尿素裝置中液位計(jì)的選型及安裝

余小儒，張 歡

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素裝置中液位計(jì)的選型及安裝

余小儒，張 歡

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢430223)

各種液位計(jì)的在尿素裝置上都有所應(yīng)用，并且液位計(jì)的準(zhǔn)確度是尿素穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)。而尿素裝置具有高溫、高壓及介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，易結(jié)晶，介質(zhì)密度波動(dòng)大的特點(diǎn)，對(duì)各種類型的液位計(jì)都有相應(yīng)的要求。本文簡(jiǎn)述了尿素裝置各類代表性設(shè)備液位計(jì)的選型和安裝，提出了尿素裝置液位計(jì)的應(yīng)用范圍，選型要點(diǎn)和安裝要求。

尿素裝置；射線液位計(jì)；電容式液位計(jì)；雷達(dá)液位計(jì)；應(yīng)用范圍；安裝要求

目前尿素新建裝置生產(chǎn)工藝主要有CO2汽提法和氨汽提法和水溶液全循環(huán)溶液法工藝，其中CO2汽提法和氨汽提法工藝比較先進(jìn)，東洋的ACES21工藝也有其特點(diǎn)。尿素中分離設(shè)備及儲(chǔ)罐眾多，相對(duì)應(yīng)在液位計(jì)選型上面也有很多特點(diǎn)。考慮到尿素裝置的高溫、高壓及介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，易結(jié)晶，介質(zhì)密度波動(dòng)大的運(yùn)行特點(diǎn)，液位計(jì)選型必須考慮尿素裝置工藝本身特點(diǎn)進(jìn)行選取，主要有以下類型：

1 射線液位計(jì)

在尿素裝置中，合成塔，汽提塔，高壓甲銨冷凝器，高壓分離器(Snam氨汽提工藝)都是屬于核心設(shè)備，CO2汽提法工藝，射線液位計(jì)選擇為合成塔和汽提塔；氨汽提法工藝中，射線液位計(jì)選擇為高壓分離器和汽提塔；而在日本東洋的ACES21工藝中，射線液位計(jì)安裝在高壓甲銨分離器和汽提塔。設(shè)備內(nèi)均為高溫、高壓、易結(jié)晶，并帶有強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)。更為重要的是，設(shè)備中尿素的反應(yīng)和逆反應(yīng)都同時(shí)在進(jìn)行，屬于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相共存的狀態(tài)，常規(guī)液位測(cè)量很難精確，所以一般都采用放射性液位計(jì)。

放射性液位計(jì)的測(cè)量是非接觸式的，安裝十分方便。放射性液位計(jì)一般有兩種，分別為同位素Cs137和Co60。Cs137半衰期為30.2年，穿透性差一些；Co60 半衰期為5.3年，穿透性強(qiáng)。要求強(qiáng)度大的或被測(cè)介質(zhì)密度低、測(cè)量范圍小的可選用 Cs137，大直徑厚壁容器要求穿透能力強(qiáng)的可選用Co60。放射源有點(diǎn)狀源和棒狀源之分。Cs137 一般為點(diǎn)源，也很難做成連續(xù)的棒狀源，而 Co60 既可做點(diǎn)源又可做棒狀源。

作為汽提塔，一般射線液位計(jì)設(shè)置在汽提塔底部，由于汽提塔底部出料側(cè)直徑較小，一般都選用Cs137為點(diǎn)源進(jìn)行測(cè)量。安裝的位置和測(cè)量見圖1：

而不管上述三種工藝，合成塔，高壓分離器或者高壓甲銨冷凝器則由于在測(cè)量端設(shè)備直徑較大，需要穿透力強(qiáng)的射源，一般選用Co60。并且一般選擇非連續(xù)的棒狀源。安裝的位置和測(cè)量見圖2：

圖1 汽提塔射線液位計(jì)安裝示意圖

圖2 甲銨冷凝器射線液位計(jì)安裝示意圖

2 電容式液位計(jì)

電容式液位計(jì)一般用于尿素裝置中低壓分解器，以及蒸發(fā)的液位測(cè)量。在此階段，隨著尿素濃度的增加，結(jié)晶的可能性變大。目前尿素裝置在這些設(shè)備的液位測(cè)量一般選擇有電容式液位計(jì)和隔膜式雙法蘭液位計(jì)。

電容式液位計(jì)是采用測(cè)量電容的變化來測(cè)量液面的高低的。它是一根金屬棒插入盛液容器內(nèi)，金屬棒作為電容的一個(gè)極，容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)ε1和液面上的介電常數(shù)ε2不同，比如：ε1>ε2，則當(dāng)液位升高時(shí)，電容式液位計(jì)兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當(dāng)液位下降，ε值減小，電容量也減小。所以，電容式液位計(jì)可通過兩電極間的電容量的變化來測(cè)量液位的高低。電容液位計(jì)的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保證液位測(cè)量準(zhǔn)確，因被測(cè)介質(zhì)具有導(dǎo)電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。電容液位計(jì)體積小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)，適用于具有腐蝕性和高壓的介質(zhì)的液位測(cè)量。

由于上述結(jié)構(gòu)，電容式液位計(jì)可適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕，易結(jié)晶，防堵塞，防冷凍及固體粉狀、粒狀物料。

電容式液位計(jì)的安裝位置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3和圖4：

圖3 電容式液位計(jì)安裝圖

圖4 電容計(jì)套管圖

電容式液位計(jì)的測(cè)量主要就是依賴兩個(gè)電極之間的電容量變化，也就是說電容液位計(jì)的靈敏度是取決于兩個(gè)介質(zhì)，氣體、和液體的介電常數(shù)的差值。電容液位計(jì)的測(cè)量必須保證兩個(gè)介質(zhì)的介電常數(shù)保持一致，否則介電常數(shù)的變化會(huì)直接導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。

電容式液位計(jì)的金屬棒電極都覆蓋有絕緣層，這樣可以避免因被測(cè)量介質(zhì)具有導(dǎo)電性而產(chǎn)生的測(cè)量誤差和安全隱患。

但在使用中，有如下問題會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)：

(1)絕緣層密封性不好，即四氟套管內(nèi)進(jìn)入尿液，造成內(nèi)電極與外容器壁之間短路，使電機(jī)損壞。

(2)當(dāng)容器內(nèi)溶液的密度波動(dòng)時(shí)，也會(huì)造成液位測(cè)量不準(zhǔn)

(3)電容外套管之間不流通，形成結(jié)晶層，是的液體介電常數(shù)變大，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。

所以在選用電容式液位計(jì)時(shí)，必須考慮到設(shè)備與電容套管之間流通性正常，即套管空間內(nèi)的孔洞在安裝時(shí)必須考慮連通口高度設(shè)置是否合理，是否存在尿素結(jié)晶的"死區(qū)"。如果存在"死區(qū)"的位置，必須設(shè)計(jì)伴熱管線以及停車置換時(shí)的排放口。

3 雙法蘭液位計(jì)

雙法蘭液位計(jì)是另一種在尿素應(yīng)用很廣的液位計(jì)，從中壓分解器、低壓分解器、蒸發(fā)器的液位計(jì)可選用隔膜式雙法蘭液位計(jì)，到工藝?yán)淠夯厥諉卧凸に嚴(yán)淠禾幚韱卧伎梢赃x用雙法蘭液位計(jì)。

作為測(cè)量液位的儀表，雙法蘭比單法蘭更精確，考慮到尿素的易結(jié)晶性，普通的雙法蘭難以滿足液位測(cè)量的要求，所以需要對(duì)雙法蘭進(jìn)行一定的升級(jí)，如帶沖洗水的負(fù)遷移雙法蘭液位計(jì)，見圖5：

圖5 帶沖洗水的負(fù)遷移雙法蘭液位計(jì)

它的目的在于通過在兩端持續(xù)的增加等量的沖洗水來防止負(fù)壓測(cè)結(jié)晶，但同時(shí)伴隨的問題有：

(1)沖洗水易受操作工況影響，很容易造成兩端沖洗水流量不均，影響實(shí)際液位測(cè)量；

(2)如果沖洗水不穩(wěn)定，甲銨濃度過高，會(huì)在負(fù)向?qū)汗苄纬山Y(jié)晶，堵塞負(fù)壓管，同樣造成測(cè)量不準(zhǔn)；

(3)精確度上，由于兩種沖洗水受槽罐液位的影響，背壓不同。同樣造成兩端的壓力取值點(diǎn)有不同，在液位波動(dòng)時(shí)，兩端沖洗水的背壓也會(huì)變化，造成液位計(jì)的指示誤差更加變大。

針對(duì)以上問題，所以目前新建尿素裝置大量的采用隔膜式雙法蘭液位計(jì)，見圖6：

隔膜式雙法蘭液位計(jì)針對(duì)普通的雙法蘭液位計(jì)有如下的優(yōu)點(diǎn)：儀表維護(hù)量小、測(cè)量準(zhǔn)確，通過隔膜讓物料同液位計(jì)相隔離，適用于高溫高壓、強(qiáng)腐蝕等介質(zhì)的液位測(cè)量；并且不用加隔離液或者沖洗水等額外措施，降低了因隔離液流失或者沖洗水不穩(wěn)定導(dǎo)致的液位測(cè)量誤差的幾率。但在使用的過程中由于其特性，有如下幾個(gè)問題有注意：

(1)環(huán)境溫度可能會(huì)影響毛細(xì)管內(nèi)硅油的密度，從而引起測(cè)量誤差；

(2)毛細(xì)管容易被壓斷、測(cè)量膜盒受外力變形后，影響測(cè)量精度；

(3)設(shè)計(jì)及安裝時(shí)，配對(duì)法蘭的尺寸不完全一致，導(dǎo)致存在部分波紋管面安裝時(shí)承壓，造成測(cè)量誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成波紋面產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致硅油泄漏，液位計(jì)測(cè)量失效。

圖6 隔膜式雙法蘭液位計(jì)

所以在選用隔膜式雙法蘭液位計(jì)需要注意的有以下因素:

防止儀表有"死點(diǎn)"造成波紋管處形成尿素結(jié)晶，影響測(cè)量精度。考慮到尿液容易結(jié)晶的特點(diǎn)，在選擇儀表尺寸時(shí)應(yīng)注意波紋管的突出面和設(shè)備內(nèi)壁貼合緊密平滑，無凹槽。

4 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用于尿素的各個(gè)地下回收槽的液位測(cè)量。同時(shí)由于尿素的地下回收槽濃度波動(dòng)大，易結(jié)晶的特點(diǎn)，一般采用雷達(dá)液位計(jì)，雷達(dá)液位計(jì)有如下優(yōu)勢(shì)：

智能雷達(dá)物位計(jì)適用于對(duì)液體、漿料及顆粒料的物位進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，適用于溫度、壓力變化大；有惰性氣體及揮發(fā)存在的場(chǎng)合。

雷達(dá)液位計(jì)一般分為兩種，一種為非接觸式測(cè)量；另一種導(dǎo)波雷達(dá)為接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量要求高，但是導(dǎo)波雷達(dá)更適用于尿素裝置的運(yùn)行工況。如罐內(nèi)有攪拌，介質(zhì)波動(dòng)大，這樣的工況用底部固定的導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量值要比變通雷達(dá)穩(wěn)定；還有小罐體內(nèi)的物位測(cè)量，由于安裝測(cè)量空間小(或罐內(nèi)干擾物較多)，一般普通雷達(dá)不適用，這時(shí)導(dǎo)波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了；再有是低介電常數(shù)的工況，無論雷達(dá)還是導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量原理都是基于介質(zhì)介電常數(shù)差別，由于普通雷達(dá)的發(fā)射的波是發(fā)散的，當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)過低時(shí)，信號(hào)太弱測(cè)量不穩(wěn)定，而導(dǎo)波雷達(dá)波是沿導(dǎo)波桿傳播信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，另外一般的導(dǎo)波雷達(dá)還有底部探測(cè)功能，可以根據(jù)底部回波信號(hào)能測(cè)量值加以修正，使信號(hào)更為穩(wěn)定準(zhǔn)確。見圖7和圖8：

由圖可以看出在導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，若介質(zhì)為低介電常數(shù)，當(dāng)其處于低液位時(shí)，罐底可見，此時(shí)為保證測(cè)量精度，建議將零點(diǎn)定在低高度為C 的位置。理論上測(cè)量達(dá)到天線尖端的位置是可能的，但是考慮到腐蝕及粘附的影響，測(cè)量范圍的終值應(yīng)距離天線的尖端至少100mm。對(duì)于過溢保護(hù)，可定義一段安全距離附加在盲區(qū)上。所以導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量范圍應(yīng)該根據(jù)設(shè)備情況來確定。

圖7 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)

圖8 非接觸雷達(dá)液位計(jì)

5 結(jié)語

在尿素裝置的液位計(jì)儀表中，液位的測(cè)量是一種非常重要的參數(shù)，其測(cè)量結(jié)果對(duì)于尿素裝置的高效、穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的作用。液位計(jì)的類型較多，在同種工藝下的選擇也并不是唯一，在選型和安裝時(shí)，應(yīng)結(jié)合以往的工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及工藝的特點(diǎn)，選擇經(jīng)濟(jì)適用 的液位計(jì)，并充分考慮各類液位計(jì)的特點(diǎn)及安裝要求，保障液位的測(cè)量準(zhǔn)確度。

[1] 鄔明亮.γ射線液位計(jì)在尿素合成工段中的應(yīng)用[J]. 石油化工自動(dòng)化 2003(6)： 64-66.

[2] 趙 斌. 尿素裝置液位計(jì)分析與改進(jìn)[J]. 大氮肥, 2013(8)：252-253.

(本文文獻(xiàn)格式：余小儒，張歡.尿素裝置中液位計(jì)的選型及安裝[J].山東化工，2017，46(16)：158-160.)

Type Selection and Installation for liquidometer in Urea Plant

Yu Xiaoru, Zhang Huan

(China Wuhuan Engineering Co.，Ltd., Wuhan 430223, China)

Types of liquidometer are used in Urea plant, the liquid level measurement which is important parameter to enable the stable operation of the Urea plant. There are a lot of features of Urea plant which need take corresponding requirement of liquidometer selection, such as high pressure and temperature, the strong corrosivity of medium, easy crystal, big density fluctuation, etc. This article describes the liuquidometer selection and installation which used in kinds of typical equipment of Urea plant, and make requirements of the liquidometer's application range, model selection and installation.

urea plant; radiation level meter; radar level meter; capacitive level meter; application range; installation requirement

TQ441.41

：A

：1008-021X(2017)16-0158-03

2017-05-31

余小儒(1983—)， 開車工程師 ,主要從事化工裝置的試車技術(shù)指導(dǎo)和管理工作。