一種新型的吸收塔漿液密度測(cè)量方式的應(yīng)用

＊谷俊杰 賈智勇 崔瑞萍

（中鋼集團(tuán)天澄環(huán)保科技股份有限公司 湖北 430000）

石灰石-石膏法濕法煙氣脫硫因其脫硫效率高、技術(shù)相對(duì)成熟、適用于各種煤種、脫硫劑石灰石來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的利用，其中吸收塔漿液密度是能夠確保脫硫系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)[1-2]。吸收塔石膏漿液密度測(cè)量是否準(zhǔn)確，對(duì)脫水石膏品質(zhì)[2]及脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3]有較大的影響。目前大部分脫硫項(xiàng)目吸收塔漿液密度測(cè)量技術(shù)采用差壓方式和科式力密度計(jì)方式測(cè)量密度。科式力密度計(jì)因其價(jià)格昂貴，使用過程中容易將套管磨損損壞，較短時(shí)間就要更換，使其應(yīng)用受到局限[2-4]。差壓密度測(cè)量法通過測(cè)量高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的壓力差，再將差壓變送器測(cè)得的數(shù)值代入密度計(jì)算公式得到密度，其測(cè)量裝置優(yōu)點(diǎn)是采購(gòu)價(jià)格低，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)易[2]，在大量脫硫工程中受到廣泛應(yīng)用。但利用差壓法測(cè)量密度法由于吸收塔噴淋影響、吸收塔攪拌器攪拌擾動(dòng)、脫硫氧化空氣噴入、塔內(nèi)漿液水流影響及脫硫漿液泡沫等各種干擾因素，尤其是脫硫漿液起泡的影響，使其測(cè)量得到的數(shù)值波動(dòng)范圍大，其準(zhǔn)確性受到影響[5]。單純依靠差壓式液位計(jì)不能得到準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果,因此，本文提出了一種新型基于信息融合的吸收塔漿液密度測(cè)量方式，方案通過設(shè)置3臺(tái)壓力變送器，測(cè)量不同分段的漿液液柱差壓的測(cè)量代替直接測(cè)量某一處漿液密度的方法，并分段測(cè)得密度的變化情況，對(duì)測(cè)量的結(jié)果采取多傳感器信息融合技術(shù)，獲得不同液位下漿液密度插值計(jì)算值；該測(cè)量方案既可節(jié)約成本，密度測(cè)量結(jié)果也更準(zhǔn)確。

1.差壓法漿液密度測(cè)量的工作原理及誤差分析

差壓法密度測(cè)量法的原理，是通過測(cè)取液體內(nèi)部靜壓力，根據(jù)靜力學(xué)公式來間接測(cè)量漿液密度。

式中，ρ為漿液密度；ΔP為高壓側(cè)壓力取樣點(diǎn)和低壓側(cè)壓力取樣點(diǎn)之間的靜差壓；g為重力加速度；H為兩個(gè)取壓點(diǎn)之間的高度差。兩個(gè)取壓點(diǎn)分別為變送器的高壓側(cè)和低壓側(cè)，H為兩者之間的間距，為固定值。通過測(cè)取高壓側(cè)和低壓側(cè)兩點(diǎn)間的靜壓力差，利用公式ρ=ΔP/(gH)即可計(jì)算出漿液的密度。

實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行過程中，在使用該測(cè)量方式用于吸收塔內(nèi)石膏漿液密度測(cè)量時(shí)，通過比較儀表的測(cè)量結(jié)果與手工取樣漿液帶回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，結(jié)果顯示兩者數(shù)值差距較大，主要表現(xiàn)在利用差壓測(cè)得的密度值比實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的密度值偏大，約50～100kg/m3。經(jīng)過研究分析，這是由于吸收塔運(yùn)行一段時(shí)間后，吸收塔漿液上層會(huì)產(chǎn)生很厚的泡沫，而差壓法測(cè)量的是底部某段的漿液密度，底部的漿液密度遠(yuǎn)不能反映漿液實(shí)際狀態(tài)；實(shí)際情況是底部漿液密度偏大，上部漿液密度偏小，用底部的漿液密度去修正計(jì)算吸收塔液位必然導(dǎo)致液位測(cè)量不準(zhǔn)。

傳統(tǒng)差壓法測(cè)量漿液密度存在以下不足：（1）傳統(tǒng)差壓法只能代表吸收塔中部分區(qū)間內(nèi)之間的漿液密度，代表性差。（2）測(cè)量位置容易受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備干擾，壓力變送器安裝與吸收塔攪拌器較近，容易受到吸收塔攪拌器的干擾，測(cè)量的準(zhǔn)確度會(huì)受到影響（3）測(cè)量誤差大，所測(cè)得的漿液密度數(shù)值比吸收塔內(nèi)平均密度偏高。

在濕法煙氣脫硫項(xiàng)目中，吸收塔漿液密度直接影響到脫硫系統(tǒng)的脫硫效率、吸收劑的消耗量、石膏品質(zhì)乃至脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)差壓法測(cè)量漿液密度存在大量不足，為了提升吸收塔密度測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此考慮對(duì)現(xiàn)有差壓密度測(cè)量裝置進(jìn)行改進(jìn)。

2.差壓密度測(cè)量裝置的改進(jìn)研究

傳統(tǒng)差壓法密度測(cè)量存在上述一些問題，這表明單純依靠差壓式液位計(jì)并不能得到準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果。改進(jìn)的測(cè)量方案采取固定段漿液液柱差壓的測(cè)量代替直接測(cè)量某一處漿液密度的方法，并分段測(cè)得密度的變化情況。具體的儀表安裝及測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 新型密度測(cè)量?jī)x表布置示意圖

以某項(xiàng)目為例，在吸收塔標(biāo)高0.8m處、標(biāo)高5.5m處、9.0m處各設(shè)置一臺(tái)壓力變送器，其中標(biāo)高5.5m附近為氧化空氣入口。通過設(shè)置三臺(tái)壓力變送器并分別裝在0.8m、5.5m、9.0m不同的高度，可得到三處不同高度的壓力數(shù)值，任一儀表的故障，不會(huì)造成漿液密度無法測(cè)量的情況，提高了測(cè)量裝置的可靠性，同時(shí)該裝置也能實(shí)現(xiàn)儀表故障診斷的功能。

用液位計(jì)1和液位計(jì)2之間差壓測(cè)量H2段的漿液密度；用液位計(jì)2和液位計(jì)3之間差壓測(cè)量H3段（氧化空氣入口之上）的漿液密度；假定H1段的漿液平均密度為ρ1，ρ1值對(duì)最終漿液密度測(cè)量結(jié)果沒有影響；H2段的漿液平均密度為ρ2，則：

其中P1、P2分別液位計(jì)1、2測(cè)得的壓力值；H3段（含氣泡較多）的漿液平均密度為ρ3，則：

其中P2、P3分別液位計(jì)2、3測(cè)得的壓力值；整個(gè)H2+H3段的漿液平均密度為ρ平均，則：

其中P1、P3分別液位計(jì)1、3測(cè)得的壓力值；根據(jù)儀表安裝位置，可將ρ2、ρ平均、ρ3，分別作為標(biāo)高3.15m（H2段中央）、4.9m（H2+H3段中央）、及7.25m（H3段中央）處的代表密度，則整個(gè)吸收塔分段區(qū)域的密度值可采用插值擬合算法求得，以分段折線為例：

當(dāng)H≤4.9m時(shí)

液位計(jì)1處常用作吸收塔液位測(cè)量用變送器，常規(guī)吸收塔液位設(shè)置三個(gè)，此處的測(cè)量信號(hào)為三取二，其信號(hào)十分可靠；當(dāng)液位計(jì)2或3中有一路信號(hào)故障時(shí)可用ρ2，ρ平均，ρ3三個(gè)計(jì)算密度值的差異判斷哪一路變送器故障，以便及時(shí)處理。通過此方式實(shí)現(xiàn)儀表故障診斷功能。

本次差壓密度測(cè)量方式的改進(jìn)采用了3臺(tái)壓力變送器，使用多傳感器信息融合技術(shù)。采用信息融合技術(shù)可增加測(cè)量結(jié)果的可信度，提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性[7]。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

某項(xiàng)目常規(guī)差壓密度測(cè)量方式改進(jìn)為基于信息融合技術(shù)差壓密度測(cè)量后，將3組人工取樣密度測(cè)量結(jié)果取平均與DCS上所顯示的密度進(jìn)行對(duì)比，以比較基于信息融合的吸收塔漿液密度測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，所得結(jié)果見表1。

表1 改進(jìn)的差壓密度測(cè)量方式與手工取樣對(duì)比結(jié)果

從表1的對(duì)比結(jié)果可以看出，改進(jìn)后基于信息融合的吸收塔漿液密度測(cè)量裝置所得的DCS監(jiān)測(cè)值與手工取樣均值相對(duì)誤差最大為1.56%，由此表明改進(jìn)后的基于信息融合的吸收塔漿液密度測(cè)量裝置測(cè)量準(zhǔn)確度大大提高。

4.不足及改進(jìn)措施

（1）存在的現(xiàn)象及問題。①吸收塔上部由于鼓入有氧化風(fēng)，而且存在漿液起泡的現(xiàn)象，吸收塔5.5m處及9.0m處壓力變送器測(cè)得的壓力值并不能準(zhǔn)確反映出漿液由于自身重力作用而產(chǎn)生的壓力，這兩處壓力測(cè)量值通過公式計(jì)算出的密度變化趨勢(shì)與鼓入氧化風(fēng)的壓力趨勢(shì)一致，由此說明氧化風(fēng)對(duì)漿液密度存在一定的影響。②吸收塔上3個(gè)測(cè)量密度的壓力變送器分別安裝在0.8m、5.5m和9m高度，測(cè)量的是3處高度的壓力值。實(shí)際需要不同高度之間的壓力差，需要用這3個(gè)壓力再去做減法。如果用兩個(gè)變送器的壓力值去相減，兩個(gè)變送器都會(huì)有誤差，其壓力值相減后的誤差更大，變送器測(cè)量誤差對(duì)密度的測(cè)量影響比較大。

（2）下一步改造方案。基于采用壓力變送器測(cè)量誤差較大的問題，下一步考慮將壓力變送器改為差壓變送器進(jìn)行測(cè)量。利用差壓變送器測(cè)量直接得出不同液位之間的壓力差，減少測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差，如此密度測(cè)量會(huì)更加準(zhǔn)確。

5.經(jīng)濟(jì)性分析

目前濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中常用的測(cè)量漿液密度的方法是差壓法和科式力密度計(jì)法。科式力密度計(jì)法是在有工藝管道上設(shè)置科式力密度計(jì)，通過管內(nèi)流體的共振頻率獲得密度的一種方法。下面針對(duì)基于信息融合的吸收塔漿液密度測(cè)量、普通差壓法測(cè)量密度和科式力密度計(jì)法測(cè)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析（詳見表2）。

表2 改進(jìn)后差壓法、差壓法和科式力密度計(jì)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從表2的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果可以看出，雖然基于信息融合技術(shù)差壓測(cè)量密度比傳統(tǒng)差壓法價(jià)格稍貴，但其具有測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確和安全穩(wěn)定運(yùn)行的突出優(yōu)勢(shì)，是吸收塔漿液測(cè)密度一種較好的方法。

6.結(jié)論

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝作為目前應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硫技術(shù)，仍存在一些影響其連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題，吸收塔漿液密度測(cè)量不準(zhǔn)就是其中之一。應(yīng)用基于信息融合技術(shù)差壓測(cè)量密度測(cè)量結(jié)果精確度較高，同時(shí)增加測(cè)量結(jié)果的可信度，提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。該測(cè)量方式可以有效避免部分密度測(cè)量誤差，大大提高了吸收塔漿液密度測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，進(jìn)而保證濕法脫硫系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。