大型儲(chǔ)罐液位計(jì)-電子差壓液位計(jì)應(yīng)用案例詳解
摘要：以公司新建萬(wàn)方儲(chǔ)罐和大型球罐液位測(cè)量為例, 簡(jiǎn)單介紹原有的測(cè)量方案雷達(dá)和伺服液位計(jì)的原理, 詳述此兩種液位計(jì)在公司實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題, 通過(guò)故障現(xiàn)象分析, 結(jié)合測(cè)量介質(zhì)特性分析, 以及溫度對(duì)介質(zhì)揮發(fā)性的影響, 進(jìn)而提出改用電子差壓液位計(jì), 并詳細(xì)介紹其工作原理、優(yōu)勢(shì)、使用情況。經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行效果驗(yàn)證, 減少了現(xiàn)場(chǎng)儀表工日常操作與維護(hù)工作量, 提高了測(cè)量的穩(wěn)定性和性, 使生產(chǎn)核算更加精準(zhǔn), 為噸產(chǎn)品消耗提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
0、引言：
儲(chǔ)罐是石化企業(yè)儲(chǔ)存液體物料的主要設(shè)備, 按照儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)形式不同可分拱頂罐、外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐、球罐、臥罐等。
近年來(lái)工廠實(shí)行新的設(shè)計(jì)模式, 罐區(qū)布置相對(duì)集中, 測(cè)量工藝參數(shù)逐步增加, 例如:溫度、液位、壓力等, 隨著2011年安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的第40號(hào)令, 要求“涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級(jí)或二級(jí)重大危險(xiǎn)源, 配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng) (SIS) ”, 同時(shí), 儲(chǔ)罐作為成品的儲(chǔ)存, 在公司內(nèi)部, 液位計(jì)也作為班產(chǎn)計(jì)量、分廠內(nèi)部貿(mào)易核算的重要數(shù)據(jù)。所以, 儲(chǔ)罐的液位監(jiān)控逐步成為重中之重。
公司目前儲(chǔ)罐種類有球罐、內(nèi)浮頂罐、臥式罐, 其中二甲醚球罐、氨球罐、10000m3甲醇儲(chǔ)罐直接構(gòu)成一級(jí)重大危險(xiǎn)性。其中二甲醚球罐直徑20m、氨球罐直徑15m、10000m3甲醇罐高度在35m左右。每個(gè)儲(chǔ)罐均配套3個(gè)液位計(jì), 三取二進(jìn)入SIS系統(tǒng), 同球罐的進(jìn)出口切斷閥構(gòu)成緊急安全切斷功能。
圖1 伺服液位計(jì)原理圖Fig.1 Servo level meter schematic
1、儲(chǔ)罐液位選型原則：
儲(chǔ)罐液位儀表在一般設(shè)計(jì)規(guī)范中無(wú)明確規(guī)定, 選型是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。主要考慮儀表精度、檢測(cè)方式、穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境要求、投資等。常用的有:雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)、差壓液位計(jì)等。每種儀表都有其自身的優(yōu)點(diǎn)及適合的工況, 簡(jiǎn)單介紹兩種液位測(cè)量原理。
1) 雷達(dá)液位計(jì)
發(fā)射-反射-接收尾雷達(dá)液位計(jì)的基本工作原理, 其***大特點(diǎn)是惡劣工況條件下功效顯著, 無(wú)論是有毒介質(zhì), 還是腐蝕性介質(zhì), 也無(wú)論是固體、液體還是粉塵性、漿狀介質(zhì), 雷達(dá)液位計(jì)的典型波段為5.8GHz、10GHz、24GHz, 通常稱5.8GHz (或6.3GHz) 的頻率為C波段微波, 10GHz的頻率為X波段微波, 24GHz的頻率為K波段微波
介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)電磁波的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面, 一是影響介質(zhì)表面對(duì)電磁波的吸收 (反射) 率, 二是電磁波在穿過(guò)介質(zhì)時(shí)波長(zhǎng) (頻率) 會(huì)發(fā)生改變。雷達(dá)電磁波的反射率受下面條件影響:衰減系數(shù)與電導(dǎo)率 (σ) 與磁導(dǎo)率 (μ) 的平方根成正比, 與介電常數(shù) (ε) 的平方根成反比。換言之, 被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)越大, 衰減率越小, 所以介電常數(shù)大→反射率強(qiáng)→信號(hào)強(qiáng)度高;反過(guò)來(lái), 介電常數(shù)小→反射率小→信號(hào)強(qiáng)度弱。
2) 伺服液位計(jì)
也稱作鋼帶液位計(jì), 基于浮力力平衡的原理, 由微伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子。浮子在被測(cè)液體表面上下浮動(dòng)。在溫度較高, 易產(chǎn)生揮發(fā)后冷凝物是粘性介質(zhì)且震動(dòng)大的場(chǎng)合下, 不適合使用。
伺服液位計(jì)采用波動(dòng)積分電路, 消除抖動(dòng), 延長(zhǎng)壽命, 提高液位測(cè)量精度。現(xiàn)代伺服液位計(jì)的測(cè)量精度較高, 已達(dá)到40m量程內(nèi)小于1mm的精度, 且一般都具有測(cè)量密度分布和平均密度的功能。但是其價(jià)格較高, 維護(hù)量大而且備品備件的費(fèi)用較高。
圖2 伺服液位計(jì)一般安裝方式Fig.2 General installation method of servo liquid level meter
2、公司目前大型儲(chǔ)罐測(cè)量現(xiàn)狀：
常壓氨儲(chǔ)罐配置伺服液位計(jì), 經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行, 無(wú)法滿足使用要求, 故障現(xiàn)象如下:
1) 鋼帶經(jīng)常斷裂:伺服機(jī)構(gòu)安裝在儲(chǔ)罐EL2.0m層, 鋼帶經(jīng)常在彎處發(fā)生斷裂。
2) 罐頂鋼帶密封處泄漏, 由于鋼帶經(jīng)常上下移動(dòng), 導(dǎo)致密封處大量的氨氣泄漏。
3) 隨著時(shí)間, 測(cè)量誤差逐步偏大。由于存在可動(dòng)部件, 磨損是必然存在的, 導(dǎo)致誤差逐步增大。
常壓氨儲(chǔ)罐高度為28m, 采用帶引導(dǎo)鋼絲的浮球, 在儲(chǔ)罐制作即將完成后, 在罐底部焊接鋼絲固定紐扣。連接浮子的為扁平鋼帶, 并非鋼絲等圓柱形結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致罐頂密封處泄漏嚴(yán)重, 長(zhǎng)期存在氨氣, 密封處填料規(guī)格特殊, 采購(gòu)價(jià)格居高不下。
此次采用的鋼帶為304SS扁平鋼帶, 厚度1mm, 寬度10mm, 鋼帶中心打圓孔, 伺服機(jī)構(gòu)的齒輪同鋼帶中心圓孔耦合, 達(dá)到浮子升降的檢測(cè), 如圖2所示。鋼帶整體長(zhǎng)度在40m左右, 經(jīng)過(guò)多處彎折, 造成鋼帶后期斷裂情況頻發(fā), 后期維護(hù)量大。
二甲醚球罐配置一臺(tái)雷達(dá)液位計(jì), 在使用過(guò)程初期, 液位波動(dòng)嚴(yán)重, 后期無(wú)法輸出, 指示***大。從表1
投運(yùn)前期, 雷達(dá)液位計(jì)與球罐靜壓液位計(jì)趨勢(shì)基本一致, 運(yùn)行一個(gè)月后, 陸續(xù)出現(xiàn)測(cè)量值失真的現(xiàn)象, 故障表現(xiàn)為測(cè)量值恒為常數(shù), 斷電重啟后, 指示恢復(fù)正常。運(yùn)行后期, 測(cè)量值漂移, 給出假液位。當(dāng)液位較低時(shí)候, 雷達(dá)波可能發(fā)生穿透介質(zhì), 產(chǎn)生的虛假回波為罐底產(chǎn)生的回波, 導(dǎo)致假液位。3個(gè)月后雷達(dá)液位計(jì)指示恒值, 由于球罐一直處在生產(chǎn)中, 并且介質(zhì)無(wú)法排凈置換, 一直無(wú)法對(duì)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行拆檢, 造成了維修困難。二期球罐安裝過(guò)程中, 對(duì)于球罐測(cè)量?jī)x表, 均配置隔離檢修球閥。
表1 恒溫下液體二甲醚的介電常數(shù)Table 1 Dielectric constant of liquid dimethyl ether at constant temperature 下載原表
經(jīng)過(guò)故障總結(jié), 大致認(rèn)為雷達(dá)液位計(jì)無(wú)法使用的主要原因如下:一是, 二甲醚揮發(fā)性的特性, 即有可能在天線部位產(chǎn)生凝露, 或探頭粘附污物使信號(hào)發(fā)送不出去;二是, 雷達(dá)安裝在球罐頂部氣相部位, 溫度變化大, 其介電常數(shù)造成信號(hào)弱, 無(wú)法對(duì)回波進(jìn)行有效地接收和處理。
3、電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)：
經(jīng)過(guò)實(shí)際使用的伺服液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)對(duì)易揮發(fā)性的二甲醚和液氨的實(shí)際效果, 公司對(duì)新建的儲(chǔ)罐區(qū)域液位測(cè)量改用電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)。
電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì), 采用兩個(gè)壓力變送器分別測(cè)量?jī)?chǔ)罐的液相側(cè)和氣相側(cè)壓力, 通過(guò)專用數(shù)據(jù)線將未經(jīng)調(diào)制解調(diào)的氣相側(cè)壓力數(shù)字信號(hào)傳送至液相側(cè)傳感器中, 進(jìn)行差壓計(jì)算, 計(jì)算完成后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的兩線制4mA～20mA信號(hào)或各種總線協(xié)議
目前生產(chǎn)電子遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)的主流國(guó)外廠家, 有使用業(yè)績(jī)的廠家有羅斯蒙特、E+H、日本橫河, 其中羅斯蒙特和日本橫河是將氣相側(cè)傳感器壓力信號(hào)引至液相側(cè)傳感器直接進(jìn)行差壓計(jì)算模式, 而E+H采用氣相側(cè)和液相側(cè)傳感器引入一個(gè)變送器中再進(jìn)行差壓計(jì)算的模式
電子遠(yuǎn)程傳感技術(shù)的應(yīng)用, 使數(shù)字結(jié)構(gòu)取代了機(jī)械結(jié)構(gòu), 即使在大范圍變化的溫度下也可以具備更快的響應(yīng)時(shí)間和一個(gè)更加穩(wěn)定和可重復(fù)的測(cè)量, 測(cè)量精度可以提高10倍以上, 取消了模/數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)化之間的分辨率誤差, 以及轉(zhuǎn)換芯片的外圍電路的影響。數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模擬量傳輸, 縮短了信號(hào)響應(yīng)時(shí)間, 減少了測(cè)量誤差累積, 消除環(huán)境溫度造成的測(cè)量偏差。通過(guò)總線協(xié)議的讀取, 可以分別讀取氣相側(cè)和液相側(cè)的壓力, 實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的測(cè)量。
雙法蘭差壓液位系統(tǒng)是一個(gè)成熟可靠的技術(shù), 但是一直很難在高型容器和塔中得到應(yīng)用, 因?yàn)檫@些需要更長(zhǎng)的毛細(xì)管以方便安裝, 距離過(guò)長(zhǎng)的毛細(xì)管使得壓力的傳輸變得誤差過(guò)大, 并且在環(huán)境溫度變化較大的時(shí)候變得明顯。同時(shí)安裝過(guò)程要求較高, 引壓管可能并不可靠, 都是非常嚴(yán)重的困擾。
近年來(lái)數(shù)字化的技術(shù)發(fā)展, 電子遠(yuǎn)程差壓液位計(jì)逐步投運(yùn)在大型的高型容器。電子差壓液位計(jì)在公司10000m3儲(chǔ)罐、球罐上使用兩年來(lái), 基本處于免維護(hù)狀態(tài)。通過(guò)HART總線同公司設(shè)備管理系統(tǒng)對(duì)接, 提供每個(gè)壓力變送器讀數(shù)的實(shí)時(shí)訪問(wèn)和液位或體積測(cè)量輸出;可以通過(guò)傳感器的自我診斷功能和可選配的過(guò)程報(bào)警功能, 實(shí)現(xiàn)回路的主動(dòng)維護(hù)和故障排除。整個(gè)系統(tǒng)為4mA～20mA兩線制回路, 在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手提電腦或手操器即可輕松進(jìn)行參數(shù)配置、調(diào)試和故障診斷。
4、結(jié)束語(yǔ)：
電子差壓液位計(jì)通過(guò)數(shù)字化總線傳輸數(shù)據(jù), 使得響應(yīng)時(shí)間的改進(jìn)超過(guò)了90%, 消除了環(huán)境溫度影響, A/D轉(zhuǎn)換及外圍電路的誤差?；芈方泳€盒LCD顯示靈活方便, 遠(yuǎn)程顯示和接口連接也比較方便, 對(duì)于大型儲(chǔ)罐液位測(cè)量而言, 其安裝、調(diào)試方便, 豐富的總線技術(shù)利于智能化工廠的智能設(shè)備管理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)兩年的運(yùn)行效果驗(yàn)證, 其穩(wěn)定性高, 一直作為公司核算生產(chǎn)指標(biāo)的重要儀表, 降低了維護(hù)工作量, 測(cè)量更加準(zhǔn)確。