聚丙烯粉料洗涤塔运行故障及液位计改造
2018-09-22，
，
(陕西延长石油(集团)有限责任公司 延安石油化工厂，陕西 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
陕西延长石油(集团)有限责任公司延安石油化工厂聚丙烯装置采用国产化第2代环管聚丙烯液相本体工艺技术，设计年产本色聚丙烯粒料20万t[1]。该装置2009-07投产运行，很快就出现了液位DCS监控记录异常、聚丙烯粉料洗涤塔排水困难等问题。现场检查发现，洗涤塔工艺蒸汽中携带的粉末在液位计浮筒腔内滞留，影响了浮子的动作灵活性，引起了液位指示和调节功能异常，造成更多的粉料无法及时随冷凝液从塔底排出，未排出的粉料再次发生滞留，此过程反复进行形成恶性循环，不到半年时间就造成导致聚丙烯粉料洗涤塔系统彻底瘫痪。其间多次出现过浮子卡死情况，维护人员曾经采用手动水洗法，以反复排水和补水的方式带走浮筒内沉积的一部分粉料。但此种方法工作量大，清理积料的速度和能够清除的积料数量都有限，只能临时改善操作状况。为了彻底解决装置出现的上述问题，我厂在2012-04装置大检修时，对聚丙烯粉料洗涤塔浮筒液位计实施了技术改造。
1 聚丙烯粉料洗涤塔浮筒液位计使用情况
浮筒液位计在聚丙烯装置投产初期能够正常使用，实现了聚丙烯粉料洗涤塔液位的正常指示。正常工况下，聚丙烯粉料洗涤塔浮筒液位计的DCS液位监控线图见图1。从图1可以看出，液位在高限(80%)和低限(20%)之间随时间呈周期性规律变化，液位变化的周期基本是1 h，每个周期内的液位体积分数与时间成直线函数关系。
图1 浮筒液位计正常工况下DCS液位监控线
聚丙烯装置2009-07投产运行不到半年，聚丙烯粉料洗涤塔浮筒液位计运行异常，其DCS液位检测线图表现为液位计数值变化缓慢或长时间数值不变化，见图2和图3。
图2 浮筒液位计异常工况下DCS液位检测线-1
图3 浮筒液位计异常工况下DCS液位检测线-2
从图2可观察到，浮筒液位计的液位指示长期位于30%的低液位位置。从图3可观察到，浮筒液位计液位指示长期位于30%～60%的小液位范围。对比图1、图2和图3发现，浮子的浮动范围比正常时明显变窄。在排除了其他因素的影响后所做的分析表明，浮子的动作可能已经不灵活，也说明浮筒中可能已经有较多积料。
液位计现场检查证实上述分析是正确的。现场检查给出的液位计故障的主要原因是，浮筒空腔内有大量的粉末导致浮子动作不灵活，严重时出现卡死，由于液位计故障又引起了洗涤塔不能正常排水，粉料不能被及时排出塔体，因此更多的粉料积存在塔内，后进入浮筒液位计。如此恶性循环导致聚丙烯粉料洗涤塔系统彻底瘫痪，问题如果不及时处理会引起满塔或空塔，严重时会引起整个装置无法正常运行，造成重大损失。
2 聚丙烯粉料洗涤塔液位测量装置分析
2.1 工艺应用条件分析
聚丙烯粉料洗涤塔原则工艺流程见图4。来自蒸汽罐的含粉料气体从底部进入洗涤塔，在塔内自下而上流动的过程中与自上而下流动的洗涤水逆流接触[2]，蒸汽中的粉料进入洗涤水中并随之从洗涤塔底排出，蒸汽中的粉末因此得以洗涤。塔的回流泵保证水在洗涤塔内循环，蒸汽的冷凝由安装在塔顶部的冷凝器来完成[3]。
图4工艺流程中的冷凝液中含有大量固体粉末。固体粉末的存在降低了流体的均匀流动性，增加了流体内固体杂质聚结和粉末在洗涤塔内件局部位置沉积的可能性，还可能影响到洗涤塔液位的准确测量、指示和调节[4]。
2.2 液位测量装置选型分析
2.2.1浮筒液位计
(1)结构 实施改造前，聚丙烯粉料洗涤塔使用的是东京计装公司生产的全进口浮筒液位计，其结构见图5。
图5 改造前聚丙烯粉料洗涤塔浮筒液位计结构
浮筒液位计测量液位时浮子必须与被测液体直接接触，被测液体进入液位计空腔时，其附带的大量聚丙烯粉末难免有部分滞留在液位计空腔中。当粉末过多集聚在浮筒内时，导致浮子动作受阻或卡死，造成不能真实反应液位值[5]。
(2)工作原理 浮筒液位计利用变浮力原理测量液位。当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积改变，所受浮力随之变化。通过测量浮力变化，可确定出液位的变化[6]。浮筒液位计工作原理见图6。
图6 浮筒液位计工作原理
图6中液位计用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力平衡[7]。因此有：
kx=ρgAH-W
(1)
式中，k为弹簧刚度，N/m；x为弹簧压缩量，H为浮筒浸入深度，m;ρ为液体密度，kg/m3;A为浮筒截面积，m2[8]。
液位发生变化时，例如升高ΔH，弹簧被压缩Δx，此时有：
k(x+Δx)=ρgA(x+ΔH-Δx)-W
(2)
式(1)与式 (2) 相减得：
ΔH=(1+k/ρgA)Δx
(3)
式(3)表明，液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可以用差动变压器转换成电信号进行远传控制。因此，当浮筒液位计的浮筒升降动作发生异常时，弹簧的变形时将无法准确反映液位的实际值[9]。
2.2.2浮筒双法兰差压液位计
双法兰式差压变送器由差压变送器、毛细管和带密封隔膜的法兰组成。密封隔膜的作用是防止管道中的介质直接进入差压变送器，它与变送器之间是靠注满液体(一般采用硅油)的毛细管连接起来的[10]。当膜片受压后产生微小变形，变形位移或频率通过毛细管的液体传递给变送器，由变送器处理后转换成输出信号[11]。双法兰差压液位计工作原理见图7。
图7 双法兰差压液位计工作原理
差压变送器的高压侧与容器底部的取压室相连，低压侧与液面上方容器的顶部相连[12]。如果容器上方为气体，则高压侧压力pH为：
pH=p+Hρg
(4)
式中，H为被测液位高度，m；p为容器上部空气压力，kPa。因为低压侧压力pL=p，所以差压变送器所受的压差Δp=pH-pL=Hρg。这样则可以根据差压变送器测得的差值，按照下式来计算液位的高度：
(5)
由式(5)可知，只要知道差压变送器所受的压差，即高压法兰和低压法兰侧的压力之差，就可求得液位的高度。
2.2.3液位计工作原理对比分析
对比浮筒液位计和双法兰差压液位计工作原理可知，浮筒液位计测液位时浮子必须与被测液体直接接触，并且要随液位变化上下运动[13]。由于粉料洗涤塔中含有大量的聚丙烯粉末，当粉末过多集聚在浮筒内时，导致浮子动作受阻或卡死，造成不能真实反应被测量液位值[14]。而双法兰差压液位计是靠高低压侧法兰膜片感压后将压力传感给差压变送器，由差压变送器获得的压力差来计算得到液位的变化值，即使塔内含有大量粉料也不会引起压力传感不准[15]。
3 聚丙烯粉料洗涤塔液位计改造
根据液位计使用原理和使用工况的对比分析，我厂在2012-04装置大检修时决定将浮筒液位计改造为双法兰差压液位计，取得了较好的经济效益。未改造前，聚丙烯粉料洗涤塔液位计使用的东京计装公司全进口浮筒式液位计每套价值75 000元。2011年更换表头花费50 000元，2009-07～2012-04多次维修产生费用共10 000元。改造后使用罗斯蒙特公司的双法兰差压液位计，每套价值50 000元，2012-04至今未更换任何零部件，每年正常的维护和检查费用大约为1 000元。
改造前后聚丙烯粉料洗涤塔液位计运行成本对比见图8，可见双法兰差压液位计的经济价值远高于浮筒式液位计。
图8 改造前后聚丙烯粉料洗涤塔液位计运行成本对比
4 结语
聚丙烯粉料洗涤塔浮筒液位计改造为双法兰差压液位计至今已超过6 a，除装置检修期间对双法兰表面进行正常维护检查外，日常使用中双法兰差压液位计一直运行状态良好，未出现过一起液位计故障事故，不仅极大减少了维护人员的工作量，整个聚丙烯粉料洗涤塔系统也运行正常，再无液位计故障引起的满塔或空塔现象，此次改造达到了预期的目的，满足了正常生产的需要。
此次项目改造根据不同的使用条件和环境选择不同的测量仪表，打破了原有设计的不足，不仅解决了聚丙烯粉料洗涤塔液位计选择不当引起的运行故障难题，也保证了工艺装置平稳运行，从中得到了解决同类问题的有效方法。
