一种新型的吸收塔浆液密度测量方式的应用

＊谷俊杰 贾智勇 崔瑞萍

（中钢集团天澄环保科技股份有限公司 湖北 430000）

石灰石-石膏法湿法烟气脱硫因其脱硫效率高、技术相对成熟、适用于各种煤种、脱硫剂石灰石来源广泛等优点，得到广泛的利用，其中吸收塔浆液密度是能够确保脱硫系统安全稳定运行的重要参数[1-2]。吸收塔石膏浆液密度测量是否准确，对脱水石膏品质[2]及脱硫系统稳定运行[3]有较大的影响。目前大部分脱硫项目吸收塔浆液密度测量技术采用差压方式和科式力密度计方式测量密度。科式力密度计因其价格昂贵，使用过程中容易将套管磨损损坏，较短时间就要更换，使其应用受到局限[2-4]。差压密度测量法通过测量高压侧和低压侧之间的压力差，再将差压变送器测得的数值代入密度计算公式得到密度，其测量装置优点是采购价格低，现场施工方便，运行维护简易[2]，在大量脱硫工程中受到广泛应用。但利用差压法测量密度法由于吸收塔喷淋影响、吸收塔搅拌器搅拌扰动、脱硫氧化空气喷入、塔内浆液水流影响及脱硫浆液泡沫等各种干扰因素，尤其是脱硫浆液起泡的影响，使其测量得到的数值波动范围大，其准确性受到影响[5]。单纯依靠差压式液位计不能得到准确可靠的测量结果,因此，本文提出了一种新型基于信息融合的吸收塔浆液密度测量方式，方案通过设置3台压力变送器，测量不同分段的浆液液柱差压的测量代替直接测量某一处浆液密度的方法，并分段测得密度的变化情况，对测量的结果采取多传感器信息融合技术，获得不同液位下浆液密度插值计算值；该测量方案既可节约成本，密度测量结果也更准确。

1.差压法浆液密度测量的工作原理及误差分析

差压法密度测量法的原理，是通过测取液体内部静压力，根据静力学公式来间接测量浆液密度。

式中，ρ为浆液密度；ΔP为高压侧压力取样点和低压侧压力取样点之间的静差压；g为重力加速度；H为两个取压点之间的高度差。两个取压点分别为变送器的高压侧和低压侧，H为两者之间的间距，为固定值。通过测取高压侧和低压侧两点间的静压力差，利用公式ρ=ΔP/(gH)即可计算出浆液的密度。

实际项目执行过程中，在使用该测量方式用于吸收塔内石膏浆液密度测量时，通过比较仪表的测量结果与手工取样浆液带回到实验室进行分析，结果显示两者数值差距较大，主要表现在利用差压测得的密度值比实验室测得的密度值偏大，约50～100kg/m3。经过研究分析，这是由于吸收塔运行一段时间后，吸收塔浆液上层会产生很厚的泡沫，而差压法测量的是底部某段的浆液密度，底部的浆液密度远不能反映浆液实际状态；实际情况是底部浆液密度偏大，上部浆液密度偏小，用底部的浆液密度去修正计算吸收塔液位必然导致液位测量不准。

传统差压法测量浆液密度存在以下不足：（1）传统差压法只能代表吸收塔中部分区间内之间的浆液密度，代表性差。（2）测量位置容易受现场设备干扰，压力变送器安装与吸收塔搅拌器较近，容易受到吸收塔搅拌器的干扰，测量的准确度会受到影响（3）测量误差大，所测得的浆液密度数值比吸收塔内平均密度偏高。

在湿法烟气脱硫项目中，吸收塔浆液密度直接影响到脱硫系统的脱硫效率、吸收剂的消耗量、石膏品质乃至脱硫系统的稳定运行。传统差压法测量浆液密度存在大量不足，为了提升吸收塔密度测量的准确性，因此考虑对现有差压密度测量装置进行改进。

2.差压密度测量装置的改进研究

传统差压法密度测量存在上述一些问题，这表明单纯依靠差压式液位计并不能得到准确可靠的测量结果。改进的测量方案采取固定段浆液液柱差压的测量代替直接测量某一处浆液密度的方法，并分段测得密度的变化情况。具体的仪表安装及测量原理如图1所示。

图1 新型密度测量仪表布置示意图

以某项目为例，在吸收塔标高0.8m处、标高5.5m处、9.0m处各设置一台压力变送器，其中标高5.5m附近为氧化空气入口。通过设置三台压力变送器并分别装在0.8m、5.5m、9.0m不同的高度，可得到三处不同高度的压力数值，任一仪表的故障，不会造成浆液密度无法测量的情况，提高了测量装置的可靠性，同时该装置也能实现仪表故障诊断的功能。

用液位计1和液位计2之间差压测量H2段的浆液密度；用液位计2和液位计3之间差压测量H3段（氧化空气入口之上）的浆液密度；假定H1段的浆液平均密度为ρ1，ρ1值对最终浆液密度测量结果没有影响；H2段的浆液平均密度为ρ2，则：

其中P1、P2分别液位计1、2测得的压力值；H3段（含气泡较多）的浆液平均密度为ρ3，则：

其中P2、P3分别液位计2、3测得的压力值；整个H2+H3段的浆液平均密度为ρ平均，则：

其中P1、P3分别液位计1、3测得的压力值；根据仪表安装位置，可将ρ2、ρ平均、ρ3，分别作为标高3.15m（H2段中央）、4.9m（H2+H3段中央）、及7.25m（H3段中央）处的代表密度，则整个吸收塔分段区域的密度值可采用插值拟合算法求得，以分段折线为例：

当H≤4.9m时

液位计1处常用作吸收塔液位测量用变送器，常规吸收塔液位设置三个，此处的测量信号为三取二，其信号十分可靠；当液位计2或3中有一路信号故障时可用ρ2，ρ平均，ρ3三个计算密度值的差异判断哪一路变送器故障，以便及时处理。通过此方式实现仪表故障诊断功能。

本次差压密度测量方式的改进采用了3台压力变送器，使用多传感器信息融合技术。采用信息融合技术可增加测量结果的可信度，提高测量系统的可靠性[7]。

3.实验结果分析

某项目常规差压密度测量方式改进为基于信息融合技术差压密度测量后，将3组人工取样密度测量结果取平均与DCS上所显示的密度进行对比，以比较基于信息融合的吸收塔浆液密度测量装置的准确性及稳定性，所得结果见表1。

表1 改进的差压密度测量方式与手工取样对比结果

从表1的对比结果可以看出，改进后基于信息融合的吸收塔浆液密度测量装置所得的DCS监测值与手工取样均值相对误差最大为1.56%，由此表明改进后的基于信息融合的吸收塔浆液密度测量装置测量准确度大大提高。

4.不足及改进措施

（1）存在的现象及问题。①吸收塔上部由于鼓入有氧化风，而且存在浆液起泡的现象，吸收塔5.5m处及9.0m处压力变送器测得的压力值并不能准确反映出浆液由于自身重力作用而产生的压力，这两处压力测量值通过公式计算出的密度变化趋势与鼓入氧化风的压力趋势一致，由此说明氧化风对浆液密度存在一定的影响。②吸收塔上3个测量密度的压力变送器分别安装在0.8m、5.5m和9m高度，测量的是3处高度的压力值。实际需要不同高度之间的压力差，需要用这3个压力再去做减法。如果用两个变送器的压力值去相减，两个变送器都会有误差，其压力值相减后的误差更大，变送器测量误差对密度的测量影响比较大。

（2）下一步改造方案。基于采用压力变送器测量误差较大的问题，下一步考虑将压力变送器改为差压变送器进行测量。利用差压变送器测量直接得出不同液位之间的压力差，减少测量装置的系统误差，如此密度测量会更加准确。

5.经济性分析

目前湿法烟气脱硫系统中常用的测量浆液密度的方法是差压法和科式力密度计法。科式力密度计法是在有工艺管道上设置科式力密度计，通过管内流体的共振频率获得密度的一种方法。下面针对基于信息融合的吸收塔浆液密度测量、普通差压法测量密度和科式力密度计法测进行经济对比分析（详见表2）。

表2 改进后差压法、差压法和科式力密度计经济性对比

从表2的经济性对比结果可以看出，虽然基于信息融合技术差压测量密度比传统差压法价格稍贵，但其具有测量结果准确和安全稳定运行的突出优势，是吸收塔浆液测密度一种较好的方法。

6.结论

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺作为目前应用最为广泛的烟气脱硫技术，仍存在一些影响其连续稳定运行的关键问题，吸收塔浆液密度测量不准就是其中之一。应用基于信息融合技术差压测量密度测量结果精确度较高，同时增加测量结果的可信度，提高测量系统的可靠性。该测量方式可以有效避免部分密度测量误差，大大提高了吸收塔浆液密度测量的准确性和稳定性，进而保证湿法脱硫系统平稳运行。