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差壓變送器在液氨球罐液位中具體應(yīng)用介紹
摘要：分析探討了傳統(tǒng)差壓變送器在液氨球罐液位測量中的局限性，介紹了3051SEＲS電子遠(yuǎn)傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。對傳統(tǒng)的差壓變送器采用EＲS系統(tǒng)改造后，徹底解決了傳統(tǒng)差壓變送器氣相管積液的問題。

某氨站主要由2只容積為400m3、內(nèi)徑為Φ9200mm的球罐(1#和2#)和2只容積為1000m3、內(nèi)徑為Φ12300mm(3#和4#)的球罐及附屬設(shè)施組成，采用常溫壓力存貯方式貯存液氨。液氨球罐液位要求控制在15%～75%，超出此范圍則發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號，因此，液位的準(zhǔn)確測量是其安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

1問題的提出及成因

2011年7月30日中班，4#液氨球罐液位指示偏差大，經(jīng)查為差壓變送器氣相管積液氨(正常測量時(shí)是氣氨)，使液位指示值比實(shí)際液位低很多。排盡氣相管內(nèi)的積液后，液位指示恢復(fù)正常，但很快又出現(xiàn)積液現(xiàn)象，隨后其他3只球罐也相繼出現(xiàn)同樣的問題。為保證球罐液位的準(zhǔn)確測量，每隔30min左右就需對氣相管進(jìn)行排液。在液氨球罐差壓變送器氣相管出現(xiàn)積液的時(shí)段內(nèi)，80kt/a合成氨裝置停車檢修，且預(yù)留卸氨的冰機(jī)(1259kW)出現(xiàn)故障，紅磷分公司外購的液氨只能用氨站2臺冰機(jī)(47．2kW)進(jìn)行卸氨。由于冰機(jī)制冷能力不足，卸入球罐的液氨攜帶的冷量不夠，球罐內(nèi)的液氨處于亞臨界狀態(tài)，差壓變送器氣相管內(nèi)的氣氨在多種因素作用下轉(zhuǎn)換為液氨，而液氨卻難以轉(zhuǎn)化為氣氨，從而產(chǎn)生積液，此過程持續(xù)了近15d。

2014年8月，合成氨裝置停車。8月8日中班，1#球罐處于卸氨過程中，3#和4#球罐液氨存量保底，2#球罐向磷銨分廠270kt/a和180kt/a磷酸二銨(DAP)裝置及300kt/a復(fù)混肥(NPK)裝置供應(yīng)液氨。17:15左右，2#球罐液位由31%逐步下降;17:40，差壓變送器液位指示為零，磁性翻板液位計(jì)反復(fù)上下亂指示，操作人員無法判斷2#球罐內(nèi)的液位情況，DAP裝置和NPK裝置作緊急停車處理;從18:40開始，每隔15min對差壓變送器氣相管進(jìn)行排液;19:20，差壓變送器恢復(fù)正常指示，此時(shí)2#球罐液位為28%，磁性翻板液位計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的排液操作后也恢復(fù)了正常指示。2#球罐差壓變送器液位記錄曲線顯示，在17:08→18:08→18:45的時(shí)段內(nèi)，液位出現(xiàn)先下降后上升再下降且反復(fù)波動的趨勢。DAP裝置與NPK裝置正常開車時(shí)，液氨用量為20～25t/h。由于球罐的體積特性，在供氨量穩(wěn)定的情況下，球罐赤道以下液位的下降速度是加速的，2#球罐在低液位下供氨，當(dāng)液位下降至一定值且供氨量大(干擾大)的情況下，球罐內(nèi)的液氨從亞臨界狀態(tài)迅速達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)氣液兩相的分界面已消失，即不存在液位，且氣液相的密度相同［1］;由于液氨的特性狀態(tài)及供氨的持續(xù)，液位進(jìn)一步下降，使球罐內(nèi)的液氨達(dá)到超臨界狀態(tài)，此時(shí)氣液兩相相互作用的過程為克服內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生激烈的擾動與渦流［2］，磁性翻板液位計(jì)也因此上下亂指示而失效。2014年8月，2#，3#和4#球罐差壓變送器氣相管又反復(fù)出現(xiàn)積液的情況，只是不如2011年7月那么頻繁。

2傳統(tǒng)差壓變送器測量原理及局限性

2．1測量原理

傳統(tǒng)差壓變送器的正壓室(法蘭)接液相，負(fù)壓室經(jīng)導(dǎo)壓管接氣相，其安裝示意見圖1。

根據(jù)流體靜力學(xué)原理［3］，則有:

式中:

P+———差壓變送器正壓室所受的壓力，Pa;

P－———差壓變送器負(fù)壓室所受的壓力，Pa;

h———球罐內(nèi)的液位高度，m;

ΔP1———液位為h時(shí)差壓變送器的差壓值，Pa;

ΔP———液位為100%時(shí)差壓變送器的差壓值(量程值)，Pa;

ρ———液氨的密度，kg/m3;

g———重力加速度，m/s2;

P氣———球罐內(nèi)的氣相壓力，Pa。

從式(5)可知，當(dāng)差壓變送器測得#P1時(shí)，就可求得液位h。

2．2液氨球罐液位測量中的局限性

1#和2#球罐于1993年投用，3#和4#球罐于2000年投用，采用圖1所示的傳統(tǒng)單法蘭差壓變送器測量液位。在多年的運(yùn)行過程中，差壓變送器氣相管積液現(xiàn)象只是偶爾出現(xiàn)且積液量不大，對液位測量不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，日常維護(hù)量很小。2014年8月8日2#球罐出現(xiàn)的問題，特別是當(dāng)罐內(nèi)的液氨處于臨界及超臨界狀態(tài)下，就目前的技術(shù)而言，任何類型的測量儀表要在這樣的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量幾乎是不可能的，因?yàn)樵谀菢拥臓顟B(tài)下根本不存在液位。盡管如此，上述2個案例中氣相管頻繁積液也暴露出傳統(tǒng)差壓變送器在液氨球罐液位測量中存在局限性。

雙法蘭液位變送器是一種成熟可靠的技術(shù)，但一直很難在高型容器中得到應(yīng)用，因?yàn)樾枰�更長的毛細(xì)管以方便安裝，而過長的毛細(xì)管會導(dǎo)致壓力傳輸誤差過大，即當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)填充的硅油在高溫下膨脹或低溫下收縮的情況變得更加明顯，從而使測量誤差增大［3］。雙法蘭差壓變送器及安裝示意如圖2所示。

3導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)及3051SEＲS電子遠(yuǎn)傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)

3．1導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)

目前，液氨球罐液位測量除采用傳統(tǒng)單法蘭差壓變送器外，還有導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。以基于TDＲ時(shí)域反射原理［4］的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)為例，其安裝示意見圖3。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的工作原理:雷達(dá)發(fā)出的高頻脈沖信號被發(fā)射到探頭并沿著纜繩傳播，信號在液氨界面發(fā)生反射并沿著纜繩傳遞回來被雷達(dá)接收，轉(zhuǎn)換后得到液位信息。雷達(dá)天線到液氨界面的距離d與脈沖信號運(yùn)行時(shí)間t的關(guān)系為d=ct/2，其中c為光速。在空高E已知時(shí)，液位h=E－d［5］。

采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)時(shí)，若原液氨球罐沒有預(yù)留安裝接口，則需在球罐上開DN80mm的孔安裝接管且必須采用厚壁管焊接結(jié)構(gòu)［6］，同時(shí)涉及一些壓力容器手續(xù)變更等。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的纜繩需設(shè)置重錘或在球罐底部固定，密封是一個需重點(diǎn)考慮的問題，氨氣冷凝、氣體干擾、油污等易使導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，在線維護(hù)困難，在線拆裝更是不可能�？傊�，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝、維護(hù)等比差壓變送器嚴(yán)格、復(fù)雜得多［7］。

3．23051SEＲS電子遠(yuǎn)傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)

2011年，艾默生過程管理公司推出了3051SEＲS(Electronicremotesensor)電子遠(yuǎn)傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)，配置2臺直接安裝的3051S壓力變送器，2臺壓力變送器之間以專用電纜、數(shù)字信號方式連接，可任意設(shè)定2臺壓力變送器中的1臺作為功能計(jì)算模塊計(jì)算出高低壓側(cè)的差壓信號，通過標(biāo)準(zhǔn)的兩線制電纜以4～20mA的HAＲT信號進(jìn)行相關(guān)信息的傳輸。EＲS系統(tǒng)是基于艾默生公司先進(jìn)成熟的3051S壓力變送器平臺，是差壓液位技術(shù)的進(jìn)一步數(shù)字化升級，其獨(dú)特的數(shù)字架構(gòu)解決了在高型容器/塔、高溫等特殊工況下進(jìn)行液位、差壓測量的技術(shù)難題，在工程應(yīng)用中具有很多的優(yōu)點(diǎn)。3051SEＲS系統(tǒng)安裝示意見圖4。

3．2．13051SEＲS系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

3051SEＲS系統(tǒng)以數(shù)字方式取代了傳統(tǒng)差壓變送器的氣相管和毛細(xì)管，有效克服了由環(huán)境溫度變化、安裝所引起的放大偏差;響應(yīng)速度更快，精度更高，即使在大范圍變化的溫度條件下也具備快速的響應(yīng)時(shí)間和更加穩(wěn)定、可重復(fù)的測量。

采用3015SEＲS系統(tǒng)可充分利用現(xiàn)有的差壓變送器安裝接口及信號電纜，只需重新配置2個模塊之間的連接電纜及保護(hù)管，無需伴熱保溫。因3015SEＲS系統(tǒng)本質(zhì)上就是差壓變送器，不需要進(jìn)行特別培訓(xùn)，其每個模塊都可單獨(dú)進(jìn)行更換及維修，過程維護(hù)簡單而有效。因取消了氣相管，故不存在氣相管積液的問題。

3．2．2傳統(tǒng)差壓變送器的EＲS系統(tǒng)改造及其運(yùn)行效果

綜合考慮液氨的物性特點(diǎn)及目前球罐液位測量儀表技術(shù)、安裝接口等多種因素后，認(rèn)為選用3051SEＲS系統(tǒng)對在用的傳統(tǒng)差壓變送器進(jìn)行改造是最優(yōu)的方案。

2013年3月，對1#球罐的傳統(tǒng)差壓變送器采用EＲS系統(tǒng)進(jìn)行了改造。EＲS系統(tǒng)投用后，在其量程計(jì)算密度條件附近的液位指示基本與磁性翻板液位計(jì)一致;在偏離計(jì)算密度條件較大時(shí)的液位指示與磁性翻板液位計(jì)存在一定偏差，這主要是量程的計(jì)算密度是一定條件下的定值所造成的，也可以認(rèn)為是壓力變送器在這種應(yīng)用下存在的另一個“局限性”，但從多年的運(yùn)行情況來看，這點(diǎn)偏差不會對正常測量及操作運(yùn)行產(chǎn)生大的影響。與2#，3#和4#球罐在用的傳統(tǒng)差壓變送器相比，1#球罐改用EＲS系統(tǒng)后的反應(yīng)速度最快、測量最準(zhǔn)確、運(yùn)行效果最好，至今未出現(xiàn)過任何問題。

4結(jié)語

采用EＲS系統(tǒng)改造傳統(tǒng)的差壓變送器，徹底解決了液氨球罐液位測量中氣相管積液的問題，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，充分體現(xiàn)了這一系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)越性。任何測量儀表都有自身的技術(shù)特點(diǎn)與實(shí)用范圍，要獲得良好的工程應(yīng)用，對測量介質(zhì)特性的詳細(xì)了解至關(guān)重要［8］。此外，隨著測量及儀表技術(shù)的發(fā)展，利用微振動傳感分析技術(shù)原理的外測式液位計(jì)已在液氨球罐的液位測量中得到了應(yīng)用