尿素蒸发系统负压测量的优化设计与应用

赵权

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 154100）

中海石油华鹤煤化有限公司（简称华鹤公司）年产52 万t 尿素项目地处东北极寒地区，极端温度-40℃。我公司采用Stamicarbon CO2汽提技术生产大颗粒尿素，尿素装置蒸发系统是尿素溶液浓度提纯的过程，一段蒸发系统将尿素溶液浓度由70%蒸发提纯至94.4%，二段蒸发系统将尿素溶液浓度由94.4%蒸发提纯至96.9%。在整个提纯运行过程中，一段和二段蒸发的负压对提纯工艺流程影响非常大，负压过低时，尿液浓度不合格，尿素蒸发系统蒸汽消耗量增大，造粒机中结块较多，影响造粒工段的长周期稳定运行；负压过高时，尿液在蒸发系统中的停留时间增加，尿液中副产物缩二脲含量增高，影响造粒机喷头喷淋状态，造粒机易发生多孔板堵塞。而负压是通过取样管路至压力变送器测量的，而高浓度的尿素溶液极易结晶，堵塞取样管路，使得压力变送器无法正常监测蒸发系统的负压，这对系统的安全、稳定运行影响非常大，这是整个尿素生产行业系统中普遍存在的“瓶颈”问题。仪表取压管路经常性的疏通处理，不仅增加维护人员工作量、蒸汽的消耗量，而且影响蒸发系统的稳定运行、尿素产品的质量及装置的长周期运行。华鹤公司经过多次对取压管路及测量系统进行改造，实现了仪表测量的连续性、稳定性。

1 蒸发系统内熔融尿素的工艺特点

二段蒸发分离器设备内部温度为132℃，系统压力0.018MPa（a)，主要为熔融尿素，还含有缩二脲、氨，水、甲醛等。如表1 所示。

表1 蒸发加热器数据表二段蒸发分离器各物料组分

蒸发分离器为负压环境，工艺组分复杂，尿素溶液提纯操作时，负压值对工况影响较大，而尿素溶液本质属于极易结晶物料，尤其在冬季极寒天气情况下，更易结晶。仪表在正常投用时，因测量介质易结晶特性，频繁性导致取压管路堵塞、增加仪表维护量。

2 测量原理及存在的问题

测量蒸发系统压力的变送器采用西门子SITRANS P-DS Ⅲ系列仪表。该仪表传感器为压阻式传感器，即通过取样管路引压，将测量的介质压力直接作用于压力变送器敏感膜片上，分布于敏感膜片上的电阻组成的惠斯通电桥，利用压阻效应实现了压力量向电信号的转换，通过电子线路将敏感元件产生的然后将压力信号转变4～20mADC 信号输出。但由于尿素溶液的结晶，导致取压管路堵塞，无法正常测量，尿素溶液结晶后需要使用蒸汽、蒸汽冷凝液等高温介质进行吹扫，需要人工从蒸汽分配盘接入蒸汽后进行手动吹扫，每天基本需要吹扫，重复性工作不仅浪费人工劳动力、浪费蒸汽消耗量，而且还对系统的稳定运行造成影响。

3 优化措施

3.1 改进测量系统取压管路及伴热

从测量系统所处负压环境进行分析，理论上蒸发分离器设备系统从取压管路内“抽气”。同时，熔融尿素在设备内132℃状态下为液态，根据液体具有的流动性能进行分析，熔融尿素应在重力作用及“抽气效应”条件下，返回至设备，不会造成取压管路堵塞，根据以上理论，对取样根部进行改进，改进如图1、图2 所示。

图1 负压测量系统测量管路优化前后对比图（优化前）

图2 负压测量系统测量管路优化前后对比图（优化后）

利用蒸汽夹套伴热管具有迅速调节温度、伴热均匀、伴热效率高等优势，对取压管路增加蒸汽夹套管伴热，根据对前期取压管结晶堵塞位置进行系统性分析，确定取压管路堵塞的位置，选择夹套管的合适长度，保证取压管路温度与蒸发分离器内温度相当，始终保持取压管内残留的尿素为液相状态。其次，对取压管路设备优化，调整取压管路与蒸发分离器设备之间夹角，使取压管路内部保持较好的向下流通状态，在负压抽气与重力双重作用下，降低熔融尿素在取压管路内结晶可能性，提高熔融尿素在负压环境下的回流效果。

3.2 改进取压管路吹扫方式

针对取压管路堵塞时的疏通方式，利用目前普遍使用的工业控制系统，进行远程定时或负压测量值报警吹扫，减少人力手动疏通，对管路进行智能化改进，具体设计、施工、应用如图3 所示。

图3 负压系统吹扫管路

改造前测量流程：打开蒸发分离器根部手动截止阀（序号2），介质通过取样管路进入压力变送器内进行测量，但实际应用时，取样管路由于尿素溶液的结晶造成经常性堵塞，需要频繁地进行手动吹扫。

改造后测量流程：手动截止阀序号1 ～3 一直处于常开状态，通过控制电磁阀对取样管路进行吹扫。当测量管路结晶堵塞时，打开电磁阀（序号4）、关闭电磁阀（序号5），对结晶的管路进行吹扫，同时对压力变送器进行防护，防止高温高压介质进入压力变送器内，损坏仪表。当吹扫完毕时，关闭电磁阀（序号4）、打开电磁阀（序号5），开始对取样管路进行负压测量。电磁阀的控制过程是通过接线至DCS 机柜里的DO 卡件上，在DCS 系统中对电磁阀进行编程、组态及调试，在DCS 操作画面上就可以对电磁阀的开关进行控制，实现远程操作，可对测量管路进行预防性吹扫，避免取样管路结晶，使得压力变送器一直能够正常测量蒸发系统的负压，保证系统的安全、稳定运行。

负压预防测量管路结晶的自动吹扫系统设计与应用是实现自动吹扫的过程，进行预防性吹扫维护，取代原手动人工吹扫。具体设计应用是在原取压管路的基础上，增加一路蒸汽冷凝液吹扫管路，在冷凝液管路根部增加1 台手动截止阀1（序号1）、1 台电磁阀1（序号4），在压力变送器取样管路增加一台手动截止阀2（序号2）、1 台手动截止阀3（序号3）、1 台电磁阀2（序号5）。

3.3 改进系统自动吹扫逻辑

根据蒸发分离器负压测量系统结晶堵塞时的动态变化，以及负压变化的过程时间，对系统进行逻辑吹扫控制优化，控制结构图如图4 所示。

图4 系统自动吹扫结构图

利用DCS 控制系统的过程控制逻辑功能，利用相关软件功能块、硬件设备，通过组态编程，实现系统自动控制。蒸发分离器取压管路结晶堵塞后，测量系统压力降至-70KPa（-60KPa 是工艺允许的极限数值，进行自动吹扫时，将设定值控制极限值至上），同时，设计一个可赋值吹扫定时器，可以控制吹扫时间，二者相结合经过控制系统逻辑判断、输出信号去控制电磁阀1、电磁阀2 的开关状态，进行管路自动吹扫，待系统压力恢复正常状态后后，停止吹扫，恢复正常测量状态。

4 优化效果

（1）自动定时吹扫，避免蒸发系统波动；保证尿素装置的长周期运行，提高经济效益；（2）减少维护工作量，节省人员劳动力，节约劳动成本；（3）降低系统中蒸汽的消耗量，达到降本增效；（4）解决同行业“瓶颈”问题，具有推广使用价值。

改造前，当蒸发系统负压异常时，作业人员现场处理，对取压管路进行手动吹扫，已经影响了蒸发系统的正常运行。有时需通过减负荷调整蒸发系统运行，情况严重时，影响尿素产品质量及后系统设备的安全运行。现阶段实现自动吹扫，每间隔一定时间，可启动一次自动吹扫，每次吹扫2min，预防取压管路的结晶，可以实时监测蒸发系统的负压，保证了蒸发系统的长周期运行，避免非必要的减负荷及停车，减少了维护工作量，降低了工作人员劳动强度。

5 结语

通过与同行业沟通交流，尿素装置蒸发系统取压管路结晶现象是行业内部“瓶颈”问题，基本都是依靠人工手动进行吹扫，没有更好的解决方式。现阶段，可以将该项技术进行推广应用，解决行业“瓶颈”问题，提高生产的安全性与稳定性。该技术打破尿素行业蒸发系统取压管路经常性结晶领域难题，根据目前现场应用情况，该技术安全、稳定、可靠，使用范围广。可广泛应用电力行业、石化工业、煤化工行业及市政行业中某些需要经常性手动吹扫的管路系统中，完全可以实现自动吹扫功能。