吹气法在硫磺回收装置液硫池液位测量中的应用

2017-07-05周建红李自皋

石油化工自动化 2017年3期

关键词：吹气变送器静压

周建红，李自皋

(玉门油田分公司炼油化工总厂仪表车间，甘肃玉门 735200)

吹气法在硫磺回收装置液硫池液位测量中的应用

周建红，李自皋

(玉门油田分公司炼油化工总厂仪表车间，甘肃玉门 735200)

结合硫磺回收装置液硫池工艺流程中液硫介质黏度大、易凝固结晶的特点，阐述了吹气法液位测量的静压平衡原理，重点介绍了该方法在液硫池液位测量中的安装、定压恒流设置、变送器静压量程计算、误差分析等应用实践，并分析了吹气法应用的优势与不足及改进措施。

某炼油化工总厂于2015年改扩建的硫磺回收项目是一套环保隐患治理项目，硫磺回收装置由制硫、尾气处理、液硫脱气成型及公用工程四部分组成，其中制硫部分采用部分燃烧，两级催化转换工艺；尾气处理部分采用还原吸收工艺；设置2套制硫炉，共用液硫脱气池及排污扩容器。尾气处理部分设置1台尾气焚烧炉，自设除氧器，开工时采用除氧水产生蒸汽，正常后采用凝结水产生蒸汽。装置设置烟气排放连续监测系统(CEMS)，烟气SO2排放质量浓度不大于400 mg/m3，满足了GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》的要求。

酸性气在制硫炉中高温热反应和反应器内的低温催化反应生产液态硫，分2条管线进入地下液硫池。采用地下密封池进行存储更加环保，对员工身体伤害也相对较小。硫磺生产采用硫磺成型工艺，熔融硫磺物料通过泵传输，经过过滤器送入到滴落成型造粒机，喷出后冷却成固体颗粒，进入半自动封包线进行半自动化封包流程，整个硫磺生产流程自动化程度较高。

本文从液硫池的特点和液硫的介质特性出发，着重分析吹气法在液硫池液位测量的应用实践中需要重点注意的事项和需进一步改进的措施。

1 液硫池的液位测量方案

液硫池在装置区的安全地带设有放空口，所以池内为常压，制硫炉内的高温热反应和反应器内低温催化反应下的液硫在硫池混合后温度一般在160 ℃左右，相对密度一般在1.771左右。为了降低装置内各设备的标高，液硫池的主体部分位于地坪以下，所以在液位计选型时首先排除了外浮筒等引出式液位计。如选用内浮筒、导波雷达、磁致伸缩、射频导纳等液位仪表，由于在使用时需与介质接触，而液硫的密度较大、黏度较高，液位下降时易与仪表部件粘连，因而该类仪表不适用于液硫池的工况。由于超声波液位计的测量数值易受介质温度的影响，同样不推荐使用。常用的液硫池液位测量一般选用吹气法或雷达液位计，两种测量方法各有特点，并且均有成功应用的案例，本文重点介绍吹气法的应用与改进措施。

常见的吹气法工作原理如图1所示。将节流后的压缩气体通过导管插入到被测容器底部，当导管下端有微量气泡溢出时，导管内的压力即是容器内液体产生的静压，通过式(1)可得出容器的液位。

p=ρgH

(1)

式中：p——静压力；ρ——液体密度；H——液位。

图1 吹气法原理示意

使用吹气法测量液位时，导管内的气体起“气体垫”的作用，它将容器内液体的静压传导给压力变送器，如果“气体垫”受到干扰产生波动，就会使测量数值不准确，所以保证吹气流量的恒定是吹气法成功应用的关键。保证吹气量恒定的方法通常有两种：

1) 在导管上安装恒差继动器。可保证前后差压恒定，由于差压与流量的平方呈线性关系，差压恒定即是流量恒定。但由于恒差继动器造价高、易损坏，一般不采用该种方式。

2) 利用临界压缩比恒流原理。当压缩气体流过节流件时，节流件前后的压力比不大于气体的临界压缩比时，气体的流速接近节流件前状态下的音速，且不随节流件后压力的变化而变化，当节流件前的气体状态变化不大时，节流件后即可形成稳定的气体流速和体积流量。

吹气法适用于测量腐蚀性强、有悬浊物的液体，主要应用在测量精度要求不高的场合。

2 吹气法测量方案的应用

该装置的液硫池设置在地面下，为密闭型，容积为10 m×10 m×3 m，高出地面约0.5 m。内设1台液硫脱气泵、1台液硫泵；液硫池设计温度为160 ℃，设计压力0.01 MPa，硫磺生产能力为1.2 t/h。南北方向各设置了1套吹气法液位测量仪表，采用蒸汽伴热。

2.1 吹气法测量液硫池液位仪表的安装

液硫池液位计的安装如图2所示，吹气气源采用氮气，氮气通过截止阀、过滤减压器、限流孔板、止回阀与三通连接器连接；三通连接器的中间连接无缝钢管，用作吹气管，通向液硫池，距离底部留有约0.20m的测量盲区；三通连接器的另一边与截止阀和压力变送器连接，通过压力变送器测量吹气管内液态硫的静压。

吹气管通过盲法兰与U型伴热管线相连，组成一体化测量伴热部件，高出液硫池顶部约0.25 m。一体化测量伴热部件通过盲法兰在液硫池的顶部固定。

图2 吹气法测量液硫池液位仪表安装示意

1) 吹气气源。采用氮气，其化学性质比较稳定，为惰性气体，不会与液硫池的单质硫、二氧化硫、硫化氢等物质发生化学反应；不建议使用净化风或非净化风，压缩空气中的水分进入液硫池后反应生成酸，会腐蚀吹气管及伴热管路。

2) 过滤减压器。是稳定吹气压力的重要手段，通过对氮气的过滤，可以清除氮气中的杂质和水汽，防止吹气管路的堵塞，克服氮气压力管网的波动，给吹气管提供相对稳定的恒流源。另外通过减压阀的压力调控，也可以在液硫池空池的时候，对压力变送器的零点进行调校。

3) 限流孔板。当前面安装了过滤减压器后，限流孔板前的氮气状态基本恒定，变化不大，限流孔板后即可形成稳定的气体流速和流量，也不随限流孔板后压力的变化而变化，即可达到可适用“临界压缩比恒流原理”的条件。

4) 变送器。可选择压力变送器，也可选择负压室通大气的差压变送器。液硫池虽然是密闭容器，但其设计操作压力为0.01 MPa，因而可视作常压容器，变送器测量的压力基本可以近似地看作液位变化产生的静压。

5) 测量管及伴热蒸汽。测量管及伴热蒸汽部件，一般适宜采用顶部安装，且高于液硫池顶部0.25 m，防止液硫液位溢出，堵塞测量管路的过滤减压器、限流孔板及压力变送器，同时也方便仪表维护；其长度取决于液硫池的深度，吹气管底部应留有0.20 m的测量盲区，有利于产生气泡，并防止液硫池底部沉淀的杂质进入吹气管，堵塞吹气管路。

围绕吹气管的U型蒸汽伴热管线宜采用口径和壁厚较大的不锈钢无缝钢管，不仅可以增加蒸汽伴热的热传递效果，也可延长蒸汽伴热管路的使用寿命，该部件与液硫及液硫池的复杂腐蚀性气体直接接触，一旦伴热蒸汽管路发生腐蚀性泄漏或停止伴热，测量管的液硫在低于120 ℃时将会凝固，维修补焊作业非常不方便，因而测量管伴热蒸汽管路的材质和施工质量非常重要。

2.2 吹气法测量仪表的设置

2.2.1 压力变送器的量程计算

在液硫池达到最高液位时，使用吹气法在测量管下端有微量气泡溢出时，导管内的压力即是容器内液体产生的最大静压，通过式(1)计算出最高液位时的静压为52.091 kPa，不考虑测量盲区，也就是压力变送器的最大量程。

液位的高度与产生的静压呈线性关系，即压力变送器的压力变化可反应出液硫池液位的变化。

2.2.2 误差分析

式(1)中，液硫的密度与温度有着密切的关系，随着温度的升高，液硫的密度逐渐减小，在液硫池的设计深度、温度一定的情况下，随着液硫温度的变化，其产生的静压p也随之变化，假设液硫池深度H=3.0 m，设计温度为160 ℃，g=9.8 m/s2，则四者的对应关系见表1所列。

表1 液硫的密度、温度、静压、误差对应关系

从表1可以看出，如果液硫池的设计温度为160 ℃，深度为3.0 m，则压力变送器的量程应设置为0～52.091 kPa。实际运行时，液硫池的伴热蒸汽量会发生波动，实际伴热温度一般低于设计温度，有利于节能降耗，液硫温度会在130～145 ℃波动，因而就会产生0.741～0.347 kPa的静压误差，对应的液面误差在0.67%～1.42%，即最大误差为2～4 cm，基本上在可接受范围内。

2.2.3 定压设置

过滤减压器定压设置是为了既不因压力过高造成氮气的浪费，使压力变送器产生虚假测量压力；又不因压力过低，测量管在液位较高的情况下不能克服静压，在测量管底部不能产生气泡，导致吹气使抗干扰能力减弱。根据实际应用和估算，对于3.0 m的液硫池，定压应在0.090～0.104 MPa，即为最大静压值的2倍为宜。考虑到测量盲区和实际液位也不可能达到最高液位工艺要求，亦可稍微低于2倍最大静压值，因而确定定压低限为0.090 MPa，定压高限为0.104 MPa。个别文献建议减压阀后的压力定为0.3 MPa，通过现场实际反复调试、计算，笔者认为该文的减压阀后的压力提法偏高，易产生虚假液位。

2.3 吹气法测量液硫池液位的应用

2.3.1 吹气法的优势

1) 使用吹气法测量液硫池液位，有效地克服了液硫介质黏度大、易凝固结晶，池内部有毒、有害气体较多，易腐蚀，较难测量的缺点。

2) 测量管不易堵塞、操作使用方便、维护工作量很少，雷达液位计天线上不会出现硫蒸气结晶、挂料，有效地避免了流体的湍动、漩涡、气泡对微波信号造成的衰减导致测量精度降低等问题。

3) 相对于雷达液位计，吹气法结构简单、价格低廉、维护方便且不需专门培训，容易满足用户的实际需求。

4) 维护时，不会对维护人员造成二次伤害，不需要排污或放空，有毒、有害气体不会溢出，只需要稍微开大过滤减压阀，对吹气管路进行吹扫即可完成维护工作。

2.3.2 吹气法的劣势

1) 液硫池内单质硫在120 ℃以上保持液态，当温度低于120 ℃时则会凝固，所以氮气在吹气管吹入液硫池时需考虑足够的伴热，避免冷氮气与液硫的接触面结晶，导致堵塞导管。因此，需要消耗较多的氮气和高温伴热蒸汽，不利于节能降耗。

2) 液硫为腐蚀性较强且易结晶的介质，容易对吹气管及伴热管路的部件产生腐蚀作用，降低该部件的使用寿命，且一旦该部件腐蚀穿孔，堵漏、焊接工作难度较大。

3) 吹气法测量管路和伴热管路部件需要稳定的氮气和蒸汽供给源，在装置出现停工或突发状况下，装置的氮气和蒸汽一旦供给中断，液硫池内的有毒、有害气体会通过测量管进入压力变送器的测量管路或堵塞测量管路，液位将无法测量。

2.3.3 改进措施

1) 过滤减压器是吹气法提供稳定恒流气源的重要辅助设备，必须选择优质、可靠、精确度较高的减压阀，并配置过滤装置，防止水汽或杂质进入吹气测量管路。