引言

目前大多數(shù)煙氣脫硫系統(tǒng)采用的是石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)，其中吸收塔是進(jìn)行煙氣脫硫的主要設(shè)備，吸收塔液位對(duì)脫硫系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有著極其重要的作用，但由于吸收塔本體結(jié)構(gòu)的特殊性，無法使用當(dāng)前主流的液位計(jì)進(jìn)行直接測(cè)量。本文介紹目前采用的幾種測(cè)量吸收塔液位的方法，并分析各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

石灰石—石膏法脫硫系統(tǒng)的主要設(shè)備是吸收塔，如圖 1 所示，吸收塔主要由漿液氧化區(qū)、吸收區(qū)、噴淋層、除霧層、入口煙道及出口煙道組成。常規(guī)容器的液位測(cè)量可采用在容器頂部安裝超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)或浮子液位計(jì)，或在側(cè)壁安裝磁翻板液位計(jì)加以測(cè)量。對(duì)于密度受溫度影響不大的液體，若是敞口容器，可在容器底部安裝壓力變送器，經(jīng)公式 H=（P/ρg）+h 計(jì)算后得出；若是密閉容器，則需安裝差壓變送器，經(jīng)公式 H=（ΔP/ρg）+h 計(jì)算后得出，式中，H 為液位高度，P 為壓力，ΔP 為差壓，ρ為液體密度，h 為壓力變送器或差壓變送器的安裝高度。

1 問題產(chǎn)生

脫硫吸收塔內(nèi)介質(zhì)比較復(fù)雜，在漿液氧化區(qū)內(nèi)主要是硫酸鈣漿液、亞硫酸鈣漿液和氧化空氣，吸收區(qū)內(nèi)是帶正壓的煙氣和漿液的混合物。由于吸收塔漿池上方是大量的噴淋漿液和煙氣混合物，因此無法在頂部安裝超聲波液位計(jì)或雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。石灰石—石膏漿液主要有 3 點(diǎn)特殊性。

 

（1）為保證脫硫效率，漿液含固量高達(dá) 20%，即使在攪拌器的作用下讓漿液不停的流動(dòng)，漿池上、下層密度也不均勻。

（2）漿液中的亞硫酸鈣具有很強(qiáng)的黏性，若將儀表探頭伸入其中，亞硫酸鈣慢慢附著在探頭表面，從而影響儀表的正常工作，使測(cè)量數(shù)據(jù)失真。

（3）漿液中含有大量的氧化空氣，氧化空氣管網(wǎng)一般安裝在距塔底約 3 m 高的位置，氣泡上升過程中隨著漿液壓強(qiáng)的減小而逐步膨脹，進(jìn)一步導(dǎo)致吸收塔內(nèi)漿液上、下層密度的差距。由于漿液的以上特性，若僅在吸收塔側(cè)壁上安裝壓力變送器，是無法測(cè)量比較準(zhǔn)確的液位數(shù)據(jù)的。此外，浮子液位計(jì)和磁翻板液位計(jì)更無法適應(yīng)如此惡劣工況。

 

2 解決方案

為了比較準(zhǔn)確測(cè)量吸收塔液位，目前國內(nèi)的脫硫系統(tǒng)普遍采用壓力變送器測(cè)量吸收塔底部的壓力，并安裝漿液密度測(cè)量裝置，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至 DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）或 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)，然后根據(jù)公式 H=（P/ρg）+h 計(jì)算吸收塔的液位。由于密度測(cè)量方法多種多樣，但各有特點(diǎn)，且差異較大，直接影響了工程的造價(jià)、測(cè)量裝置的穩(wěn)定運(yùn)行程度以及系統(tǒng)運(yùn)行期間的的維護(hù)工作量大小。由于吸收塔液位在脫硫系統(tǒng)中是非常重要的參數(shù)，儀表數(shù)量按工藝要求均為冗余配置，以下各種測(cè)量方法中不再贅述。

（1）裝置一———質(zhì)量流量計(jì)+壓力變送器測(cè)量回路。此方法先利用質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量漿液的密度，然后通過壓力變送器測(cè)出的壓力值計(jì)算吸收塔液位。密度測(cè)量回路主要由石膏漿液抽取泵（一用一備）、閥門（抽取泵入口閥、出口閥、沖洗閥、排放閥）、質(zhì)量流量計(jì)、壓力表及管件組成，壓力測(cè)量回路主要由壓力變送器、閥門、沖洗管路組成（圖 2）。啟動(dòng)密度測(cè)量回路時(shí)，需先關(guān)閉沖洗閥、排放閥、出口閥，然后打開入口閥，待抽取泵充滿漿液后啟泵，啟泵成功后再打開出口閥，并根據(jù)泵出口壓力表的指示調(diào)節(jié)出口閥門至合適的壓力，以保證測(cè)量管內(nèi)流速滿足測(cè)量的需要，又不至于流速過高，導(dǎo)致質(zhì)量流量計(jì)磨損嚴(yán)重，縮短儀表的使用壽命。當(dāng)脫硫系統(tǒng)停運(yùn)或質(zhì)量流量計(jì)需要維護(hù)檢修時(shí)，應(yīng)先停止?jié){液抽取泵，然后關(guān)閉入口閥，打開排放閥，至測(cè)量管路內(nèi)的漿液排盡后，打開沖洗閥，用工藝水將管路沖洗干凈后即可關(guān)閉沖洗閥、排放閥和出口閥。

壓力測(cè)量?jī)x表采用一體化隔膜式壓力變送器，一次檢修閥應(yīng)盡量靠近吸收塔側(cè)壁，采樣管應(yīng)與側(cè)壁保持約 60°夾角，可減少漿液在測(cè)量管路中沉積，以防采樣管堵塞。此外，還應(yīng)在靠近壓力變送器隔膜處安裝沖洗管路，定時(shí)沖洗壓力變送器的膜片、采樣管及檢修閥門，以確保測(cè)量管路的暢通。

 

本方法測(cè)量的吸收塔液位應(yīng)由公式 H=（P/ρg）+h 計(jì)算后得出。式中，H 為液位計(jì)算值，P 為壓力，ρ 為質(zhì)量流量計(jì)測(cè)出的漿液密度，g 為重力加速度，h 為壓力變送器的安裝高度。本法中的質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確度高，精度可達(dá) 0.2%，完全滿足脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行要求；無直管段要求，安裝較為方便；可靠性高，維修率低。利用漿液抽取泵不斷抽取吸收塔中的漿液進(jìn)行測(cè)量，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

 

（2）裝置二———音叉密度計(jì)+壓力變送器測(cè)量回路。本方法在吸收塔底部側(cè)壁上分別安裝音叉密度計(jì)和壓力變送器，其中音叉密度計(jì)用以測(cè)量漿液密度，壓力變送器用以測(cè)量漿池底部壓力，如圖 3 所示。為了保證儀表測(cè)量的可靠性及穩(wěn)定性，安裝時(shí)應(yīng)將儀表與吸收塔側(cè)壁保持大約 60°夾角，同時(shí)應(yīng)安裝沖洗管路，定時(shí)沖洗采樣管及音叉密度計(jì)的傳感器。液位由公式 H=（P/ρg）+h 計(jì)算后得出。式中，H 為液位計(jì)算值，P 為壓力，ρ 為漿液密度，g 為重力加速度，h 為壓力變送器的安裝高度。

采用本方法測(cè)量時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了設(shè)備故障率，相應(yīng)也減小了維護(hù)工作量，但由于音叉密度計(jì)的探頭是插入到吸收塔內(nèi)的，無法安裝檢修閥門。若出現(xiàn)音叉密度計(jì)需要維護(hù)檢修時(shí)，必須等脫硫系統(tǒng)停運(yùn)并將吸收塔漿液排空后，才能將其拆卸送檢。因此建議將音叉密度計(jì)冗余配置，以增加本套裝置的可靠度。也可定制在線可插拔球閥組件，從而徹底杜絕檢修儀表時(shí)影響工藝系統(tǒng)運(yùn)行的情況。

（3）裝置三———差壓變送器+壓力變送器測(cè)量回路。本套裝置采用差壓變送器測(cè)量漿液的密度，利用壓力變送器測(cè)量漿池底部的壓力，然后通過公式間接計(jì)算出吸收塔液位，如圖 4 所示。差壓變送器采用隔膜式分體結(jié)構(gòu)，2 個(gè)遠(yuǎn)傳膜片安裝在吸收塔側(cè)壁合適的位置（高差一般控制在 3～5 m），膜片通過毛細(xì)管與變送器本體連接。脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)漿液的密度大約控制在 1120 kg/m3 左右，因此吸收塔漿池介質(zhì)從工藝水變?yōu)檎�常的石灰�?mdash;石膏漿液時(shí)，差壓變送器的數(shù)據(jù)相應(yīng)從 29.4 kPa 上升至 32.9 kPa（膜片高差按 3 m 設(shè)計(jì)），變化范圍非常小，大約3.5 kPa，若儀表量程為 50 kPa，變化范圍僅占儀表量程的7%，因此應(yīng)選擇高精度的微差壓變送器。

 

密度計(jì)算方法：ρ=ΔP/（gΔH）計(jì)算后得出。式中，ρ 為漿液密度計(jì)算值，ΔP 為差壓，g 為重力加速度，ΔH 為差壓變送器 2 個(gè)膜片的高度差。

液位計(jì)算方法：H=（P/ρg）+h 計(jì)算后得出。式中，H 為液位計(jì)算值，P 為壓力，ρ 為密度計(jì)算公式中的漿液密度計(jì)算值，g 為重力加速度，h 為壓力變送器的安裝高度。采用本裝置測(cè)量漿池液位時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，差壓變送器和壓力變送器技術(shù)也非常成熟可靠，成本也較低。僅需安裝沖洗管路對(duì)儀表膜片和采樣管路定時(shí)沖洗，維護(hù)工作量相對(duì)較少。

 

3 測(cè)量裝置比較

以上 3 套裝置均是目前脫硫系統(tǒng)中常用的吸收塔液位測(cè)量裝置，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）裝置一使用的質(zhì)量流量計(jì)精度高、穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)的可重復(fù)性也很好，因此測(cè)量漿液的密度值可靠性高，提高了整套液位測(cè)量裝置的綜合精度，在脫硫技術(shù)剛引入國內(nèi)時(shí)曾大量使用。但裝置本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用了專門的測(cè)量管路、泵及大量閥門，增加了裝置的故障點(diǎn)，維護(hù)工作量大大增加。

（2）裝置二在裝置一的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，主要是取消了專門的密度測(cè)量管路，將密度測(cè)量?jī)x表直接安裝在吸收塔側(cè)壁上，密度測(cè)量采用了高精度的音叉密度計(jì)，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置。缺點(diǎn)是目前適合脫硫工況的音叉密度計(jì)生產(chǎn)廠家很少，價(jià)格比較貴；而且還沒有與之配套的在線檢修閥門，面臨檢修儀表時(shí)需停運(yùn)工藝系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

 

（3） 裝置三中采用低成本的差壓變送器代替了價(jià)格昂貴的質(zhì)量流量計(jì)和音叉密度計(jì)，通過合理的選型和安裝設(shè)計(jì)，也能達(dá)到測(cè)量漿液密度的要求，使其在一些脫硫裝置中得以應(yīng)用。而且由于吸收塔漿液密度實(shí)際會(huì)隨著液位高度的變化、氧化空氣的分布情況而變化，故測(cè)量吸收塔某一固定高度的密度并不能真實(shí)反映整個(gè)漿池的密度情況，而差壓變送器的 2 個(gè)膜片相距較遠(yuǎn)，計(jì)算出的密度值是該高度范圍內(nèi)的平均值，理論上更接近漿池內(nèi)的真實(shí)密度值。而此裝置的缺陷也在于差壓變送器的 2 個(gè)膜片安裝位置，當(dāng)液位在高壓側(cè)膜片下方時(shí)，差壓變送器顯示為零，因此密度計(jì)算值 ρ 和液位計(jì)算值 H 均為零，不能反映液位的真實(shí)情況；當(dāng)液位在高、低壓側(cè)膜片之間時(shí)，密度計(jì)算值 ρ 會(huì)隨著液位的升高而逐漸增加，但均會(huì)小于漿液的真實(shí)密度值，因此液位計(jì)算值 H也不具備參考價(jià)值。只有當(dāng)液位上升至低壓側(cè)膜片之上時(shí)，本裝置的計(jì)算結(jié)果才算正常，而由于 2 個(gè)膜片高差約 3 m，高壓側(cè)膜片距塔底約 1 m，故本套裝置的測(cè)量盲區(qū)大約為 4 m 左右。建議當(dāng)液位運(yùn)行在盲區(qū)時(shí)，應(yīng)在 DCS 或 PLC 控制系統(tǒng)中通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，使得計(jì)算數(shù)據(jù)#大程度接近真實(shí)情況，并加大人工巡查力度，以彌補(bǔ)控制系統(tǒng)的不足。脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的液位在 10 m 左右，故本裝置還是適用于脫硫系統(tǒng)工況條件的。

 

4 結(jié)束語

綜上所述，各脫硫裝置應(yīng)根據(jù)自身的不同條件，如運(yùn)行人員的技術(shù)水平、運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度要求以及脫硫系統(tǒng)停運(yùn)對(duì)其他工藝系統(tǒng)的影響等因素，綜合比較后選擇合適的吸收塔液位測(cè)量裝置，從而達(dá)到安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的效果。