赵海

(新疆中泰化学(集团)股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830009)

新疆中泰化学(集团)股份有限公司阜康能源有限公司(以下简称“阜康能源”)离子膜法烧碱生产能力为60万t/a，配套4套蒸发装置，单线生产能力为15万t/a，蒸发装置均采用三效逆流蒸发工艺。该工艺采用降膜蒸发原理，具有传热系数大、热利用率高、蒸发强度大、容易操作等优点，而蒸发效体液位波动大、调节阀故障率高等对产品质量造成的影响，已成为装置稳定运行的瓶颈。为解决以上问题，实现装置的安、稳、长、满、优运行，阜康能源将变频技术引入DCS中控制效体的液位，取得了良好的效果。

1 工艺简介

1.1 降膜蒸发原理

降膜蒸发器在设计上如同一管束式降膜换热器，它可根据不同规模，配用不同规格的加热管及其数量。料液由加热管的顶部经液体分配器均匀进入，利用本身重力作用在加热管内成膜状流动，并与管外载热体进行对流换热。料液中的水分被蒸发，产生的二次蒸汽与浓缩后的物料一起向下流动，在底部流入汽液分离器。浓缩液经分离器底部排出，二次蒸汽将作为下一效的加热源或被冷凝后排出界区。

1.2 工艺流程

电解工序约85 ℃、32%(质量分数，下同)原料碱液一次性通过Ⅰ效降膜蒸发器后，质量分数升高到36%。它由Ⅱ效降膜蒸发器产生的二次蒸汽进行加热，冷凝水回至冷凝水回收罐。36%碱液由出料泵送至Ⅱ效降膜蒸发器，它由Ⅲ效蒸发器产生的二次蒸汽加热浓缩至41%，然后由出料泵输送至Ⅲ效蒸发器，壳程的冷凝水回至冷凝水回收罐。进入Ⅲ效蒸发器的41%碱液经与生蒸汽换热后质量分数提升至48%，然后送至制片工序。蒸发工艺流程如图1所示。

图1 烧碱蒸发工艺流程示意图

2 蒸发器液位控制系统

2.1 控制系统

蒸发系统每效蒸发器的液位均采用进料控制的形式，效体液位计采用雷达式液位计，调节阀均为气动式自动调节阀。

2.2 运行中存在的问题

2.2.1 效体液位波动大

效体液位在蒸发装置生产中是很重要的指标，其波动对装置的稳定运行影响很大。按照工艺控制要求效体液位控制值为(50±5)%。表1为2016年4月1日白班蒸发系统液位统计表，可以看出：效体液位波动范围较大，超标频繁。

表1 蒸发器液位统计表

2.2.2 调节阀故障率高

由于烧碱腐蚀性强，调节阀所处工作环境温度高、压力高，加之频繁动作，即使采用了内衬聚四氟乙烯阀门和镍材质的耐腐阀门，还是频繁出现泄漏或阀芯脱落等故障。2016年1—8月调节阀故障统计如下：Ⅱ效和Ⅲ效液位调节阀故障共计15次(其中泄漏11次、卡阻4次)，造成装置单线非计划停车5次。

2.2.3 48%碱的浓度波动大

48%碱作为蒸发装置的最终产品，按照生产要求，一部分作为液体产品经冷却后输送至成品罐区(有销售需求时)，一部分供浓缩单元进行片碱生产。浓度波动大对产品质量有一定的影响，而且影响浓缩装置的稳定运行，甚至会增加浓缩装置的片碱产品单耗[1]。偏差统计如表2所示。

表2 48%碱浓度与偏差统计

3 变频器在蒸发器液位控制中的应用尝试

3.1 改造思路

由离心泵的基本方程可知，当泵的转速发生变化时，泵的流量、压头随之发生变化 。根据离心泵的比例定律，在转速变化不大于±20%的条件下，其流量与转速成正比，即:

Q1/Q2=n1/n2。

式中：Q1为转速在n1时泵的流量；Q2为转速在n2时泵的流量。

根据上式，离心泵流量与转速的线性关系可以实现变频器对碱流量的控制，进而控制蒸发器的液位。

离心泵的转速与泵的轴功率可以近似表达为：P1/P2=(n1/n2)3。

式中：P1为转速在n1时泵的功率；P2为转速在n2时泵的功率。

根据以上关系式，加装变频器后泵的运行功率将会降低[2]。

3.2 改造方案

考虑到Ⅰ效蒸发器进料泵为两条生产线同时供料，故只对Ⅰ效出料泵和Ⅱ效出料泵进行改造。将Ⅰ效出料泵与Ⅱ效出料泵电动机更换为变频电动机，同时增加变频器，并将变频信号引至DCS，使变频器替代调节阀实现对效体液位的控制。

4 改造后效果分析

4.1 装置平稳率对比

4.1.1 液位波动幅度对比

改造后蒸发装置Ⅰ效蒸发器液位波动范围自±9.2%下降至±1.3%，Ⅱ效蒸发器液位波动范围自±10.0%下降至±1.1%， Ⅲ效蒸发器液位波动范围自±12.5%下降至±0.9%。改造后蒸发效体液位统计如表3所示。

表3 改造后蒸发器液位统计表Table 3 Statistics of liquid level of evaporator after improvement %

4.1.2 产品48%碱浓度的对比

与改造前相比，产品48%碱浓度偏差降低(如表4所示)。

4.2 能耗对比

对蒸发装置48%碱动力电单耗进行了与前一年同期的对比，对比数据见表5，48%碱动力电单耗平均下降了24.6%。

表4 改造后48%碱浓度与偏差统计

表5 改造前后5个月48%碱月动力电单耗对比表

4.3 经济效益

以单套15万t/a蒸发装置计算，按变频器使用寿命10年、调节阀使用寿命3年进行计算。变频器价格为1.2万元/台，4台共计4.8万元；Ⅱ效、Ⅲ效蒸发器液位调节阀2台，价格为12万元/台，共计24万元。则变频器成本为4.8/10=0.48万(元/a)，气动阀成本24/3=8万(元/a)，则变频器替代气动阀节约成本7.52万元/a。

4.4 安全效益

调节阀的检修存在碱灼伤的安全风险，由变频器替代调节阀，消除了因阀门泄漏检修而带来的安全隐患，装置本质化安全得到了提升。

5 结语

变频调速是变频器的一项重要功能，已被公认为是较理想、较成熟的调速方式之一。将变频调速应用在化工装置物料流量调节，进而控制液位参数是对变频调速技术新的拓展和创新。阜康能源将变频器应用到蒸发器液位控制中，提高了装置的性能，降低了运行维护成本，使装置的本质化安全得到了提升。

[1] 任晓佳. 三效逆流蒸发装置运行总结[J].氯碱工业,2016,52(9):28-30.

[2] 胡发运.变频器的应用与维护[J].电气时代,2005(8):78-78.