WSA制酸装置酸浓度计测量偏差大原因探讨
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【摘要】大庆炼化公司新建wsa制酸装置是用于处理炼油厂产生的含硫化氢废气以制备93%浓硫酸的重要的环保装置。酸浓度计采用超声波浓度计，用于装置硫酸浓度的在线分析，并根据测量数据对酸槽中的硫酸进行加水稀释实现自控调节。如该仪表失灵，将无法实时测量硫酸浓度并进行自控调节，影响外送硫酸质量，甚至如果出现加水过多，硫酸浓度过低的情况，还会出现严重的腐蚀问题。
【关键词】超声波 制酸装置 WSA
一、超声波浓度计原理
超声波浓度计采用超声波原理，通过测量液体声速，从而决定过程参数，比如液体的浓度或密度。超声波浓度计主机中预存有各种介质的温度声速特征参数曲线，根据该曲线计算出所需要的过程控制参数。测量探头（超声波发信器）分为插入式和夹装式两种，大庆炼化公司WSA制酸装置酸浓度计采用夹装式测量探头。
超声波在液体中的传播速度可以表示为公式（1）。
V2=E/ρ （1）
式中： V：液体中超声波的传播速度
E：液体的弹性体积率
ρ：液体的密度
此处，弹性体积率E与密度ρ根据溶液的浓度及温度的变化而变化。
因此，当溶液的浓度发生变化时，根据公式（1），超声波的传播速度也会发生变化。即，如果可以测得超声波的速度、温度，便可求出溶液的浓度。此关系可表达为式（2）
D= F（Tc、V） （2）
式中：
D：溶液浓度
F（Tc、V）：温度、超声波传播速度2个变量的函数关系
Tc：溶液温度
这个两个变量的函数关系根据液体的不同而不同。
二、故障简述
在超声波浓度计经厂家调试投用后，将测得的硫酸浓度与采样化验分析结果进行对比，发现测量结果偏差较大，且经常出现仪表失灵无法正常在线分析的情况，影响装置操作调整。因为超声波浓度计无法正常投用，制酸装置只能通过增加采样频次、尽量提高酸浓度的方式进行操作，这既增加了劳动强度，提高了作业风险，同时还严重影响了装置产品的质量。
表1 测量结果与化验分析结果对比
三、原因分析
此次超声波浓度计选用夹装式超声波发信器，影响该发信器工作的主要因素包括：
（1）被测液体中如果含有气泡超声波的信号会发生分散和减衰进而导致受信感度降低或者使超声波的速度发生变化，使浓度的测量出现偏差乃至失灵。
（2）测量部位溶液的温度变化较快的时候，测量会产生误差。
（3）液体中的沉淀物会导致测量误差的产生。
（4）压力的变动会导致测量误差的产生。
超声波发信器安装在泵出口冷却器出口管线位置，该位置温度较为稳定，压力也基本恒定，因此可以将上述因素中的（2）、（4）排除。
为了避免管线中存在气泡影响测量结果，我们与制酸装置技术人员联系，提高该部位管线压力，保证发信器安装部位管线为满管操作，消除气泡。
消除气泡后再次进行校准后，将浓度计投用，将测量结果与采样化验分析结果进行对比，发现浓度计偏差略有减小，但仍未能达到合格标准，同时仪器失灵情况仍然存在。这说明气泡原因仍不是仪表偏差及失灵的主要原因。
表2 测量结果与化验分析结果对比（消除气泡后）
通过对介质进行采样，发现样品纯净，不存在沉淀。
通过查阅制酸装置管线设计图纸，我们发现制酸装置内硫酸管线为了避免出现腐蚀，采用的是碳钢内衬聚四氟乙烯的材质。我们拿到一段内衬聚四氟乙烯的的短管进行观察，发现内衬层并不能完全紧贴在钢管上，而是存在大小不一的小鼓泡或间隙，这应是在进行加工的过程中因为聚四氟乙烯和碳钢的膨胀系数不同产生的。这些鼓泡或间隙才导致了测量的偏差或失灵。这些鼓泡或间隙中存在空气，与液体中的气泡产生了相同的影响，超声波的信号发生分散和减衰进而导致受信感度降低或者使超声波的速度发生变化，使浓度的测量出现偏差乃至失灵。同时内衬的聚四氟乙烯超声波在其中的传播速度也会产生变化，这进一步加大了测量的偏差。
四、解决方案
测量偏差的原因找到后，问题就便于解决了。我们与制酸装置技术人员联系，利用制酸装置停工的机会，加工一段不锈钢材质的法兰短节取代原超声波发信器安装位置的内衬聚四氟乙烯的法兰短节。新更换的法兰短节既解决了内衬聚四氟乙烯对超声波发信器的影响问题，又兼顾了制酸装置的管线防腐的需要。
五、效果验证
改造完毕，再次投用超声波浓度计后，将测量结果与采样化验分析结果进行对比，发现测量结果与化验分析结果基本一致，误差在允许范围内，同时连续运行1个月，未出现浓度计失灵的情况，装置将酸浓度控制由手动控制改为自动控制后，操作平稳，硫酸浓度控制非常稳定，降低了装置的操作难度，同时也提高了装置产品质量。
表3 测量结果与化验分析结果对比（改造后）
结论：通过对超声波浓度计原理进行研究，找出影响超声波浓度计测量误差的主要因素，并通过排除法成功找出了超声波浓度计测量偏差及失灵的原因。通过一次小小的改造解决了难题，为装置平稳运行提供了保障，可谓是小投资解决大问题。也为今后工作中类似问题解决提供了参考。