尿素蒸發(fā)系統(tǒng)負(fù)壓測量的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙權(quán)

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

中海石油華鶴煤化有限公司（簡稱華鶴公司）年產(chǎn)52 萬t 尿素項(xiàng)目地處東北極寒地區(qū)，極端溫度-40℃。我公司采用Stamicarbon CO2汽提技術(shù)生產(chǎn)大顆粒尿素，尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)是尿素溶液濃度提純的過程，一段蒸發(fā)系統(tǒng)將尿素溶液濃度由70%蒸發(fā)提純至94.4%，二段蒸發(fā)系統(tǒng)將尿素溶液濃度由94.4%蒸發(fā)提純至96.9%。在整個(gè)提純運(yùn)行過程中，一段和二段蒸發(fā)的負(fù)壓對提純工藝流程影響非常大，負(fù)壓過低時(shí)，尿液濃度不合格，尿素蒸發(fā)系統(tǒng)蒸汽消耗量增大，造粒機(jī)中結(jié)塊較多，影響造粒工段的長周期穩(wěn)定運(yùn)行；負(fù)壓過高時(shí)，尿液在蒸發(fā)系統(tǒng)中的停留時(shí)間增加，尿液中副產(chǎn)物縮二脲含量增高，影響造粒機(jī)噴頭噴淋狀態(tài)，造粒機(jī)易發(fā)生多孔板堵塞。而負(fù)壓是通過取樣管路至壓力變送器測量的，而高濃度的尿素溶液極易結(jié)晶，堵塞取樣管路，使得壓力變送器無法正常監(jiān)測蒸發(fā)系統(tǒng)的負(fù)壓，這對系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行影響非常大，這是整個(gè)尿素生產(chǎn)行業(yè)系統(tǒng)中普遍存在的“瓶頸”問題。儀表取壓管路經(jīng)常性的疏通處理，不僅增加維護(hù)人員工作量、蒸汽的消耗量，而且影響蒸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、尿素產(chǎn)品的質(zhì)量及裝置的長周期運(yùn)行。華鶴公司經(jīng)過多次對取壓管路及測量系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了儀表測量的連續(xù)性、穩(wěn)定性。

1 蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)熔融尿素的工藝特點(diǎn)

二段蒸發(fā)分離器設(shè)備內(nèi)部溫度為132℃，系統(tǒng)壓力0.018MPa（a)，主要為熔融尿素，還含有縮二脲、氨，水、甲醛等。如表1 所示。

表1 蒸發(fā)加熱器數(shù)據(jù)表二段蒸發(fā)分離器各物料組分

蒸發(fā)分離器為負(fù)壓環(huán)境，工藝組分復(fù)雜，尿素溶液提純操作時(shí)，負(fù)壓值對工況影響較大，而尿素溶液本質(zhì)屬于極易結(jié)晶物料，尤其在冬季極寒天氣情況下，更易結(jié)晶。儀表在正常投用時(shí)，因測量介質(zhì)易結(jié)晶特性，頻繁性導(dǎo)致取壓管路堵塞、增加儀表維護(hù)量。

2 測量原理及存在的問題

測量蒸發(fā)系統(tǒng)壓力的變送器采用西門子SITRANS P-DS Ⅲ系列儀表。該儀表傳感器為壓阻式傳感器，即通過取樣管路引壓，將測量的介質(zhì)壓力直接作用于壓力變送器敏感膜片上，分布于敏感膜片上的電阻組成的惠斯通電橋，利用壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了壓力量向電信號的轉(zhuǎn)換，通過電子線路將敏感元件產(chǎn)生的然后將壓力信號轉(zhuǎn)變4～20mADC 信號輸出。但由于尿素溶液的結(jié)晶，導(dǎo)致取壓管路堵塞，無法正常測量，尿素溶液結(jié)晶后需要使用蒸汽、蒸汽冷凝液等高溫介質(zhì)進(jìn)行吹掃，需要人工從蒸汽分配盤接入蒸汽后進(jìn)行手動吹掃，每天基本需要吹掃，重復(fù)性工作不僅浪費(fèi)人工勞動力、浪費(fèi)蒸汽消耗量，而且還對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

3 優(yōu)化措施

3.1 改進(jìn)測量系統(tǒng)取壓管路及伴熱

從測量系統(tǒng)所處負(fù)壓環(huán)境進(jìn)行分析，理論上蒸發(fā)分離器設(shè)備系統(tǒng)從取壓管路內(nèi)“抽氣”。同時(shí)，熔融尿素在設(shè)備內(nèi)132℃狀態(tài)下為液態(tài)，根據(jù)液體具有的流動性能進(jìn)行分析，熔融尿素應(yīng)在重力作用及“抽氣效應(yīng)”條件下，返回至設(shè)備，不會造成取壓管路堵塞，根據(jù)以上理論，對取樣根部進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)如圖1、圖2 所示。

圖1 負(fù)壓測量系統(tǒng)測量管路優(yōu)化前后對比圖（優(yōu)化前）

圖2 負(fù)壓測量系統(tǒng)測量管路優(yōu)化前后對比圖（優(yōu)化后）

利用蒸汽夾套伴熱管具有迅速調(diào)節(jié)溫度、伴熱均勻、伴熱效率高等優(yōu)勢，對取壓管路增加蒸汽夾套管伴熱，根據(jù)對前期取壓管結(jié)晶堵塞位置進(jìn)行系統(tǒng)性分析，確定取壓管路堵塞的位置，選擇夾套管的合適長度，保證取壓管路溫度與蒸發(fā)分離器內(nèi)溫度相當(dāng)，始終保持取壓管內(nèi)殘留的尿素為液相狀態(tài)。其次，對取壓管路設(shè)備優(yōu)化，調(diào)整取壓管路與蒸發(fā)分離器設(shè)備之間夾角，使取壓管路內(nèi)部保持較好的向下流通狀態(tài)，在負(fù)壓抽氣與重力雙重作用下，降低熔融尿素在取壓管路內(nèi)結(jié)晶可能性，提高熔融尿素在負(fù)壓環(huán)境下的回流效果。

3.2 改進(jìn)取壓管路吹掃方式

針對取壓管路堵塞時(shí)的疏通方式，利用目前普遍使用的工業(yè)控制系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程定時(shí)或負(fù)壓測量值報(bào)警吹掃，減少人力手動疏通，對管路進(jìn)行智能化改進(jìn)，具體設(shè)計(jì)、施工、應(yīng)用如圖3 所示。

圖3 負(fù)壓系統(tǒng)吹掃管路

改造前測量流程：打開蒸發(fā)分離器根部手動截止閥（序號2），介質(zhì)通過取樣管路進(jìn)入壓力變送器內(nèi)進(jìn)行測量，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，取樣管路由于尿素溶液的結(jié)晶造成經(jīng)常性堵塞，需要頻繁地進(jìn)行手動吹掃。

改造后測量流程：手動截止閥序號1 ～3 一直處于常開狀態(tài)，通過控制電磁閥對取樣管路進(jìn)行吹掃。當(dāng)測量管路結(jié)晶堵塞時(shí)，打開電磁閥（序號4）、關(guān)閉電磁閥（序號5），對結(jié)晶的管路進(jìn)行吹掃，同時(shí)對壓力變送器進(jìn)行防護(hù)，防止高溫高壓介質(zhì)進(jìn)入壓力變送器內(nèi)，損壞儀表。當(dāng)吹掃完畢時(shí)，關(guān)閉電磁閥（序號4）、打開電磁閥（序號5），開始對取樣管路進(jìn)行負(fù)壓測量。電磁閥的控制過程是通過接線至DCS 機(jī)柜里的DO 卡件上，在DCS 系統(tǒng)中對電磁閥進(jìn)行編程、組態(tài)及調(diào)試，在DCS 操作畫面上就可以對電磁閥的開關(guān)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，可對測量管路進(jìn)行預(yù)防性吹掃，避免取樣管路結(jié)晶，使得壓力變送器一直能夠正常測量蒸發(fā)系統(tǒng)的負(fù)壓，保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

負(fù)壓預(yù)防測量管路結(jié)晶的自動吹掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)自動吹掃的過程，進(jìn)行預(yù)防性吹掃維護(hù)，取代原手動人工吹掃。具體設(shè)計(jì)應(yīng)用是在原取壓管路的基礎(chǔ)上，增加一路蒸汽冷凝液吹掃管路，在冷凝液管路根部增加1 臺手動截止閥1（序號1）、1 臺電磁閥1（序號4），在壓力變送器取樣管路增加一臺手動截止閥2（序號2）、1 臺手動截止閥3（序號3）、1 臺電磁閥2（序號5）。

3.3 改進(jìn)系統(tǒng)自動吹掃邏輯

根據(jù)蒸發(fā)分離器負(fù)壓測量系統(tǒng)結(jié)晶堵塞時(shí)的動態(tài)變化，以及負(fù)壓變化的過程時(shí)間，對系統(tǒng)進(jìn)行邏輯吹掃控制優(yōu)化，控制結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)自動吹掃結(jié)構(gòu)圖

利用DCS 控制系統(tǒng)的過程控制邏輯功能，利用相關(guān)軟件功能塊、硬件設(shè)備，通過組態(tài)編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。蒸發(fā)分離器取壓管路結(jié)晶堵塞后，測量系統(tǒng)壓力降至-70KPa（-60KPa 是工藝允許的極限數(shù)值，進(jìn)行自動吹掃時(shí)，將設(shè)定值控制極限值至上），同時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)可賦值吹掃定時(shí)器，可以控制吹掃時(shí)間，二者相結(jié)合經(jīng)過控制系統(tǒng)邏輯判斷、輸出信號去控制電磁閥1、電磁閥2 的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)行管路自動吹掃，待系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常狀態(tài)后后，停止吹掃，恢復(fù)正常測量狀態(tài)。

4 優(yōu)化效果

（1）自動定時(shí)吹掃，避免蒸發(fā)系統(tǒng)波動；保證尿素裝置的長周期運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益；（2）減少維護(hù)工作量，節(jié)省人員勞動力，節(jié)約勞動成本；（3）降低系統(tǒng)中蒸汽的消耗量，達(dá)到降本增效；（4）解決同行業(yè)“瓶頸”問題，具有推廣使用價(jià)值。

改造前，當(dāng)蒸發(fā)系統(tǒng)負(fù)壓異常時(shí)，作業(yè)人員現(xiàn)場處理，對取壓管路進(jìn)行手動吹掃，已經(jīng)影響了蒸發(fā)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。有時(shí)需通過減負(fù)荷調(diào)整蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行，情況嚴(yán)重時(shí)，影響尿素產(chǎn)品質(zhì)量及后系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行?，F(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)自動吹掃，每間隔一定時(shí)間，可啟動一次自動吹掃，每次吹掃2min，預(yù)防取壓管路的結(jié)晶，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測蒸發(fā)系統(tǒng)的負(fù)壓，保證了蒸發(fā)系統(tǒng)的長周期運(yùn)行，避免非必要的減負(fù)荷及停車，減少了維護(hù)工作量，降低了工作人員勞動強(qiáng)度。

5 結(jié)語

通過與同行業(yè)溝通交流，尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)取壓管路結(jié)晶現(xiàn)象是行業(yè)內(nèi)部“瓶頸”問題，基本都是依靠人工手動進(jìn)行吹掃，沒有更好的解決方式?，F(xiàn)階段，可以將該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用，解決行業(yè)“瓶頸”問題，提高生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性。該技術(shù)打破尿素行業(yè)蒸發(fā)系統(tǒng)取壓管路經(jīng)常性結(jié)晶領(lǐng)域難題，根據(jù)目前現(xiàn)場應(yīng)用情況，該技術(shù)安全、穩(wěn)定、可靠，使用范圍廣?？蓮V泛應(yīng)用電力行業(yè)、石化工業(yè)、煤化工行業(yè)及市政行業(yè)中某些需要經(jīng)常性手動吹掃的管路系統(tǒng)中，完全可以實(shí)現(xiàn)自動吹掃功能。