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(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司 延安石油化工廠，陜西 延安 727406)

Abstract: The abnormal liquid level phenomenon, system water drainage failure of propylene powder washing tower of Yan’an Petrochemical Works of Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Co. Ltd. as well as checks and measures for them are introduced. The structure and process application conditions of the liquid level inspection device are analysized, and the float gauge is deemed unappropriated for liquid containing of solid powder. A modification solution of replacing the float gauge with a double flange differential pressure gauge are proposed and its rationality are discussed based on a working principle comparison. The application effect and economic performance after the modification are supplied.

Keywords: powder washing tower； liquid gauge； operation failure； modification

陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司延安石油化工廠聚丙烯裝置采用國產(chǎn)化第2代環(huán)管聚丙烯液相本體工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)本色聚丙烯粒料20萬t[1]。該裝置2009-07投產(chǎn)運(yùn)行，很快就出現(xiàn)了液位DCS監(jiān)控記錄異常、聚丙烯粉料洗滌塔排水困難等問題?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，洗滌塔工藝蒸汽中攜帶的粉末在液位計(jì)浮筒腔內(nèi)滯留，影響了浮子的動(dòng)作靈活性，引起了液位指示和調(diào)節(jié)功能異常，造成更多的粉料無法及時(shí)隨冷凝液從塔底排出，未排出的粉料再次發(fā)生滯留，此過程反復(fù)進(jìn)行形成惡性循環(huán)，不到半年時(shí)間就造成導(dǎo)致聚丙烯粉料洗滌塔系統(tǒng)徹底癱瘓。其間多次出現(xiàn)過浮子卡死情況，維護(hù)人員曾經(jīng)采用手動(dòng)水洗法，以反復(fù)排水和補(bǔ)水的方式帶走浮筒內(nèi)沉積的一部分粉料。但此種方法工作量大，清理積料的速度和能夠清除的積料數(shù)量都有限，只能臨時(shí)改善操作狀況。為了徹底解決裝置出現(xiàn)的上述問題，我廠在2012-04裝置大檢修時(shí)，對聚丙烯粉料洗滌塔浮筒液位計(jì)實(shí)施了技術(shù)改造。

1 聚丙烯粉料洗滌塔浮筒液位計(jì)使用情況

浮筒液位計(jì)在聚丙烯裝置投產(chǎn)初期能夠正常使用，實(shí)現(xiàn)了聚丙烯粉料洗滌塔液位的正常指示。正常工況下，聚丙烯粉料洗滌塔浮筒液位計(jì)的DCS液位監(jiān)控線圖見圖1。從圖1可以看出，液位在高限(80%)和低限(20%)之間隨時(shí)間呈周期性規(guī)律變化，液位變化的周期基本是1 h，每個(gè)周期內(nèi)的液位體積分?jǐn)?shù)與時(shí)間成直線函數(shù)關(guān)系。

圖1 浮筒液位計(jì)正常工況下DCS液位監(jiān)控線

聚丙烯裝置2009-07投產(chǎn)運(yùn)行不到半年，聚丙烯粉料洗滌塔浮筒液位計(jì)運(yùn)行異常，其DCS液位檢測線圖表現(xiàn)為液位計(jì)數(shù)值變化緩慢或長時(shí)間數(shù)值不變化，見圖2和圖3。

圖2 浮筒液位計(jì)異常工況下DCS液位檢測線-1

圖3 浮筒液位計(jì)異常工況下DCS液位檢測線-2

從圖2可觀察到，浮筒液位計(jì)的液位指示長期位于30%的低液位位置。從圖3可觀察到，浮筒液位計(jì)液位指示長期位于30%～60%的小液位范圍。對比圖1、圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，浮子的浮動(dòng)范圍比正常時(shí)明顯變窄。在排除了其他因素的影響后所做的分析表明，浮子的動(dòng)作可能已經(jīng)不靈活，也說明浮筒中可能已經(jīng)有較多積料。

液位計(jì)現(xiàn)場檢查證實(shí)上述分析是正確的?，F(xiàn)場檢查給出的液位計(jì)故障的主要原因是，浮筒空腔內(nèi)有大量的粉末導(dǎo)致浮子動(dòng)作不靈活，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)卡死，由于液位計(jì)故障又引起了洗滌塔不能正常排水，粉料不能被及時(shí)排出塔體，因此更多的粉料積存在塔內(nèi)，后進(jìn)入浮筒液位計(jì)。如此惡性循環(huán)導(dǎo)致聚丙烯粉料洗滌塔系統(tǒng)徹底癱瘓，問題如果不及時(shí)處理會(huì)引起滿塔或空塔，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起整個(gè)裝置無法正常運(yùn)行，造成重大損失。

2 聚丙烯粉料洗滌塔液位測量裝置分析

2.1 工藝應(yīng)用條件分析

聚丙烯粉料洗滌塔原則工藝流程見圖4。來自蒸汽罐的含粉料氣體從底部進(jìn)入洗滌塔，在塔內(nèi)自下而上流動(dòng)的過程中與自上而下流動(dòng)的洗滌水逆流接觸[2]，蒸汽中的粉料進(jìn)入洗滌水中并隨之從洗滌塔底排出，蒸汽中的粉末因此得以洗滌。塔的回流泵保證水在洗滌塔內(nèi)循環(huán)，蒸汽的冷凝由安裝在塔頂部的冷凝器來完成[3]。

圖4工藝流程中的冷凝液中含有大量固體粉末。固體粉末的存在降低了流體的均勻流動(dòng)性，增加了流體內(nèi)固體雜質(zhì)聚結(jié)和粉末在洗滌塔內(nèi)件局部位置沉積的可能性，還可能影響到洗滌塔液位的準(zhǔn)確測量、指示和調(diào)節(jié)[4]。

2.2 液位測量裝置選型分析

2.2.1浮筒液位計(jì)

(1)結(jié)構(gòu) 實(shí)施改造前，聚丙烯粉料洗滌塔使用的是東京計(jì)裝公司生產(chǎn)的全進(jìn)口浮筒液位計(jì)，其結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 改造前聚丙烯粉料洗滌塔浮筒液位計(jì)結(jié)構(gòu)

浮筒液位計(jì)測量液位時(shí)浮子必須與被測液體直接接觸，被測液體進(jìn)入液位計(jì)空腔時(shí)，其附帶的大量聚丙烯粉末難免有部分滯留在液位計(jì)空腔中。當(dāng)粉末過多集聚在浮筒內(nèi)時(shí)，導(dǎo)致浮子動(dòng)作受阻或卡死，造成不能真實(shí)反應(yīng)液位值[5]。

(2)工作原理 浮筒液位計(jì)利用變浮力原理測量液位。當(dāng)被測液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒體積改變，所受浮力隨之變化。通過測量浮力變化，可確定出液位的變化[6]。浮筒液位計(jì)工作原理見圖6。

圖6 浮筒液位計(jì)工作原理

圖6中液位計(jì)用彈簧平衡浮力，用差動(dòng)變壓器測量浮筒位移，平衡時(shí)壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力平衡[7]。因此有：

kx=ρgAH-W

(1)

式中，k為彈簧剛度，N/m；x為彈簧壓縮量，H為浮筒浸入深度，m;ρ為液體密度，kg/m3;A為浮筒截面積，m2[8]。

液位發(fā)生變化時(shí)，例如升高ΔH，彈簧被壓縮Δx，此時(shí)有：

k(x+Δx)=ρgA(x+ΔH-Δx)-W

(2)

式(1)與式 (2) 相減得：

ΔH=(1+k/ρgA)Δx

(3)

式(3)表明，液位高度變化與彈簧變形量成正比。彈簧變形量可以用差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。因此，當(dāng)浮筒液位計(jì)的浮筒升降動(dòng)作發(fā)生異常時(shí)，彈簧的變形時(shí)將無法準(zhǔn)確反映液位的實(shí)際值[9]。

2.2.2浮筒雙法蘭差壓液位計(jì)

雙法蘭式差壓變送器由差壓變送器、毛細(xì)管和帶密封隔膜的法蘭組成。密封隔膜的作用是防止管道中的介質(zhì)直接進(jìn)入差壓變送器，它與變送器之間是靠注滿液體(一般采用硅油)的毛細(xì)管連接起來的[10]。當(dāng)膜片受壓后產(chǎn)生微小變形，變形位移或頻率通過毛細(xì)管的液體傳遞給變送器，由變送器處理后轉(zhuǎn)換成輸出信號[11]。雙法蘭差壓液位計(jì)工作原理見圖7。

圖7 雙法蘭差壓液位計(jì)工作原理

差壓變送器的高壓側(cè)與容器底部的取壓室相連，低壓側(cè)與液面上方容器的頂部相連[12]。如果容器上方為氣體，則高壓側(cè)壓力pH為：

pH=p+Hρg

(4)

式中，H為被測液位高度，m；p為容器上部空氣壓力，kPa。因?yàn)榈蛪簜?cè)壓力pL=p，所以差壓變送器所受的壓差Δp=pH-pL=Hρg。這樣則可以根據(jù)差壓變送器測得的差值，按照下式來計(jì)算液位的高度：

(5)

由式(5)可知，只要知道差壓變送器所受的壓差，即高壓法蘭和低壓法蘭側(cè)的壓力之差，就可求得液位的高度。

2.2.3液位計(jì)工作原理對比分析

對比浮筒液位計(jì)和雙法蘭差壓液位計(jì)工作原理可知，浮筒液位計(jì)測液位時(shí)浮子必須與被測液體直接接觸，并且要隨液位變化上下運(yùn)動(dòng)[13]。由于粉料洗滌塔中含有大量的聚丙烯粉末，當(dāng)粉末過多集聚在浮筒內(nèi)時(shí)，導(dǎo)致浮子動(dòng)作受阻或卡死，造成不能真實(shí)反應(yīng)被測量液位值[14]。而雙法蘭差壓液位計(jì)是靠高低壓側(cè)法蘭膜片感壓后將壓力傳感給差壓變送器，由差壓變送器獲得的壓力差來計(jì)算得到液位的變化值，即使塔內(nèi)含有大量粉料也不會(huì)引起壓力傳感不準(zhǔn)[15]。

3 聚丙烯粉料洗滌塔液位計(jì)改造

根據(jù)液位計(jì)使用原理和使用工況的對比分析，我廠在2012-04裝置大檢修時(shí)決定將浮筒液位計(jì)改造為雙法蘭差壓液位計(jì)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。未改造前，聚丙烯粉料洗滌塔液位計(jì)使用的東京計(jì)裝公司全進(jìn)口浮筒式液位計(jì)每套價(jià)值75 000元。2011年更換表頭花費(fèi)50 000元，2009-07～2012-04多次維修產(chǎn)生費(fèi)用共10 000元。改造后使用羅斯蒙特公司的雙法蘭差壓液位計(jì)，每套價(jià)值50 000元，2012-04至今未更換任何零部件，每年正常的維護(hù)和檢查費(fèi)用大約為1 000元。

改造前后聚丙烯粉料洗滌塔液位計(jì)運(yùn)行成本對比見圖8，可見雙法蘭差壓液位計(jì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)高于浮筒式液位計(jì)。

圖8 改造前后聚丙烯粉料洗滌塔液位計(jì)運(yùn)行成本對比

4 結(jié)語

聚丙烯粉料洗滌塔浮筒液位計(jì)改造為雙法蘭差壓液位計(jì)至今已超過6 a，除裝置檢修期間對雙法蘭表面進(jìn)行正常維護(hù)檢查外，日常使用中雙法蘭差壓液位計(jì)一直運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)過一起液位計(jì)故障事故，不僅極大減少了維護(hù)人員的工作量，整個(gè)聚丙烯粉料洗滌塔系統(tǒng)也運(yùn)行正常，再無液位計(jì)故障引起的滿塔或空塔現(xiàn)象，此次改造達(dá)到了預(yù)期的目的，滿足了正常生產(chǎn)的需要。

此次項(xiàng)目改造根據(jù)不同的使用條件和環(huán)境選擇不同的測量儀表，打破了原有設(shè)計(jì)的不足，不僅解決了聚丙烯粉料洗滌塔液位計(jì)選擇不當(dāng)引起的運(yùn)行故障難題，也保證了工藝裝置平穩(wěn)運(yùn)行，從中得到了解決同類問題的有效方法。