高温型音叉液位开关在尿素合成塔装置中的应用

　　尿素作为一种肥料，在农业生产中扮演着十分重要的角色，是农业生产不可缺少的重要原料。目前，生产尿素的工艺流程是原料煤利用蒸汽和空气为汽化剂，在煤气反应炉内产生半水煤气，经甲醇、烃化等工艺将气体净化，除去杂质后，将纯净的氮氢混合气体压缩合成为氨，与净化压缩后的二氧化碳同氨一起送入尿素合成塔，在高温高压下合成尿素。为了有效地指导生产操作，控制以及监视尿素的生产过程，对生产中各种液位的监控和测量必不可少。其中尤以尿素合成塔的液位测量最为关键，这是因为尿素合成塔的工况非常恶劣，对仪表的要求也十分苛刻，主要表现在高温高压的应用环境，其压力和温度分别达到3Mp和200℃。此外，尿素合成塔的工况具有较强的腐蚀性和爆炸性危险。尿素合成塔在国内外发生爆炸并不鲜见，近年在国内山东和河北就发生了2起尿素合成塔爆炸事故。据分析爆炸诱因是内衬腐蚀泄漏，层板应力腐蚀开裂和原始制造缺陷等致层板局部开口开裂，而导致的“爆沸”爆炸。这就要求液位测量仪表除具有耐高温和高压外，还需具有较强的耐腐蚀性和较高的防爆等级。

　　液位开关的种类多样，其中接触式的有浮球液位开关、电容式液位开关、射频导纳液位开关以及音叉液位开关等。那么，在尿素合成塔这样的严苛的工艺条件下，该如何选择液位开关呢？

　　浮球液位开关的结构主要是基于浮力和静磁场原理设计而成的。带有磁体的浮球（简称浮球）在被测介质中的位置受浮力作用影响：液位的变化导致磁性浮子位置的变化。浮球中的磁体和传感器（磁簧开关）作用，产生开关信号。但浮球液位开关不适合尿素合成塔中的高压高温工况，测量可靠性低，且其机械式结构拆卸、清洁也很复杂。

　　电容式液位开关的测量原理是：液位高低变化导致探头被覆盖区域大小发生变化，从而导致电容值发生变化。探头与罐壁（导电材料制成）构成一个电容。当罐体中有物料注入时，电容值将随探头被物料所覆盖区域面积的增加而相应地增大，通过检测电容值的变化输出开关报警信号。电容式液位开关的探头由绝缘材料PTFE制成，当放置在温度接近200℃的介质中时，其耐压能力较弱，远超过探头所能承受的范围。探头绝缘材料在高温下分子间隙变大，测量介质尿素会渗透到绝缘套内，易造成仪表指示不正常。

　　射频导纳物位控制技术是从电容式物位控制技术发展起来的，相较电容式物位控制技术，其增加了放挂料电路设计，在粘附性物料上有一定的优势，但是在高温高压的环境下电极的损坏无法避免，这是因为探头的绝缘层与金属电极主要通过滚压工艺制作完成，很不耐压，在高压环境下彼此之间容易产生间隙从而影响仪表的准确测量。探头一旦出现故障，目前唯一能做的就是重新更换，而这无疑增加了额外的维修成本。

　　音叉液位开关的工作原理是通过安装在基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动。当音叉液位开关的音叉与被测介质相接触时，音叉的频率和振幅将改变，通过检测这一物理量的变化输出开关报警信号。音叉液位开关几乎不受泡沫、湍流、振动、固体含量的影响，可以消除飞溅，避免误报警。在耐温方面，普通款可耐150℃，通过采用增加高温延长套管的形式耐温可达250℃，满足温度使用要求。

　　近期，计为Ring-11高温音叉液位开关成功应用在某化肥厂的尿素合成塔测量装置中。这是因为相较国内普通型音叉液位开关，计为Ring-11高温音叉液位开关具有一系列优势，使之非常匹配尿素合成塔装置的工况，完全胜任该复杂工况的液位测量。具体表现在以下几个方面：

　　1．根据用户工况需要，通过增加高温延长管的方式，使得仪表能够耐受250℃高温，耐温范围更广。

　　2．316L不锈钢材质、气密绝缘套管以及高防护等级，使得计为Ring-11高温音叉液位开关能够用于压力较大腐蚀性较强的场合。

　　在尿素生产中，原料CO₂、NH₃、甲铵和尿素的水溶液，原料带入的硫化物、氯化物及生产过程中形成的碳酸铵溶液、稀氨水和少量氰酸等都具有腐蚀性，特别是在温度较高（130℃～200℃），压力较大情况下的尿素—甲铵溶液对金属的腐蚀更为严重，许多生产企业的尿素合成塔等设备均因腐蚀问题进行过停车抢修。腐蚀问题也因其成为尿素稳定生产的严重障碍而日益受到重视。

　　计为Ring-11高温音叉液位开关能够耐受较高的压力，具有较强的耐腐蚀性。相较浮球液位开关、电容式液位开关、射频导纳液位开关，音叉液位开关探头采用一体化设计，无可拆卸部分，能够耐压65kg/cm²。其主体材料采用耐腐蚀性较强的316L不锈钢材质，在具有较高压力和较强腐蚀性的强酸强碱溶液的危险场合下，可以通过增加气密绝缘座的方式，避免过压环境引起腐蚀性介质腐蚀叉体端盖表面从而倒灌到表头引起严重的安全生产事故，不仅如此，为适应超强腐蚀性液体工况，计为自动化还提供ECTFE、PFA涂层等选项供用户选择。其整机防护等级高达IP66/IP67。这样的保护措施使得仪表整机的安全性能更高。

　　3．多种信号输出方式备选，叉体短小，应用广泛，稳定可靠，抗干扰能力强。

　　除了适应于高温高压的环境外，计为Ring-11音叉液位开关拥有继电器、二线制和NAMUR三种信号输出方式，叉体长仅40mm，特别适合管道等狭小空间的液位测量，基于检测频率变化的设计，抗干扰能力强，这是因为经过精密调谐的两个叉体振动特性完全对称，能够实现完全共振，可测介质密度低至0.5g/cm³，且免受泡沫、气泡、粘稠、振动以及液体特性的影响，能够提供高于同行标准的抗粘附保护，不易发生误报警现象，具有高可靠性。

　　4、双防爆认证，防爆等级高。

　　产品通过本安、隔爆双防爆认证，其中，隔爆的防爆等级高达Ex d IIC T6 Gb，本安的防爆等级高达Ex ia IIC T6 Ga，安全性高，非常适合在尿素合成塔这种腐蚀性强，容易爆炸的环境中使用。

　　计为Ring-11高温音叉液位开关的上述特点，为仪表的稳定安全运行提供了可靠保证，使之非常适合在尿素合成塔中应用。该产品自投入使用以来，其安全、稳定、可靠、免维护的特性受到客户的一致好评。