超大腔體磁致伸縮浮筒液位計在煤化工灰水設備上的應用

趙 祥

(江蘇索普股份化工有限公司， 江蘇鎮江 212006)

煤化工生產過程中,要保持各裝置安全穩定運行，必須準確測量液位、壓力、溫度、流量等工業參數。其中,液位測量難度較大。傳統的差壓法通常由差壓變送器和取壓裝置組成。差壓變送器是一種將壓力差轉換為氣動信號或電動信號并進行顯示、控制和遠程變送傳輸的設備[1]。傳統的浮筒液位計，適合潔凈液體場合，測量范圍適用于液位計量程為0～2 000 mm，被測介質密度變化會引起測量誤差[2]。

工業企業對測量準確性的要求不斷提高，傳統的液位測量方法如差壓變送器、浮筒液位計、伺服液位計等已經不能完全滿足工業生產領域的要求。基于各種傳感器技術和電氣技術的新型液位儀表可滿足用戶對精度、可測量性、維護量以及經濟性等方面的需求，雷達、電磁法、電容、超聲法等各種液位儀表在工業領域的應用日益廣泛，極大地推動了液位測量技術的發展。由于煤化工領域對高精度儀表和多參數儀表的需求日益增長，隨著測量技術、信息技術的發展和生產成本的降低，新興的物位儀表被廣泛應用。筆者結合企業水煤漿液位測量遇到的技術問題進行分析，提出了探索性的解決方案。

1 水煤漿液位測量疑難問題分析

1.1 應用工況概述

煤氣化裝置的灰水液位是工藝控制中極為重要的檢測參數，介質為高溫高壓、含大量細灰渣的黑水(250 ℃、6.4 MPa)，其中既溶有腐蝕性的有害氣體，又有灰渣、無機鹽等雜質，在烘爐時還會出現真空現象，對液位計的性能要求很高。黑水液位測量儀表的可靠性直接影響氣化爐的安全運行，液位過高則會使氣化爐的粗合成氣帶水，腐蝕下游工藝設備；液位過低則會使合成氣和熔渣溫度過高，同時合成氣帶灰，達不到洗滌除塵效果。氣化爐黑水液位參與氣化爐安全聯鎖系統，液位過低限導致氣化爐系列聯鎖停車，故設置遠傳液位計，且在就地設有顯示儀表，便于現場隨時觀察。

江蘇索普股份化工有限公司氣化廠(簡稱氣化廠)自2009年運行以來，多次發生水洗塔帶水、火炬帶水事故，嚴重影響生產穩定運行。通過生產部、安全保障部對事故進行分析，發現其原因與黑水液位計有關。因此，需對黑水部分的液位計進行改造[2-3]。

1.2 測量方案分析

針對氣化渣水工況特點，黑水中含有較多的灰渣，會黏結在差壓變送器的膜盒上，可通過增加沖洗水來解決。目前行業內多采用雙法蘭液位計加沖洗水的方式。

1.3 運行情況分析

鑒于水煤氣中含有氫腐蝕，同時氣化爐每次停機重起爐時有3 d以上的抽負供爐工況，會損壞氣化爐渣水的雙法蘭液位計，導致變送器膜片容易出現鼓泡和皺褶現象而無法使用。自2009年起，氣化廠因氣化爐渣水工況損壞的液位計數量不少于80臺，導致生產運行費用高。同時，在氣化爐開停車過程中，由于無法準確顯示旋風分離器和水洗塔液位，導致罐內實際液位過高，發生合成氣帶水現象。

2 超大腔體磁致伸縮浮筒液位計

2.1 原理介紹

超大腔體磁致伸縮浮筒液位計在傳感管內裝有磁致伸縮波導絲，其一端裝有壓電傳感器，電子部件向磁致伸縮波導絲發出電流脈沖信號，該電流脈沖與磁性浮子的磁場相互作用，在磁致伸縮波導絲上產生扭應力波。該扭應力波以已知的速度從浮子的位置沿磁致伸縮波導絲向兩端傳送，傳感器收到扭應力信號，根據時間間隔來計算浮子的位置，從而計算出液位。

磁致伸縮浮筒液位計為超大腔體設計(見圖1)，內有兩根縱向浮子定位導向桿，在增大流通徑的同時確保浮子在固定的空間內移動。腔體外可加裝磁致伸縮液位計、磁耦合開關等，實現液位/界面信號的遠程監測及控制。

圖1 大腔體液位計平衡筒內部結構

超大腔體磁致伸縮浮筒液位計是一種高精度、高可靠性的創新型產品，很好地解決了含顆粒或氣泡的苛刻工況下液位/界面的精確測量。由于磁致伸縮原理決定了其在測量過程中不受溫度、壓力、介電常數等因素變化的影響，具有高精度、高穩定性、免維護等優點，可解決電浮筒、差壓變送器、雷達等液位測量產品在現場應用中存在的缺陷，故廣泛應用于各種液位/界面高精度監測。

2.2 應用優勢

超大腔體磁致伸縮浮筒液位計的原理和結構決定了其具有以下優點[4]：

(1) 采用大腔體設計，防止氣化紊流或者雜質顆粒物堵塞浮子。

(2) 采用磁致伸縮波導絲，可以全過程測量監測液位變化。

(3) 磁致伸縮核心組件采用特殊合金材料構成，完全滿足高溫工況應用。

(4) 搭配磁翻板指示器，滿足現場就地顯示和信號遠傳需求，其綜合成本低且應用安全可靠。

(5) 經過超大腔體沉淀之后，被測介質相對干凈，可同時在超大腔體上增加過程接口,以安裝差壓變送器作為備用方案，確保系統的安全運行。

3 氣化黑水液位測量疑難問題的解決

3.1 液位計的選用

為確保生產安全操作，相關技術人員從測量的工藝介質、灰水的應對、安裝和維護要求等方面對市場上常用的液位測量儀表進行比較篩選。最終，選定了超大腔體磁致伸縮浮筒液位計的方案。

(1) 普通的浮筒直接與被測罐子相連接，測量筒內灰渣沉淀較多，長時間使用會導致浮子卡塞、底部連通管堵塞，無法同步顯示真實液位的變化。超大腔體增加了沖洗孔和差壓變送器安裝孔,有效解決此問題。

(2) 全過程液位測量儀表避免了傳統儀表在起停機階段無法正常工作的問題，同時磁致伸縮液位計位于浮筒的外部，其安裝和拆卸不會影響正常生產，也消除了管道內介質泄漏的風險。核心組件采用耐高溫材料，完全滿足高溫工況應用。

3.2 改造措施

斯克維思(SWISA)公司獨特的超大腔體磁致伸縮浮筒液位計可以安全穩定測量氣化黑水的介質液位。為氣化廠渣水界區的每臺旋風分離器和水洗塔增加超大腔體磁致伸縮浮筒液位計(見圖2)。

圖2 超大腔體磁致伸縮浮筒液位計結構圖

超大腔體平衡筒安裝在現有雙法蘭的取壓口上，并配有沖洗孔，可以解決根部閥堵塞問題。超大腔體磁致伸縮浮筒液位計安裝在超大腔體一側，其內部有兩根縱向浮子定位導向桿，在增大流通徑的同時確保了浮子在相對固定的空間內移動，避免出現浮子卡塞、竄動等問題。浮子采用鈦合金或哈C-276材質，可防止灰水腐蝕，同時負壓也不會損傷浮子。磁致伸縮液位計位于浮筒外部，不與介質接觸，幾乎沒有損傷。

因為高壓區設備都是雙液位，可同時增加一套差壓液位計。兩套液位計采用不同的測量原理來測同一個點，可在任何工況下確保安全，同時也有利于比較和分析數據。

3.3 應用效果

氣化廠收集并分析了水洗塔(LT-1301B/C)和旋風液位計(LT1205A/B/C)的數據(見表1)。

表1 液位計顯示數據

氣化B爐大腔體液位計(LT-1301B3)于2019年12月21日正式投用，使用情況良好，開車過程及裝置運行時液位無波動顯示平穩。

(1) 氣化爐投用時,LT-1301B3液位顯示比較穩定，并與現場翻板偏差在5%之內，沒有較大的波動；由于工況壓力的變化會引起雙法蘭液位數據變化大，有時液位會失真(偏差30%以上，偶爾出現最大值)，直至工況穩定后，雙法蘭液位計液位顯示才逐步恢復正常(與翻板一致)。

(2) 氣化爐運行時,原雙法蘭液位計顯示的液位同步上升，偏差基本在2%以內(均與現場翻板保持一致)。

3.4 使用后拆件情況

2020年2月,檢修氣化爐，對磁致伸縮液位計進行拆檢，檢查液位計超大腔體浮筒、浮子的使用情況。結果顯示：浮子沒有出現變形、結垢現象，使用情況良好；大腔體浮筒沒有出現大量煤渣、結垢現象；測量筒沒有出現大量煤渣、結垢現象。

4 結語

通過使用超大腔體磁致伸縮浮筒液位計，避免了氣化抽真空操作對儀表的損壞，同時開停車時系統壓力的變化也不會對測量液位造成影響。在超大腔體浮筒外綁磁翻板指示器，解決氣化現場翻板無法使用的問題。磁致伸縮液位計只有浮子接觸介質，使用壽命延長，同時避免液位顯示錯誤導致系統帶水。