刘思友

（云天化国际云峰分公司仪修厂，云南 宣威 655426）

100kt/a合成氨装置高压液位控制的优化

刘思友

（云天化国际云峰分公司仪修厂，云南 宣威 655426）

针对100kta/a合成氨装置冷凝塔、氨分离器高压液位测量、控制的难题，提出了高压液位测量、自动控制的改进方法，取得了明显的经济效益和环保效益。

高压液位；测量控制；改进

云天化国际云峰分公司年产100kt/a合成氨装置，是1972年建成投产的老装置，公司现用两套合成氨系统，分别为φ800和φ1 000氨合成系统，操作压力均为≤31.3MPa。两套系统氨分离均为两级分离，一级设在水冷器后，分离温度约为45℃；一级设在氨蒸发器（氨冷器）后，分离温度约为0℃。分离后的液氨排入液氨贮槽，操作压力为≤1.6MPa。两级液氨分离液位设计有手动调节回路和自动调节回路。自动调节回路采用DCS控制，带紧急切断功能，可以实现一键紧急停车。

冷凝塔、氨分离器属于高压设备，工作压力为≤31.3MPa。分离的液氨排入液氨贮槽，液氨贮槽属低压设备，工作压力为≤1.6MPa。液氨属于危险化学品。如这两处液位调节控制不能正常使用，可能使高压部分气体大量窜入低压部分导致超压，造成爆炸和氨泄漏。若液位过高时，液氨带入氨合成塔，一是液氨气化吸收大量热量；二是造成进入催化剂气体氨浓度急剧增高，抑制氨合成反应，导致催化剂床层温度急剧下降，低于催化剂反应活化温度，将无法维持生产，造成工艺事故；同时液氨带入循环气压缩机，轻则损坏密封填料，重则因液击损坏气阀，更严重可能因液击造成设备爆炸，导致氨、氢氮气泄漏，形成化学爆炸危害更大。液位过低时，部分氢氮气随液氨排入液氨贮槽，造成原料气损失，增加原料气消耗，增加合成氨成本。

一、工况简介

1.φ1 000系统工况

压缩七段送来合格的N2、H2混合新鲜气体与循环机出口的气体在滤油器混合，分离油水后，进冷凝塔上部冷交的管内（上进上出）换热后，进入氨蒸发器（冷凝），出氨蒸发器的气体进入冷凝塔下部分离器分离液氨后（0±5℃），进冷凝塔上部管间，与管内气体换热后出冷凝塔（约35℃），气体分成两股：一股约30%～ 35%气体直接进入冷管束（这股气体由两部分组成，一部分是入塔气体；另一部分是出塔气体，两部分气体在塔外管道汇合进入冷管束）。

另一股是入合成塔气体中约65%～70%的气体，从合成塔上部进入，从（沿）合成塔高压外筒与内件环隙向下冷却保护高压外筒，从塔底出合成塔后，进塔外换热器（管间），与废热锅炉出口气体在塔外换热器（管内）换热，出塔外换热器后（约180℃）二次入合成塔，进入合成塔下部的换热器管间，（与管内反应气换热）气体加热到350～390℃，经中心管进入催化剂层表面。通过第一绝热层反应后，气体温度升到460～470℃，与冷管束出来的气体在菱形混合分布器内混合，温度降到400～430℃，进入第二绝热层、冷管层和下绝热层反应，430～440℃的反应气经塔下部换热器，降至310～340℃出塔。出塔气经废热锅炉进塔外热交换器管内，上进下出，（由上部）进入水冷器，水冷器出口气体（约45℃）经氨分离器分离液氨后，进入循环机，开始新的一轮循环。

2.φ800系统工况

φ800氨合成系统：合成塔出口气体进入后锅回收热量，后锅出来进入高压水冷器，水冷后进入氨分离器分离液氨后，气体再进循环机加压，进行下一次合成。由压缩来的气体→滤油器（与循环气）混合→冷凝塔上段换热→氨蒸发器→冷凝塔下段分离→分主、副线进入合成塔→后置锅炉→高压水冷器→氨分离器→循环机入口→滤油器。

为了严格对冷凝塔、氨分离器液的监控，该高压液位测量原采用差压变送器和γ射线料位计（Co-60放射源）同时测量，在使用过程中，两液位计测量示值经常大幅度的波动，不能准确判断液位的高低，给远程监控、操作造成很大困难，甚至造成跑气，减小合成氨产量；如果控制不好造成严重带液，就直接导致工艺事故。为此，取消差压变送器和放射线料位计测量仪表及

调节阀，重新选型电容式物位计及自动调节阀，实现了100kt/a合成氨装置高压液位控制优化及应用。

二、电容式物位计的工作原理、安装

UYB电容式电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的线路组成，根据输出电容与液位的关系制成的物位测量仪表。电容式物位计传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的。直接把物位变化转换成电容的变化量，达到测量物位高度的一种测量原理。如图1所示。

图1

内电极导电圆柱和测量筒形成一个同轴电容C，则：

式中：h1—液面高度；

k1h2—气体部分形成的圆柱电容；

k2h1—液体部分形成的圆柱电容；

k1、k2—与被测介质性质结构有关的常数。

由此可见，电容C与液位h1成线形关系，检测探极电容C的变化即可测量液位的高度。电路原理如图2所示。

图2

可调电容C0是为了抵消C中由气体部分所形成的电容k1h2而设置的调零电容。激励源产生一个所需要的特定激励信号来驱动差动电容检测电路，差动电容检测电路将C与C0的差值转换成一个微弱的小电流I1。调整C0= k1H则有：

因此I1是与液位高低h1成线性比例的小电流，将I1放大即可得到与液位高度h1成线性比例的4～20mA电流信号。

从电容式物位计原理可看出，测量原理相对简单，容易掌握，而且技术成熟，精度高。

在旧设备上安装电容式物位计占有较高的优势，利用原来设备上的取压口、排污口均可，在底部、上中部也可安装，并且安装简单、方便，根据设备的安装口、压力等级、液位控制高度来确定电容式物位计电极的长度，仪表选型简单，图3为复杂的冷凝塔内插式安装。

图3

三、调节阀的选型

合成氨厂冷凝塔、分离器液位调节阀改造前，采用传统的“侧进底出”式高压液位调节阀，由于调节回路为液氨介质，其温度范围在3～10℃，调节阀前、后压差范围在27～29.727MPa（表压）之间，调节阀内件结构只有一级减压方式，使用3个月左右的时间就由于高压差冲蚀造成阀芯，阀座损伤，泄漏量增加；导致合成氨冷凝塔、分离器液位控制不能实现自动调节。操作人员必须在现场用工艺阀门辅助调节，既增加操作人员的劳动强度及仪表工的维护工作量，合成氨产量还难以提升，操作时稍微疏忽就有可能造成跑气，减小合成氨产量，如果控制不好造成严重带液，就直接导致工艺事故。

为了提高自动调节质量，避免工艺事故的发生，选用美国Masoneilan（墨索尼兰）公司生产的“底进出侧”高压角式气动调节阀，该调节阀为6级减压式，型号为：78460（LLG）6STEPS，口径：1～1/2in，针对高压差冲蚀造成阀芯，阀座损伤的问题，选材为：阀体材质（Matl booy）：astma216Gr-Wcc，阀芯材质（PLUG）：410SS，阀座材质（SEAT）：630（H900）SS。

图4为调节内件结构图，阀芯结构采用多级（6级）减压结构。

图5为工艺介质（气体、液体）经过调节阀内件流向图，即红色箭头所示，采用多级减压式结构，有效的减少高压差对阀内件的冲蚀，还能降低流体流过时产生的噪声，延长了阀门的使用寿命。

四、结语

高压液位测量改用电容式物位计成本低，安装简单，使用周期3年，增加了液位检测的稳定性和可靠性，精

度比原来提高了两倍；选用原装进口多级（6级）减压调节阀（成本相对国产高，使用周期提高了6倍），有效的减少高压差对阀内件的冲刷、气蚀，使用16个月以来，没有发生由于高压差冲刷、气蚀造成阀芯，阀座损伤、泄漏量超密封垫级的现象发生，实现了合成氨冷凝塔、分离器液位自动控制的优化、应用；减少“跑气”及“带液”事故的发生，增加了合成氨产量。降低了操作人员的劳动强度；减少了检修带来的安全风险。

1.产生的环保效益

取消γ射线料位计（Co-60放射源）后，消除了放射源对现场环境及人员的辐射危害，降低了安全、环保带来的风险。

2.产生的经济效益

（1）每年减少维护费支出为1.15万元。

（2）项目实施后，平均每天增加合成氨12.3t，若仪表贡献率按50%计算，每天至少能增加合成氨产量6t，每月可增加180t合成氨，每年按11个月计，增加的合成氨产量为1 980t，按2 800元/t计（市场价），减去改选调节阀、电容式物位计等投入资金合计67万元后，每年新增效益487.4万元。

图4

图5

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2014-01-22）