變頻器在燒堿蒸發(fā)器液位控制中的應(yīng)用

趙海

(新疆中泰化學(集團)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

新疆中泰化學(集團)股份有限公司阜康能源有限公司(以下簡稱“阜康能源”)離子膜法燒堿生產(chǎn)能力為60萬t/a，配套4套蒸發(fā)裝置，單線生產(chǎn)能力為15萬t/a，蒸發(fā)裝置均采用三效逆流蒸發(fā)工藝。該工藝采用降膜蒸發(fā)原理，具有傳熱系數(shù)大、熱利用率高、蒸發(fā)強度大、容易操作等優(yōu)點，而蒸發(fā)效體液位波動大、調(diào)節(jié)閥故障率高等對產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響，已成為裝置穩(wěn)定運行的瓶頸。為解決以上問題，實現(xiàn)裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行，阜康能源將變頻技術(shù)引入DCS中控制效體的液位，取得了良好的效果。

1 工藝簡介

1.1 降膜蒸發(fā)原理

降膜蒸發(fā)器在設(shè)計上如同一管束式降膜換熱器，它可根據(jù)不同規(guī)模，配用不同規(guī)格的加熱管及其數(shù)量。料液由加熱管的頂部經(jīng)液體分配器均勻進入，利用本身重力作用在加熱管內(nèi)成膜狀流動，并與管外載熱體進行對流換熱。料液中的水分被蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽與濃縮后的物料一起向下流動，在底部流入汽液分離器。濃縮液經(jīng)分離器底部排出，二次蒸汽將作為下一效的加熱源或被冷凝后排出界區(qū)。

1.2 工藝流程

電解工序約85 ℃、32%(質(zhì)量分數(shù)，下同)原料堿液一次性通過Ⅰ效降膜蒸發(fā)器后，質(zhì)量分數(shù)升高到36%。它由Ⅱ效降膜蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽進行加熱，冷凝水回至冷凝水回收罐。36%堿液由出料泵送至Ⅱ效降膜蒸發(fā)器，它由Ⅲ效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽加熱濃縮至41%，然后由出料泵輸送至Ⅲ效蒸發(fā)器，殼程的冷凝水回至冷凝水回收罐。進入Ⅲ效蒸發(fā)器的41%堿液經(jīng)與生蒸汽換熱后質(zhì)量分數(shù)提升至48%，然后送至制片工序。蒸發(fā)工藝流程如圖1所示。

圖1 燒堿蒸發(fā)工藝流程示意圖

2 蒸發(fā)器液位控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)

蒸發(fā)系統(tǒng)每效蒸發(fā)器的液位均采用進料控制的形式，效體液位計采用雷達式液位計，調(diào)節(jié)閥均為氣動式自動調(diào)節(jié)閥。

2.2 運行中存在的問題

2.2.1 效體液位波動大

效體液位在蒸發(fā)裝置生產(chǎn)中是很重要的指標，其波動對裝置的穩(wěn)定運行影響很大。按照工藝控制要求效體液位控制值為(50±5)%。表1為2016年4月1日白班蒸發(fā)系統(tǒng)液位統(tǒng)計表，可以看出：效體液位波動范圍較大，超標頻繁。

表1 蒸發(fā)器液位統(tǒng)計表

2.2.2 調(diào)節(jié)閥故障率高

由于燒堿腐蝕性強，調(diào)節(jié)閥所處工作環(huán)境溫度高、壓力高，加之頻繁動作，即使采用了內(nèi)襯聚四氟乙烯閥門和鎳材質(zhì)的耐腐閥門，還是頻繁出現(xiàn)泄漏或閥芯脫落等故障。2016年1—8月調(diào)節(jié)閥故障統(tǒng)計如下：Ⅱ效和Ⅲ效液位調(diào)節(jié)閥故障共計15次(其中泄漏11次、卡阻4次)，造成裝置單線非計劃停車5次。

2.2.3 48%堿的濃度波動大

48%堿作為蒸發(fā)裝置的最終產(chǎn)品，按照生產(chǎn)要求，一部分作為液體產(chǎn)品經(jīng)冷卻后輸送至成品罐區(qū)(有銷售需求時)，一部分供濃縮單元進行片堿生產(chǎn)。濃度波動大對產(chǎn)品質(zhì)量有一定的影響，而且影響濃縮裝置的穩(wěn)定運行，甚至會增加濃縮裝置的片堿產(chǎn)品單耗[1]。偏差統(tǒng)計如表2所示。

表2 48%堿濃度與偏差統(tǒng)計

3 變頻器在蒸發(fā)器液位控制中的應(yīng)用嘗試

3.1 改造思路

由離心泵的基本方程可知，當泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，泵的流量、壓頭隨之發(fā)生變化 。根據(jù)離心泵的比例定律，在轉(zhuǎn)速變化不大于±20%的條件下，其流量與轉(zhuǎn)速成正比，即:

Q1/Q2=n1/n2。

式中：Q1為轉(zhuǎn)速在n1時泵的流量；Q2為轉(zhuǎn)速在n2時泵的流量。

根據(jù)上式，離心泵流量與轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系可以實現(xiàn)變頻器對堿流量的控制，進而控制蒸發(fā)器的液位。

離心泵的轉(zhuǎn)速與泵的軸功率可以近似表達為：P1/P2=(n1/n2)3。

式中：P1為轉(zhuǎn)速在n1時泵的功率；P2為轉(zhuǎn)速在n2時泵的功率。

根據(jù)以上關(guān)系式，加裝變頻器后泵的運行功率將會降低[2]。

3.2 改造方案

考慮到Ⅰ效蒸發(fā)器進料泵為兩條生產(chǎn)線同時供料，故只對Ⅰ效出料泵和Ⅱ效出料泵進行改造。將Ⅰ效出料泵與Ⅱ效出料泵電動機更換為變頻電動機，同時增加變頻器，并將變頻信號引至DCS，使變頻器替代調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)對效體液位的控制。

4 改造后效果分析

4.1 裝置平穩(wěn)率對比

4.1.1 液位波動幅度對比

改造后蒸發(fā)裝置Ⅰ效蒸發(fā)器液位波動范圍自±9.2%下降至±1.3%，Ⅱ效蒸發(fā)器液位波動范圍自±10.0%下降至±1.1%， Ⅲ效蒸發(fā)器液位波動范圍自±12.5%下降至±0.9%。改造后蒸發(fā)效體液位統(tǒng)計如表3所示。

表3 改造后蒸發(fā)器液位統(tǒng)計表Table 3 Statistics of liquid level of evaporator after improvement %

4.1.2 產(chǎn)品48%堿濃度的對比

與改造前相比，產(chǎn)品48%堿濃度偏差降低(如表4所示)。

4.2 能耗對比

對蒸發(fā)裝置48%堿動力電單耗進行了與前一年同期的對比，對比數(shù)據(jù)見表5，48%堿動力電單耗平均下降了24.6%。

表4 改造后48%堿濃度與偏差統(tǒng)計

表5 改造前后5個月48%堿月動力電單耗對比表

4.3 經(jīng)濟效益

以單套15萬t/a蒸發(fā)裝置計算，按變頻器使用壽命10年、調(diào)節(jié)閥使用壽命3年進行計算。變頻器價格為1.2萬元/臺，4臺共計4.8萬元；Ⅱ效、Ⅲ效蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)閥2臺，價格為12萬元/臺，共計24萬元。則變頻器成本為4.8/10=0.48萬(元/a)，氣動閥成本24/3=8萬(元/a)，則變頻器替代氣動閥節(jié)約成本7.52萬元/a。

4.4 安全效益

調(diào)節(jié)閥的檢修存在堿灼傷的安全風險，由變頻器替代調(diào)節(jié)閥，消除了因閥門泄漏檢修而帶來的安全隱患，裝置本質(zhì)化安全得到了提升。

5 結(jié)語

變頻調(diào)速是變頻器的一項重要功能，已被公認為是較理想、較成熟的調(diào)速方式之一。將變頻調(diào)速應(yīng)用在化工裝置物料流量調(diào)節(jié)，進而控制液位參數(shù)是對變頻調(diào)速技術(shù)新的拓展和創(chuàng)新。阜康能源將變頻器應(yīng)用到蒸發(fā)器液位控制中，提高了裝置的性能，降低了運行維護成本，使裝置的本質(zhì)化安全得到了提升。

[1] 任曉佳. 三效逆流蒸發(fā)裝置運行總結(jié)[J].氯堿工業(yè),2016,52(9):28-30.

[2] 胡發(fā)運.變頻器的應(yīng)用與維護[J].電氣時代,2005(8):78-78.