低溫位熱能回收系統酸濃度在線分析儀的運行與維護

李慶恩

（中化重慶涪陵化工有限公司，重慶涪陵 408000）

美國孟莫克公司開發的吸收過程循環酸余熱回收系統(HRS)工作原理是利用硫酸在w(H2SO4)99%以上腐蝕性略有下降的特性，將酸溫度和酸濃度同時控制在一個狹窄區域，針對特定工況開發出耐強腐蝕的專用ZeCor合金材料，使HRS實現工業化，硫酸低溫位熱能回收系統余熱回收率達75%以上[1]。

HRS的技術核心是嚴格控制酸濃度。200 ℃以上、w(H2SO4)99%以下時，硫酸對設備腐蝕相當大，酸濃度越低，維持時間越長，腐蝕速率越快，且防腐材料不易抵抗。為此，除設置常規的溫度、壓力、液位等控制儀表外，在酸循環管路上還設置多臺酸濃度在線分析儀，并進行酸濃度超限報警及聯鎖。在裝備上，孟莫克公司選擇了全球知名的酸濃度在線測量儀表、Lewis控制閥，以及完善的聯鎖保護系統，確保HRS安全、穩定、長周期運行。

1 酸濃度在線分析儀

1.1 工作原理

酸濃度和電導率存在一定關系，可采用電導率分析儀測量酸濃度。電導率傳感器有接觸式探頭和無電極（也稱感應型）式探頭，鑒于硫酸電導率高、腐蝕性強，應采用無電極式探頭。環形電導率傳感器測量原理基于法拉利電磁感應，示意見圖1。

圖1 環形電導率傳感器測量原理示意

采用2個分離的線繞成金屬環形線圈，封裝在一個耐腐蝕非金屬環形探頭內作為檢測傳感器，也稱之為環形電導率傳感器。兩個線圈一個作為發送器（勵磁線圈），一個作為接收器（測量線圈）。T1，T2為環形變壓器，發送器線圈通電U1時，T1中產生相應的交變磁通，根據電磁感應原理，此交變磁通使溶液產生感應電流Ie，形成一個交叉于T1，T2的電流環，電流環電流與溶液電導率成正比，同時電流環又使T2中生成交變磁通，從而使溶液與電流Ie成比例的電壓U2在接收器線圈中形成。通過測量電壓U2的大小，得到該溶液的電導率值，根據溶液濃度對電導率的相關曲線，將電導率測量值換算為質量分數。

將環形磁芯繞制的傳感器放置于硫酸溶液中，包圍傳感器的溶液通過中心孔形成電介質回路，溶液回路等效電阻Re=K/Xe，（K為傳感器系數），溶液回路感應電流Ie的大小由溶液等效電阻Re，即溶液電導率Xe決定。這樣在接收器線圈上可得到隨電導率變化的感應電動勢U2，通過溫度補償及計算，就能測量出瞬時硫酸濃度值。

1.2 儀表選擇

酸濃度在線分析儀是HRS裝置的關鍵儀表，因傳感器工作于200 ℃高溫，可供選擇的儀表廠商極少，儀表為原裝進口，價格昂貴。典型HRS工藝在線酸濃度測量點位示意見圖2。

圖2 典型HRS工藝中在線酸濃度測量點位示意

圖2中，酸濃度檢測傳感器工作溫度高于180 ℃的測量點有A1，A2，A3，A4，其中A1工作溫度在200~220 ℃。稀釋器加水控制酸濃度是工藝操作管控重點，所以其出口管酸濃度檢測設置了2臺酸濃度在線分析儀，若2臺分析儀測量濃度差值超限可報警。A1，A3和A4測點極為重要，參與系統聯鎖。

由于HRS需要檢測的是200 ℃高溫下的硫酸濃度，普通的插入式環形電導率傳感器無法滿足工況溫度要求，所以采用特殊結構的環形電導率傳感器——流通式環形電導率傳感器。流通式環形電導率傳感器與插入式環形電導率傳感器的結構略有不同，流通式環形電導率傳感器測量原理示意見圖3。

圖3 流通式環形電導率傳感器測量原理示意

流通式環形電導率傳感器也有發送器和接收器兩個線圈，但這兩個線圈置于內襯聚四氟乙烯的短管外，工藝介質由短管內流過。由于環形線圈不是直接插入被測溶液，因此需要用外部連接線把電路接通。所謂外部接線就是用短接片連接2個與工藝介質接觸的金屬環，即環形電導率傳感器的 2個工作線圈。短接片起連通線圈的作用，接觸線圈就是傳感器與工藝過程管線連接的配對法蘭。

在HRS中，在線酸濃度測量采用取樣管抽出式連續測量方式，工藝介質返回后續系統，儀表采用DN25管徑規格，法蘭的壓力等級Class150 的流通式環形電導率傳感器包括襯聚四氟乙烯短管、環形電極、連接法蘭和信號電纜。傳感器材質是不銹鋼管材內襯聚四氟乙烯。

整套酸濃度在線分析儀由流通式環形電導率傳感器（以下簡稱傳感器）、1個分離的自動溫度補償元件（熱電阻）及相匹配的分析儀三部分組成。通過分析儀測量出硫酸的電導率值，輸出4~20 mA DC標準信號傳輸至DCS，在DCS中通過硫酸電導率與濃度的線性化公式進行濃度轉換。測溫熱電阻安裝在傳感器下游附近的采樣管路中，根據對電導率的檢測值進行溫度補償。酸濃度在線分析儀傳感器示意見圖4。

圖4 酸濃度在線分析儀傳感器示意

2 酸濃度在線分析儀使用注意事項

酸濃度在線分析儀在使用時應注意以下事項：

1）酸濃度在線分析儀傳感器的測量值與溶液的流速、流向無關，但需保證傳感器環形孔內介質正常流通，不能堵塞。

2）介質要滿管，不能有氣泡，否則會影響測量值的準確性。

3）傳感器與配對工藝管路法蘭連接螺栓必須絕緣，確保隔離墊片、螺栓絕緣導管及墊圈完好。

4）與傳感器兩端連接的配對法蘭的短路連通線必須接觸良好。采用獨立焊接的不銹鋼螺栓，連接線兩端頭制作線鼻子，并進行可靠防護，不能簡易地壓在法蘭連接螺栓上進行連接。

5）分離安裝的測溫熱電阻安裝于靠近傳感器的管路上，必須接入分析儀對電導率檢測值進行補償，并保證溫度檢測準確及對分析儀自動溫度補償點的正確配置。

6）酸濃度在線分析儀直接測量電導率，應將電導率在DCS中采用特定硫酸的線性化公式進行濃度轉換，酸濃度在線分析儀濃度檢測范圍為w(H2SO4)96% ~ 100%。

7）稀釋器出口的酸濃度在線分析儀傳感器應保證空氣分離器正常工作，防止氣泡干擾分析儀讀數。

3 酸濃度在線分析儀故障原因分析及改進建議

3.1 傳感器損壞

在HRS中，傳感器工作環境是200 ℃溫、0.3 MPa，若長期運行，傳感器的聚四氟乙烯襯里管會變形，造成硫酸泄漏或無法準確測量酸濃度。傳感器損壞圖片見圖5。

圖5 傳感器損壞圖片

經分析，造成傳感器損壞的原因主要有：

1）傳感器最大設計溫度為182 ℃，但工藝介質溫度超過200 ℃。酸濃度在線分析儀傳感器選型樣本、傳感器銘牌、信號電纜標貼均標明傳感器最大工作溫度為182 ℃。

2）盡管理論上聚四氟乙烯能承受260 ℃高溫，但裝置處于0.3 MPa工藝壓力時，從180 ℃就開始軟化，隨著溫度升高，軟化程度加劇。高溫下聚四氟乙烯襯里管受熱軟化，在介質壓力作用下沿軸向方向伸長，然后從法蘭翻邊連接處拉裂，造成高溫硫酸介質進入不銹鋼外殼管與聚四氟乙烯內襯管之間，并向徑向中心方向擠壓，加劇內襯管變形損壞，嚴重時造成內芯中心管路變形堵塞。襯里損壞示意見圖6，襯里損壞照片見圖7。

圖 6 襯里損壞示意

圖7 襯里損壞照片

3）傳感器襯里軸向伸長與法蘭翻邊拉裂的原因是傳感器內徑與配對法蘭內徑存在差異，儀表襯里管內徑為φ18 mm，配對法蘭內徑為φ25 mm，因配對法蘭內徑大一些，內徑小的內襯管受熱變形后在壓力作用下向兩端伸長，最終導致法蘭翻邊連接處的聚四氟乙烯拉裂，傳感器內徑與配對法蘭內徑差異示意見圖8。

為了防止傳感器發生故障提出以下改進建議：

1）將配對法蘭內徑改為與傳感器內徑相同或稍小，理論上可阻止軟化的聚四氟乙烯內襯管兩端伸長，避免法蘭翻邊處拉裂導致的酸進殼層擠壓內襯四氟管的現象。

2）降低傳感器的工作溫度。該進口傳感器最大設計溫度為182 ℃，然而實際溫度遠超該溫度。最易損壞的是A1（見圖1），因為該測量點工藝設計溫度是200~227 ℃，實際操作中工藝溫度基本在210 ℃左右，建議降低傳感器的工作溫度，例如將傳感器進口取樣管路不保溫或另外增加冷卻裝置（水冷卻器或者散熱片），使傳感器在182 ℃工作，注意傳感器及后管路仍需要進行保溫，以保證安裝在下游的溫度檢測熱電阻與檢測傳感器處于同樣的工藝介質溫度，使之能正確地進行溫度補償。

圖 8 傳感器內徑與配對法蘭內徑差異示意

3.2 傳感器連接法蘭端面泄漏

流通式酸濃度在線分析儀傳感器是在配對法蘭上通過外部短接線將電路連通，因此需要將儀表傳感器與配對法蘭絕緣，才能保證儀表正常工作。原裝儀表配有法蘭端面墊片、連接螺栓絕緣套管和連接螺栓絕緣平墊片等安裝附件。在儀表投用后，因使用介質溫度較高，絕緣墊可能會熱脹冷縮，引起螺栓松動造成密封面處硫酸介質微漏，此時只需關閉取樣閥門，將酸濃度在線分析儀傳感器連接螺栓緊固即可。

一些廠家發現原法蘭連接螺栓絕緣平墊片變形時，采用自行加工的聚四氟乙烯平墊片代替，易造成法蘭螺栓壓緊不夠，密封面處介質少量泄漏，影響傳感器絕緣性，使酸濃度測量不準確。傳感器連接法蘭端面泄漏示意見圖9。

圖9 傳感器連接法蘭端面泄漏示意

法蘭連接螺栓由于兩端均有絕緣平墊片，聚四氟乙烯絕緣平墊片材質軟，與金屬螺栓剛度不一致，而且緊固的接觸面小，造成緊固中聚四氟乙烯絕緣平墊片變形，始終無法將法蘭可靠壓緊，從而造成泄漏。

在絕緣墊片外側各增加1只鋼材質的平墊片，可解決連接螺栓無法壓緊的問題，傳感器法蘭連接緊固示意見圖10。

圖10 傳感器法蘭連接緊固

4 儀表運行及維護管理

酸濃度在線分析儀在運行過程中需做好維護，保證測量結果的準確性：

1）及時更換有缺陷的酸濃度在線分析儀表。

2）經常進行人工分析比對，在使用范圍內校準，保證濃度測量的準確性。

3）嚴格酸濃度報警及聯鎖管理，正常操作時聯鎖裝置必須投入使用，若需解除必須嚴格執行審批制度。

4）儀器故障報警或數據保持不變均應引起足夠重視，必須詳細檢查。

5）酸濃度在線分析儀在檢修或者故障維修期間，必須穩定稀釋器加水流量，嚴格各工藝參數的管控。

6）加強泄漏管理，杜絕傳感器法蘭連接端面泄漏，消除安全隱患，避免污染環境及損壞儀表。

5 結語

硫酸裝置低溫位熱能回收系統在國內大中型硫酸生產裝置中得以廣泛應用，無論是孟莫克公司的HRS 還是國產化的DWRHS，酸濃度在線分析儀均是工藝設備安全運行的關鍵性儀表，必須得到各級管理及維護層面的足夠重視，才能保證生產裝置的安全、穩定和長周期運行。