【工程案例】脫硫塔液位測量中壓力變送器的選型案例

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一、背景了解

脫硫塔是一種對工業廢氣進行脫硫處理的塔式設備，本次的現場所使用的脫硫系統采用石灰石-石膏濕法脫硫技術，這也是國內大多數煙氣脫硫系統會采用的技術，而其中的吸收塔是完成“煙氣脫硫”這一重要環節的主要設備，對吸收塔液位進行測量和監控就是我們本次項目的目標。

實現這一目標的過程存在兩個難點。

其一是吸收塔液位參數是否穩定和真實準確對整個脫硫系統都有著直觀重要的意義，因為在整個脫硫系統中存在著的諸如循環泵、氧化風機、攪拌器等大量關鍵設備，其實都與脫硫塔中的液位參數有聯鎖保護機制，一旦液位測量出現誤報，整個設備便會因為聯鎖保護而進入停車狀態，這無疑會極大影響生產效率，和造成大量的成本浪費。

其二是由于吸收塔本身結構上的特殊性（如下圖一），使得現場安裝液位計的選擇受到了限制，無法使用當前主流的液位計進行直接測量。

綜合多種因素考慮，最后決定采用壓力變送器對吸收塔的液位進行測量，壓力變送器測液位的原理可見：法蘭液位計的原理。

二、項目概述

石灰石-石膏法脫硫系統的主要設備是吸收塔，如上圖圖一所示，一般常規容器的液位測量可采用在容器頂部安裝超聲波液位計、雷達液位計或浮子液位計等，但由于吸收塔頂部存在其它結構阻礙了這些儀表的測量，僅能從側壁或外部安裝的液位測量設備中選擇，最后選擇了精度和穩定性能都更可靠的壓力變送器。經過公式H=（ΔP/ρg）+h的計算可將壓差值轉化成液位高度值。

三、問題分析

由于壓力變送器是接觸類的液位測量儀表，在化工應用中應著重關注其接觸介質的情況，在脫硫吸收塔中的介質比較復雜，并且根據其分布在不同的區域也會有不同的介質組成。

在漿液氧化區內主要是硫酸鈣漿液，亞硫酸漿料和氧化空氣，吸收區是帶正壓的煙氣和漿料混合物。主要接觸介質為石灰石-石膏漿料，它存在三點特殊性：其一漿料中含有20%上下的固體物料，并且在脫硫過程中攪拌器會持續開啟，導致漿料不停流動且上下層密度不均勻。其二是介質中的亞硝酸鈣具有很強的黏性，這會導致接觸型測量儀表其接觸部分逐漸被黏性介質附著，從而導致儀表測量數據失真。其三是漿料介質里含有大量的氧化氣體，這是由于在距塔底部約3m高的位置會有管網釋放氧化氣體，氣泡上升過程中隨著漿液壓強的減小氣泡會逐漸膨脹，這會進一步導致吸收塔內漿料的上下密度不均勻問題。

根據之前第二節所提到的內容，在壓力與液位的轉化過程中存在介質密度這一參數，而現場的介質密度不穩定會造成液位測量值的失真，同時還有介質黏附、固體磨損和攪拌等問題亟待解決。若僅在吸收塔側壁上安裝壓力變送器，是無法測量到比較準確的液位數據的。

四、解決方案

脫硫是化工過程中重要的環節，全國范圍內也已有大量的案例可供參考，對實際現場調研后發現為了比較準確測量吸收塔液位，一般現場都會選擇壓力變送器測量吸收塔底部壓力，并對塔底漿料密度進行實時測量，并且由于該液位參數的重要性，儀表數量按工藝要求均為冗余配置。

儀表回路如下圖二所示，下面對設備配置進行簡單介紹。

（1）儀表選用壓力變送器和質量流量計，此套配置的運行機制是先由質量流量計測量出當前介質的實時密度，然后通過壓力變送器測出介質壓力，將實時密度和實時壓力同時代入計算程序，獲得當前液位數據。

（2）密度測量回路除質量流量計外，還需要安裝收取泵，各類閥門、壓力表等部件，除流量計外兩路冗余。密度測量回路的流速應觀察泵出口壓力表指示調整，過高的流速會加重質量流量計的磨損情況，流速過低則會導致流量計無法正常測量。

（3）壓力測量回路中，采用隔膜壓力變送器，取壓管口應與側壁保持60℃上揚夾角，避免漿料沉積造成管口堵塞，此外由于壓力變送器并不十分適應此類型的工況環境，需要更加頻繁的進行維護，對壓力測量回路布置了三冗余配置。

五、其它方案

除了最終實施的質量流量計和壓力變送器測量液位的方法，還有兩種備選的方案。

一種是采用音叉密度計和壓力變送器測量液位，另一種是差壓變送器測密度和壓力變送器測量液位。其結構上依然是一路測量密度一路測量壓力，區別在于密度測量回路的儀表選擇。

（1）選用音叉密度計的優勢是這種儀表的結構簡單，相較密度流量計測量方式減少了設備的故障率，也響應減少了維護工作量。缺點是由于音叉密度計探頭是插入到吸收塔內的，不同于質量流量計可在外部安裝檢修回路，若音叉密度計需要維護檢修時，必須將脫硫系統停車并將吸收塔內介質排空來對音叉密度計進行拆檢，不過也有相應的解決辦法，可對該部分進行冗余配置，利用在線可插拔球閥組件進行儀表連接，不過成本會大幅上升。

（2）選用差壓變送器測量漿料的密度，由于需要采用隔膜式安裝接觸介質，故實際選用雙法蘭壓力變送器，取壓點選擇在側壁的合適位置，高度差控制在3~5m即可。脫硫系統正常運行時漿料的密度大約會在1120kg/m3上下，因此當吸收塔的介質從工藝水逐漸轉化為石灰石-石膏漿料時，差壓變送器的數據會從29.4kPa上升至32.9kPa（3m高度差），變化范圍極小，約等于3.5kPa，因此在此處的雙法蘭壓力變送器需要選擇感壓更靈敏的微差壓變送器。壓力變送器的技術相對成熟，此套方案成本也在合理范圍，維護工作相對較少，僅需對儀表膜片和管理定期進行沖洗。但對取壓口的改造比較麻煩，如果時項目設計階段可以考慮使用該種方案。

（3）實施方案中的質量流量計精度高、穩定性好、數據可重復性優秀。依據此方式得到的密度值可靠度更高，提高了整套液位測量裝置的綜合精度，這種方式也曾在脫硫技術引入國內時大量使用，而且缺點是裝置復雜，結構中有大量閥門，還有泵裝置，維護工作量較大。

經過多方面權衡，現場最終選擇了經典的質量流量計測密度的方式，因為現場人力足以支持這樣的維護量，同時還可以獲得相對準確可靠的液位數據。