100kt/a合成氨裝置高壓液位控制的優化

劉思友

（云天化國際云峰分公司儀修廠，云南 宣威 655426）

100kt/a合成氨裝置高壓液位控制的優化

劉思友

（云天化國際云峰分公司儀修廠，云南 宣威 655426）

針對100kta/a合成氨裝置冷凝塔、氨分離器高壓液位測量、控制的難題，提出了高壓液位測量、自動控制的改進方法，取得了明顯的經濟效益和環保效益。

高壓液位；測量控制；改進

云天化國際云峰分公司年產100kt/a合成氨裝置，是1972年建成投產的老裝置，公司現用兩套合成氨系統，分別為φ800和φ1 000氨合成系統，操作壓力均為≤31.3MPa。兩套系統氨分離均為兩級分離，一級設在水冷器后，分離溫度約為45℃；一級設在氨蒸發器（氨冷器）后，分離溫度約為0℃。分離后的液氨排入液氨貯槽，操作壓力為≤1.6MPa。兩級液氨分離液位設計有手動調節回路和自動調節回路。自動調節回路采用DCS控制，帶緊急切斷功能，可以實現一鍵緊急停車。

冷凝塔、氨分離器屬于高壓設備，工作壓力為≤31.3MPa。分離的液氨排入液氨貯槽，液氨貯槽屬低壓設備，工作壓力為≤1.6MPa。液氨屬于危險化學品。如這兩處液位調節控制不能正常使用，可能使高壓部分氣體大量竄入低壓部分導致超壓，造成爆炸和氨泄漏。若液位過高時，液氨帶入氨合成塔，一是液氨氣化吸收大量熱量；二是造成進入催化劑氣體氨濃度急劇增高，抑制氨合成反應，導致催化劑床層溫度急劇下降，低于催化劑反應活化溫度，將無法維持生產，造成工藝事故；同時液氨帶入循環氣壓縮機，輕則損壞密封填料，重則因液擊損壞氣閥，更嚴重可能因液擊造成設備爆炸，導致氨、氫氮氣泄漏，形成化學爆炸危害更大。液位過低時，部分氫氮氣隨液氨排入液氨貯槽，造成原料氣損失，增加原料氣消耗，增加合成氨成本。

一、工況簡介

1.φ1 000系統工況

壓縮七段送來合格的N2、H2混合新鮮氣體與循環機出口的氣體在濾油器混合，分離油水后，進冷凝塔上部冷交的管內（上進上出）換熱后，進入氨蒸發器（冷凝），出氨蒸發器的氣體進入冷凝塔下部分離器分離液氨后（0±5℃），進冷凝塔上部管間，與管內氣體換熱后出冷凝塔（約35℃），氣體分成兩股：一股約30%～ 35%氣體直接進入冷管束（這股氣體由兩部分組成，一部分是入塔氣體；另一部分是出塔氣體，兩部分氣體在塔外管道匯合進入冷管束）。

另一股是入合成塔氣體中約65%～70%的氣體，從合成塔上部進入，從（沿）合成塔高壓外筒與內件環隙向下冷卻保護高壓外筒，從塔底出合成塔后，進塔外換熱器（管間），與廢熱鍋爐出口氣體在塔外換熱器（管內）換熱，出塔外換熱器后（約180℃）二次入合成塔，進入合成塔下部的換熱器管間，（與管內反應氣換熱）氣體加熱到350～390℃，經中心管進入催化劑層表面。通過第一絕熱層反應后，氣體溫度升到460～470℃，與冷管束出來的氣體在菱形混合分布器內混合，溫度降到400～430℃，進入第二絕熱層、冷管層和下絕熱層反應，430～440℃的反應氣經塔下部換熱器，降至310～340℃出塔。出塔氣經廢熱鍋爐進塔外熱交換器管內，上進下出，（由上部）進入水冷器，水冷器出口氣體（約45℃）經氨分離器分離液氨后，進入循環機，開始新的一輪循環。

2.φ800系統工況

φ800氨合成系統：合成塔出口氣體進入后鍋回收熱量，后鍋出來進入高壓水冷器，水冷后進入氨分離器分離液氨后，氣體再進循環機加壓，進行下一次合成。由壓縮來的氣體→濾油器（與循環氣）混合→冷凝塔上段換熱→氨蒸發器→冷凝塔下段分離→分主、副線進入合成塔→后置鍋爐→高壓水冷器→氨分離器→循環機入口→濾油器。

為了嚴格對冷凝塔、氨分離器液的監控，該高壓液位測量原采用差壓變送器和γ射線料位計（Co-60放射源）同時測量，在使用過程中，兩液位計測量示值經常大幅度的波動，不能準確判斷液位的高低，給遠程監控、操作造成很大困難，甚至造成跑氣，減小合成氨產量；如果控制不好造成嚴重帶液，就直接導致工藝事故。為此，取消差壓變送器和放射線料位計測量儀表及

調節閥，重新選型電容式物位計及自動調節閥，實現了100kt/a合成氨裝置高壓液位控制優化及應用。

二、電容式物位計的工作原理、安裝

UYB電容式電容式物位計由電容式物位傳感器和檢測電容的線路組成，根據輸出電容與液位的關系制成的物位測量儀表。電容式物位計傳感器是根據圓筒電容器原理進行工作的。直接把物位變化轉換成電容的變化量，達到測量物位高度的一種測量原理。如圖1所示。

圖1

內電極導電圓柱和測量筒形成一個同軸電容C，則：

式中：h1—液面高度；

k1h2—氣體部分形成的圓柱電容；

k2h1—液體部分形成的圓柱電容；

k1、k2—與被測介質性質結構有關的常數。

由此可見，電容C與液位h1成線形關系，檢測探極電容C的變化即可測量液位的高度。電路原理如圖2所示。

圖2

可調電容C0是為了抵消C中由氣體部分所形成的電容k1h2而設置的調零電容。激勵源產生一個所需要的特定激勵信號來驅動差動電容檢測電路，差動電容檢測電路將C與C0的差值轉換成一個微弱的小電流I1。調整C0= k1H則有：

因此I1是與液位高低h1成線性比例的小電流，將I1放大即可得到與液位高度h1成線性比例的4～20mA電流信號。

從電容式物位計原理可看出，測量原理相對簡單，容易掌握，而且技術成熟，精度高。

在舊設備上安裝電容式物位計占有較高的優勢，利用原來設備上的取壓口、排污口均可，在底部、上中部也可安裝，并且安裝簡單、方便，根據設備的安裝口、壓力等級、液位控制高度來確定電容式物位計電極的長度，儀表選型簡單，圖3為復雜的冷凝塔內插式安裝。

圖3

三、調節閥的選型

合成氨廠冷凝塔、分離器液位調節閥改造前，采用傳統的“側進底出”式高壓液位調節閥，由于調節回路為液氨介質，其溫度范圍在3～10℃，調節閥前、后壓差范圍在27～29.727MPa（表壓）之間，調節閥內件結構只有一級減壓方式，使用3個月左右的時間就由于高壓差沖蝕造成閥芯，閥座損傷，泄漏量增加；導致合成氨冷凝塔、分離器液位控制不能實現自動調節。操作人員必須在現場用工藝閥門輔助調節，既增加操作人員的勞動強度及儀表工的維護工作量，合成氨產量還難以提升，操作時稍微疏忽就有可能造成跑氣，減小合成氨產量，如果控制不好造成嚴重帶液，就直接導致工藝事故。

為了提高自動調節質量，避免工藝事故的發生，選用美國Masoneilan（墨索尼蘭）公司生產的“底進出側”高壓角式氣動調節閥，該調節閥為6級減壓式，型號為：78460（LLG）6STEPS，口徑：1～1/2in，針對高壓差沖蝕造成閥芯，閥座損傷的問題，選材為：閥體材質（Matl booy）：astma216Gr-Wcc，閥芯材質（PLUG）：410SS，閥座材質（SEAT）：630（H900）SS。

圖4為調節內件結構圖，閥芯結構采用多級（6級）減壓結構。

圖5為工藝介質（氣體、液體）經過調節閥內件流向圖，即紅色箭頭所示，采用多級減壓式結構，有效的減少高壓差對閥內件的沖蝕，還能降低流體流過時產生的噪聲，延長了閥門的使用壽命。

四、結語

高壓液位測量改用電容式物位計成本低，安裝簡單，使用周期3年，增加了液位檢測的穩定性和可靠性，精

度比原來提高了兩倍；選用原裝進口多級（6級）減壓調節閥（成本相對國產高，使用周期提高了6倍），有效的減少高壓差對閥內件的沖刷、氣蝕，使用16個月以來，沒有發生由于高壓差沖刷、氣蝕造成閥芯，閥座損傷、泄漏量超密封墊級的現象發生，實現了合成氨冷凝塔、分離器液位自動控制的優化、應用；減少“跑氣”及“帶液”事故的發生，增加了合成氨產量。降低了操作人員的勞動強度；減少了檢修帶來的安全風險。

1.產生的環保效益

取消γ射線料位計（Co-60放射源）后，消除了放射源對現場環境及人員的輻射危害，降低了安全、環保帶來的風險。

2.產生的經濟效益

（1）每年減少維護費支出為1.15萬元。

（2）項目實施后，平均每天增加合成氨12.3t，若儀表貢獻率按50%計算，每天至少能增加合成氨產量6t，每月可增加180t合成氨，每年按11個月計，增加的合成氨產量為1 980t，按2 800元/t計（市場價），減去改選調節閥、電容式物位計等投入資金合計67萬元后，每年新增效益487.4萬元。

圖4

圖5

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1671-0711（2014）08-0036-03

2014-01-22）