空分系統低溫液位計 非正常波動的分析與處理
摘要：分析了空分系統低溫液位計非正常波動現象及原因，提出了解決方法及注意事項。處理后液空液面的波動值降低了16倍，主冷的波動降低了3/4。
1、概述：
在空分系統生產過程中，經常會遇到低溫液體液位計劇烈波動、工況無法穩定的情況。通常的做法是將正壓側取樣管路切換到備用支路，然后將原管路通過吹除的方法進行處理后備用;另一種做法是用干燥的空氣氣源進行反吹后投人使用。這些方法一般能臨時穩定液位，但時間稍長，液位波動又會重新出現。
低溫液位計在空分工藝過程控制中舉足輕重，液位不穩定，空分工藝過程就不穩定，比如液空液位計顯示主冷液面和氫餾分的穩定與否。主冷液面不穩定將影響吸入空氣量，進而影響蒸發量的穩定，從而干擾帶氫系統的穩定，而氫系統的不穩定反過來又會影響主塔的工作狀態。同樣，粗氫II系統的粗氫液面不穩定，同樣會對粗氫I的氧、氫粗分離帶來不利影響，從而波及餾分的穩定，進而影響主塔的工作狀態。
公司的20 000 Nm3/h等級制氧機組于2005年投產，該機組采用分子篩流程、膨脹空氣進下塔的全低壓無氫制氫工藝。自投產至今，下塔液空液位波動非常大，以600 mm為控制目標液位，其標準偏差78. 6 mm(***高液位可以達到900 mm，較低液位可以達到300 mm )，導致主冷液位也波動非常劇烈，以3 000 mm為控制目標液位，其標準偏差157. 8 mm(***高液位3 400 mm，較低液位2 600 mm，其間還必須加上調節閥閥位限制功能，否則波動更大。本文從不同方面分析了可能的原因，并經過多次嘗試解決，提出了熱不平衡機理的假設，基于此假設形成了輔助加熱法AHM ( Auxiliary Heating Measure)解決方案，運用后穩定了所有的低溫液面，使該機組的各項指標均超過了設計標準，為公司空分系統的節能增效找到了新的途徑。
2、問題分析：
2.1、排查：
針對下塔液空液面計非正常波動，首先需分析工藝和儀表，以確定是否反映真實波動，然后才能根據原因制定相應的對策。
(1)排除v1調節閥和儀表的問題。公司先后建有六套制氧機組，除該套外，其余均未發生如此劇烈的液空波動。因此，多數意見傾向于調節閥和儀表出現問題的可能性較大。通過現場調校調節閥和更換彈簧，解決了v1調節閥在20%開度左右輕微喘動的現象，但是下塔液空液位波動沒有明顯改善;然后對壓差式液位計更換和調試，波動仍然不見有效改觀。據此可判斷，調節閥和壓差式液位計存在問題的可能性較小。系統表現為氧的產出基本沒有問題，但氫系統不穩定，時常會出現氮塞情況，整體空分操作難度大，工況不易穩定。
(2)懷疑空壓機的壓力調節有問題，可能是吸人空氣量的波動導致下塔工況不穩定所致。但是通過下塔液空純度的分析，結合下塔阻力的變化情況，可認為在篩板塔上出現問題的可能性較小，基本不存在落液的條件。
(3)懷疑整體工藝熱平衡的問題。由于該設備的板式換熱器是氣液混合式，中壓氧的汽化是在板式過程中完成的，在選型時板式換熱能力相對富裕量較小，因此板式中部溫度存在一定的起伏(一98 °C-一110°C )。但即使降低空分總的負荷量到90 %，仍然無法改變其液面波動的事實，只是略微減輕而已。
通過咨詢設備廠家現場服務人員，認為有可能是下塔壓力較低所致，導致閥前后壓差不足。但V1閥門在氫系統未投人使用前開度約為50%，投人使用后開度平均在30%左右。因此，該原因的可能性不大，但仍然通過提升下塔壓力至0. 46 MPaG來試驗，結果與0. 44 MPaG的壓力運行效果一樣。
2.2、原因分析:
作者注意到一個現象，就是每次開車后液空液面出現幾天穩定，而后就波動如初了。根據這一現象，懷疑是液空液位計下取液管出了問題，但整個塔基溫度穩定，大范圍出現溫度場異常的情況基本不可能發生。然后檢查加熱塊的工況，無論電壓還是電阻均未發現工作異常，因此重點從加熱塊周圍的熱負荷進行分析，以期找出具體原因。
圖1低溫液位計配置圖
圖1為低溫液位計配置圖。如圖1所示，液空液位計的下取液管配備電加熱塊，同時還有液封。電加熱塊可以使到達其作用范圍的低溫液體汽化，形成前端是低溫液體后端是氣體的氣液兩相相對穩定的過程。如果加熱塊的周圍溫度場較低或加熱塊不足以提供足夠的熱量，就有可能出現低溫液體涌過加熱塊，到達液封側，加之液封側可能出現變形，有可能在加熱塊與液封之間形成氣泡。該氣泡在周圍環境的作用下可能頻繁破裂和生成，導致下取液管的壓力顫振，從而出現液面波動。
從圖1也可見，正常情況下在加熱塊與下塔之間應該是低溫液態富氧空氣，而加熱塊與液封之間應該是氣態富氧空氣。這樣，差壓變送器就可以準確地測量出低溫液體的高度。但如果加熱塊工作不正常或其周圍溫度場較低，熱平衡就會偏移至液封處。更壞的情況是，如果低溫液體越過加熱塊到達液封處，那么，所測出的液位將比實際液位值低h, ,但當h,值變為0時，測量值就與真實值相等，如圖2所示。而如果加熱塊后至液封之間的周圍環境溫度場是不穩態場，即其溫度范圍在一183℃左右，就可能由于加熱塊的加熱作用和周圍環境的冷卻作用而頻繁出現氣泡產生和破滅的過程，從而導致液位波動。波動的范圍決定于溫度場的分布，一般而言，溫度梯度小，波動范圍大，而溫度梯度大，波動范圍小。
圖2低溫液體越過加熱塊到達液封外示意圖
3、解決措施：
以上分析可見，由于液位波動受加熱塊溫度場分布支配，液位計顯示的波動并不代表真實液位的波動，并出現每次開車液位會先穩定一段時間，然后產生波動的現象。
解決這個問題有兩種辦法，是通過扒塔重新配置管路和加熱塊，改變溫度場徹底解決該問題，第二是僅改變該管路里的溫度場，使其汽液相交面移動并穩定在加熱塊處。若選擇種，隨著空分系統服務時間的增加，加熱塊附近的溫度場仍然可能變得不可控制，出現波動的可能性依然存在;若選擇第二種，可加輔助氣源輔助其達到熱平衡，該方法用較少的投資和費用就能解決問題。
當通人外界氣源時，通人介質的量、品質和壓力需要慎重選擇以確保液位值的真實性。通人壓力過高、量過大，會導致取液下閥的加熱器前的液體蒸發，導致過量的外界氣體涌人下塔，造成塔體內工藝介質被污染，還會導致測量值超限，無參考價值。實踐證明，通人管內的氣量在原有液位測量值的基礎增加適當的附加值，就足以滿足工藝要求。介質的選擇具體要求有:
(1)介質冷凝溫度低，可在與液空接觸的氣液兩相界面上形成一個較緩慢的傳熱傳質區域，形成適合周圍環境的溫度場，就不易出現頻繁的氣泡產生和破滅現象，也就穩定了液面。
(2)介質須無水分，否則會在下塔管路中形成凍堵，給空分系統的安全造成不可逆轉的影響。
(3)介質壓力要比所需注人的環境壓力大一定值，還需保證其壓力的相對穩定。
(4)介質不能對所要配合的液面產生大面積污染，否則導致純度不合格或產生安全隱患。
通過實驗獲知的數據表明經處理后液空液面的波動值降低了16倍，主冷的波動降低到原先的1/4左右。其間對來自液位的信號給予相應的技術處理，通過變PID控制方法，依據不同的液位和閥位調整開度，確立了一種經驗算法，可以保證主冷液面在整個空分工藝過程中偏差在土50 mm以內，這種改進也有效緩解了下塔液空液面的波動情況。表1是改進前后數據的對比。
同理，對粗氫n的液面也采用了類似處理，原先有毛刺和突跳的液面波動也變得平滑。空分工藝過程的整體工況變得非常穩定，抗沖擊性能大大加強，液氫產量從500 Nm'/h提升到810 Nm'/h，氧提取率上升了0. 2%。
4、結束語:
通過對問題的分析處理可知，在空分系統設計和施工中一定要重點關注加熱塊周圍的溫度場，加熱塊的配置位置和液封的位置不能隨意，否則會引起液面波動，影響整個空分工藝過程的穩定，使操作難度增大，經濟效益下滑。