氧化反应器液位测量失准分析及解决方案

梁飞

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

液位是化工生产的主要工艺参数之一。通过对设备内介质液位的准确测量，可以真实反映设备内介质的多少，为工艺装置提供正确操作的依据。通过对上、下限液位进行报警，连续地对生产过程进行监控，以确保介质保持在要求的液位，这为装置的安、稳、长、满、优运行提供了保障[1-2]。

氧化反应器是PTA装置最主要的反应设备，其液位值直接参与工艺联锁，反应器中生成的浆料必须保持在一定液位，以确保生产工艺正常，因而对反应器内浆料液位准确、实时地采集与监控显得尤为重要。

1 背景简介

某石化企业PTA装置工艺路线采用三井-阿莫柯专利技术，经多次改造后，现产量为400 kt/a。随着产能的提高，氧化反应器液位也相应提升，通过在原玻璃液面计上方新增1台玻璃液面计来扩大现场指示量程，同时将标准差压变送器负压室侧取压口上移，通过高负迁移湿式测量，用以满足扩容后对液位测量的需求。但在实际应用过程中，测量数据波动、DCS与现场液位显示值不一致等问题不断出现。因此，针对上述现象详细论述问题产生的原因及解决方案。

2 问题分析

2.1 反应器液位测量

标准差压变送器的构成及安装如图1所示。正、负侧取压管通过封液罐与变送器正、负室相连，封液为醋酸。因反应器无法重新开口，取压口须使用设备预留孔进行安装，扩容后h1高度达到23.1 m，工艺控制液位H由原来的6 m上升至7 m左右。现场玻璃液面计安装于连通罐上，连通罐与差压变送器共用取压口。

2.2 封液管线伴热

醋酸熔点16.6℃，沸点117.9℃，温度低于熔点时会冻结成冰状晶体。装置扩容前用废热蒸汽对封液管线进行伴热，温度较低，一般控制在60℃左右。扩容后，装置引入高品质蒸汽，因蒸汽温度较高，需通过简易换热设备后用于伴热，温度控制效果反而变差。

图1 液位计安装示意

2.3 温度变化对测量的影响

观察分析发现，伴热蒸汽压力的变化，季节及昼夜温差的变化对液位的测量造成很大影响。下面通过一组计算加以说明。

图1中，H是工艺控制液位，正常情况下应维持在7 m,变送器负压侧封液高度h1为23.1 m, 正压侧封液高度h2为5.3 m，根据负迁移计算方法可得，变送器正负室压差Δp应满足公式[3]：

Δp=ρ2gH-(h1-h2)ρ1g

(1)

式中：ρ1——封液醋酸密度，1.027 1 g/mL(40℃)，1.038 0 g/mL，1.049 8 g/mL[4](20℃)；ρ2——氧化反应器内介质密度，为0.95 1 g/mL；g——重力加速度，取9.8 m/s2。

关于负迁移的计算，这里不多赘述。

当H=7 m时，取此时温度为40℃，由式(1)可得：

H=[Δp+(h1-h2)ρ1g]/ρ2g

(2)

反应器液位不变，当封液醋酸温度发生变化时，ρ1也随之变化，由式(1)可知Δp也将发生变化。由于此时变送器参数没有改变，根据式(2)可知，液位计的指示值将发生相应变化，液位测量由此产生了误差。

假设在醋酸温度为40℃时对变送器进行校准，根据式(2)可得：

H=[Δp+(h1-h2)ρ1(40)g]/ρ2g

(3)

式中：ρ1(40)——40℃时醋酸密度。

此时H为实际液位值。当温度降至30℃时，变送器参数不变，但正负室压差已经由Δp变为Δp(30)：

Δp(30)=ρ2gH-(h1-h2)ρ1(30)g

(4)

结合式(3)可得温度变化后H(30)为

H(30)=[Δp(30)+(h1-h2)ρ1(40)g]/ρ2g=

[ρ2gH-(h1-h2)ρ1(30)g+

(h1-h2)ρ1(40)g]/ρ2g=

H-(ρ1(30)-ρ1(40))(h1-h2)/ρ2

(5)

由式(5)可知，当温度降低10℃时，仪表指示值H(30)比实际液位值H减少了(ρ1(30)-ρ1(40))(h1-h2)/ρ2。代入数值后就得到由于温度变化导致的液位测量误差ΔH(30)：

ΔH(30)=(ρ1(30)-ρ1(40))(h1-h2)/ρ2≈0.204(m)

此时测量值的相对误差为

ΔH(30)/H=0.204/7≈2.91%

换算成反应器内物料体积偏差V(查工艺手册得反应器横截面直径为5 300 mm)：

V=π(d/2)2ΔH(30)≈4.5(m3)

同理可以算出当温度由40℃降至20℃时所产生的误差ΔH(20)为0.425 m，相对误差为6.1%，体积偏差达到9.38 m3。由此可见，液位测量值的失准，对工艺控制的影响很大，将间接改变物料在反应器中的滞留时间，导致反应品质降低，甚至出现不合格产品或触发联锁。

在日常使用过程中，由于蒸汽压力变化导致伴热温度以及环境温度发生变化的情况非常普遍。在昼夜温差较大的季节，中午校准的仪表在夜里时常出现偏差，DCS指示与现场指示不对应，液位经常波动，无法指导工艺控制。通过上述计算，就很容易找到原因。

2.4 其他影响

1) 23.1 m的封液管线，在放大醋酸密度变化对测量准确性影响的同时，增加了测量滞后，降低了控制的及时性。

2) 伴热蒸汽温度不稳定，常出现温度偏高使封液醋酸蒸发，液位降低，导致测量值偏差等情况。

3) 醋酸的腐蚀性随温度的升高而增强，蒸汽伴热加剧了醋酸对管线的腐蚀。

4) 较长的封液管线增加了跑冒滴漏及外力损伤的可能性，增加了日常仪表维护的工作量及维护费用。

5) 管线需配套蒸汽伴热系统，达不到节能要求。

3 解决方案

为解决反应器液位测控问题，消除与改善原湿式差压测量的各种误差，通过多方比对，最终选择Rosemount3051S/ERS电子远传液位变送器进行改造。新表安装如图2所示。

图2 电子远传液位变送器安装示意

3.1 测量原理

该电子远传液位变送器使用2个以数字方式连接在一起的压力传感器取代机械毛细管。通过2个传感器中的测压元件将接收的气体、液体等压力信号进行差压计算，转变成1个标准的两线制4～20 mA HART信号传输给DCS、指示报警仪、记录仪等，进行测量、指示和过程调节。

3.2 主要部件构成

1) 主传感器。主传感器为3051S压力传感器，性能成熟可靠，使用广泛。与原标准差压变送器和玻璃管液位计共用取压口，便于测量数值间的比较。主传感器接收反应器底部压力信号，与副传感器传送过来的信号进行差压计算，转换成4～20 mA HART信号传送至DCS用于指示。

2) 副传感器。副传感器同样为3051S压力传感器，安装方式与主传感器一样，安装于反应器上方取压口。副传感器接收压力信号经计算转换后传输给主传感器用于差压计算。

3) 连接总线。用于主、副传感器间信号的传输，选用双绞线。采用CAN 通信协议，属于现场总线的范畴。CAN总线采用典型的串行总线拓扑结构，具有结构简单、成本低、通信可靠、抗干扰能力强等优点，满足了主、副传感器对数据传输质量和距离的要求[5]。

3.3 现场应用实例

现场反应器压力为1.08 MPa，物料密度为0.951 g/mL，仪表使用量程为0～81 kPa，对应液位量程0～8.5 m。因连通罐需定期用2.7 MPa醋酸进行冲洗，故选择仪表最高工作压力为3.0 MPa。因该厂首次使用该产品，为确保安全，保留原有标准差压液位计LIC1201用于比对，新表与旧表共用取压口。标准差压液位计控制原理如图3所示，当反应器内液位发生变化时，液位调节器自动输出信号，控制反应器出口阀LV-1201的阀开度来调节介质液位。

图3 标准差压液位计控制原理

图4为反应器液位趋势图，当环境温度上升时，LIC1201指示值将变大，为保证液位平稳，调节器控制LV-1201加大阀开度，反应器真实液位下降。如图4所示，电子远传液位变送器LI-1201A指示值下降6.5%，而LIC-1201指示值变化很小。其结果是直接导致物料在反应器中的滞留时间变少， 反应效果变差，而操作工所看到的液位值变化很小，未能及时将回路切至手动进行调整。

图4 反应器液位随温度变化趋势

随着电子远传液位变送器使用时间的增长，装置对该表的准确性和稳定性逐步认可，并计划用LI-1201A取代标准差压变送器参与反应器液位的自动控制。

3.4 方案优势

1) 与标准差压变送器相比，电子远传液位变送器系统在性能上有很大的改善，CAN总线的使用，取代了原来的封液管线等机械部件，缩短了响应时间，即便环境温度发生变化，也不会对测量的准确性造成影响，保证了测量稳定性。

2) 传感器在取压口的直接安装和CAN总线的使用大幅简化了设备的安装和维护，引压管线、封液管线的取消同时也消除了封液蒸发、管线堵塞、泄漏等问题发生的可能。伴热及各类支架的取消，为项目节省了费用，达到了节能的效果。

3) 电子远传液位变送器系统除了液位计算之外，还提供额外的过程优化控制信息，如来自每个压力传感器读数的实时访问和液位或体积测量的比例输出等，提高了仪表的可用性。

4) 两线制HART信号的使用及变送器带现场LED显示，方便了设备后期的调校维护，同时针对改造项目还可以利用改造前的线路，大幅减少了线路改造费用和工程量。

4 结束语

目前国内较新的PTA氧化反应器都预留有仪表安装位置，可以选择放射性物位仪表等进行液位的测量。笔者所介绍的反应器始建于20世纪70年代末，改造时可选择的仪表种类较少。电子远传液位变送器的使用，很好地解决了反应器液位测量问题。在炼油装置等一些高型容器和塔类设备、温度条件多变时的液位测量上，尤其是在老设备基础上进行改造时，该方案具有很好的推广价值。

参考文献：

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