殊性：其一漿料中含有20%上下的固體物料，并且在脫硫過程中攪拌器會持續(xù)開啟，導(dǎo)致漿料不停流動且上下層密度不均勻。其二是介質(zhì)中的亞硝酸鈣具有很強(qiáng)的黏性，這會導(dǎo)致接觸型測量儀表其接觸部分逐漸被黏性介質(zhì)附著，從而導(dǎo)致儀表測量數(shù)據(jù)失真。其三是漿料介質(zhì)里含有大量的氧化氣體，這是由于在距塔底部約3m高的位置會有管網(wǎng)釋放氧化氣體，氣泡上升過程中隨著漿液壓強(qiáng)的減小氣泡會逐漸膨脹，這會進(jìn)一步導(dǎo)致吸收塔內(nèi)漿料的上下密度不均勻問題。

根據(jù)之前第二節(jié)所提到的內(nèi)容，在壓力與液位的轉(zhuǎn)化過程中存在介質(zhì)密度這一參數(shù)，而現(xiàn)場的介質(zhì)密度不穩(wěn)定會造成液位測量值的失真，同時還有介質(zhì)黏附、固體磨損和攪拌等問題亟待解決。若僅在吸收塔側(cè)壁上安裝壓力變送器，是無法測量到比較準(zhǔn)確的液位數(shù)據(jù)的。

四、解決方案

脫硫是化工過程中重要的環(huán)節(jié)，全國范圍內(nèi)也已有大量的案例可供參考，對實(shí)際現(xiàn)場調(diào)研后發(fā)現(xiàn)為了比較準(zhǔn)確測量吸收塔液位，一般現(xiàn)場都會選擇壓力變送器測量吸收塔底部壓力，并對塔底漿料密度進(jìn)行實(shí)時測量，并且由于該液位參數(shù)的重要性，儀表數(shù)量按工藝要求均為冗余配置。

儀表回路如下圖二所示，下面對設(shè)備配置進(jìn)行簡單介紹。

（1）儀表選用壓力變送器和質(zhì)量流量計，此套配置的運(yùn)行機(jī)制是先由質(zhì)量流量計測量出當(dāng)前介質(zhì)的實(shí)時密度，然后通過壓力變送器測出介質(zhì)壓力，將實(shí)時密度和實(shí)時壓力同時代入計算程序，獲得當(dāng)前液位數(shù)據(jù)。

（2）密度測量回路除質(zhì)量流量計外，還需要安裝收取泵，各類閥門、壓力表等部件，除流量計外兩路冗余。密度測量回路的流速應(yīng)觀察泵出口壓力表指示調(diào)整，過高的流速會加重質(zhì)量流量計的磨損情況，流速過低則會導(dǎo)致流量計無法正常測量。

（3）壓力測量回路中，采用隔膜壓力變送器，取壓管口應(yīng)與側(cè)壁保持60℃上揚(yáng)夾角，避免漿料沉積造成管口堵塞，此外由于壓力變送器并不十分適應(yīng)此類型的工況環(huán)境，需要更加頻繁的進(jìn)行維護(hù)，對壓力測量回路布置了三冗余配置。

五、其它方案

除了最終實(shí)施的質(zhì)量流量計和壓力變送器測量液位的方法，還有兩種備選的方案。

一種是采用音叉密度計和壓力變送器測量液位，另一種是差壓變送器測密度和壓力變送器測量液位。其結(jié)構(gòu)上依然是一路測量密度一路測量壓力，區(qū)別在于密度測量回路的儀表選擇。

（1）選用音叉密度計的優(yōu)勢是這種儀表的結(jié)構(gòu)簡單，相較密度流量計測量方式減少了設(shè)備的故障率，也響應(yīng)減少了維護(hù)工作量。缺點(diǎn)是由于音叉密度計探頭是插入到吸收塔內(nèi)的，不同于質(zhì)量流量計可在外部安裝檢修回路，若音叉密度計需要維護(hù)檢修時，必須將脫硫系統(tǒng)停車并將吸收塔內(nèi)介質(zhì)排空來對音叉密度計進(jìn)行拆檢，不過也有相應(yīng)的解決辦法，可對該部分進(jìn)行冗余配置，利用在線可插拔球閥組件進(jìn)行儀表連接，不過成本會大幅上升。

（2）選用差壓變送器測量漿料的密度，由于需要采用隔膜式安裝接觸介質(zhì)，故實(shí)際選用雙法蘭壓力變送器，取壓點(diǎn)選擇在側(cè)壁的合適位置，高度差控制在3~5m即可。脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行時漿料的密度大約會在1120kg/m3上下，因此當(dāng)吸收塔的介質(zhì)從工藝水逐漸轉(zhuǎn)化為石灰石-石膏漿料時，差壓變送器的數(shù)據(jù)會從29.4kPa上升至32.9kPa（3m高度差），變化范圍極小，約等于3.5kPa，因此在此處的雙法蘭壓力變送器需要選擇感壓更靈敏的微差壓變送器。壓力變送器的技術(shù)相對成熟，此套方案成本也在合理范圍，維護(hù)工作相對較少，僅需對儀表膜片和管理定期進(jìn)行沖洗。但對取壓口的改造比較麻煩，如果時項目設(shè)計階段可以考慮使用該種方案。

（3）實(shí)施方案中的質(zhì)量流量計精度高、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)可重復(fù)性優(yōu)秀。依據(jù)此方式得到的密度值可靠度更高，提高了整套液位測量裝置的綜合精度，這種方式也曾在脫硫技術(shù)引入國內(nèi)時大量使用，而且缺點(diǎn)是裝置復(fù)雜，結(jié)構(gòu)中有大量閥門，還有泵裝置，維護(hù)工作量較大。

經(jīng)過多方面權(quán)衡，現(xiàn)場最終選擇了經(jīng)典的質(zhì)量流量計測密度的方式，因?yàn)楝F(xiàn)場人力足以支持這樣的維護(hù)量，同時還可以獲得相對準(zhǔn)確可靠的液位數(shù)據(jù)。