差壓式液位測量技術問答(一)

天津石化煉油廠 汪玉忠

問靜壓式測量液位的原理是什么？如何測量液體密度？

答：容器或貯罐內的液位會對其底部及側壁產生壓力，壓力大小是液體密度及高度的函數，當液體的密度不變時，在液體中某一點的壓力是單一高度的函數，液位越高對這一點的壓力就越大。因此，可以利用差壓變送器（或壓力變送器）測得液位的高度，見圖1。

液位高度與靜壓有如下的關系式：

式中：H—液位高度（m）；

P—靜壓（Pa）；

ρ—介質密度（kg/m3）；

g—重力加速度（9.807m/s2）。

圖1 靜壓式測量液位

當密度ρ為變量時公式（1-1）也成立，在實際生產過程密度ρ的求法如下：

在容器中取兩個固定測量點，上面一點為p1、下面一點為p2，兩點之間的高度為H，設容器的橫截面積為S0。則：

式中 為常數，由上式（1-2）可知，若知道（p1－p2）值就可以計算出液體密度ρ值。

問：用壓力變送器測量液位為何出現遷移，如何計算？

答：在測量容器或貯罐液位時，往往取壓口與變送器的引壓室不在同一水平線上。當變送器安裝的位置低于取壓口的位置時，就會把引壓管中存在的一段附加液柱壓力引到變送器內并產生測量誤差；為了消除附加液柱引起的附加誤差，在變送器中，用遷移機構或電路去掉附加液柱的壓力值，使變送器輸出與液柱變化值呈現一一對應的關系，稱作正遷移；或者變送器安裝的位置高于取壓口的位置時，就會存在引壓管中一段液柱與被測液位抵消也產生測量誤差，需要負遷移。如圖2所示。

圖2 壓力變送器測量液位

應該指出此種方案中的負遷移存在問題，使變送器位置不能高出液位的波動下限，否則會造成誤差或者造成無法測量，所以在工程中一般不采用。

圖2（b）中A曲線表示無遷移；B曲線正遷移；C表示負遷移曲線。

計算正遷移量pz和負遷移量pF：

式中：ρ—介質密度；

g—重力加速度；

H1—取壓嘴子距變送器取壓室（下方）垂直高度；

H2—取壓嘴子距變送器取壓室（上方）垂直高度。

問 用差壓變送器測量液位為何出現負遷移，如何計算？

答：如圖3所示，用差壓變送器測量液位時，變送器的正壓室接到容器的下取壓口，而負壓室接到容器的上取壓口。

圖3 差壓變送器測量液位

在實際應用中差壓變送器一般放在下取壓口的下面，由于下取壓口到變送器的正壓室的引壓管已被被測介質充滿，而上取壓口到變送器負壓室的引壓管理論上是氣相。但在實際生產過程中，由于液位波動或氣相冷凝會有液體聚集在負壓的引壓管內，使變送器的負壓始終受到積液壓力的影響，且此壓力是不斷變化的，從而形成不穩定的零點漂移（稱為零漂）。為了克服零漂的有效方法是在負壓管中灌滿液體，但同時增加了附加的液柱壓力。

應該指出，從下取壓口到變送器正壓室的引壓管已被介質充滿，這本身就是正遷移，負壓管中灌滿液體，這本身就是負遷移。由于從下取壓口到變送器取壓室的引壓管的正負遷移相抵消，余下的負導壓管高度，如果乘以隔離液的密度為負遷移量，如果乘以介質的密度為量程。所以在一般情況下，差壓變送器測量液位沒有體現出正遷移，只有負遷移。在變送器中采用遷移機構或電路消除此附加壓力的影響，負遷移用pF表示。

一般在儀表啟動前在正負引壓導管中灌滿隔離液，設容器無液面時的靜壓力為p0，則負遷移pF的計算方法為：

式中：H1— 下取壓口距變送器的垂直高度（m）；

H2— 上、下取壓口之間的垂直高度（m）；

ρ— 所充灌隔離液的密度（kg/m3）；

g — 重力加速度。

由式（3-1）可以看出，由于在正負引壓導管中灌滿隔離液，在儀表的正、負壓室之間始終存在一個壓力差并作用在變送器的負壓室上。

問如何用壓力表測量高位水槽的液位？

圖4 壓力表測量高位水槽液位

答：如圖4所示，壓力表通過引壓管與水槽底部相接，由壓力表可以讀出液位的高度值。由于壓力表的位置低于水槽，因此會產生一段附加誤差（H高度水柱壓力）。在壓力表啟動前，可以先將其遷移掉（如圖中的0-0′段）。

此種測量適用于潔凈、粘度較小的液體，典型的應用實例如火車客運車廂衛生間水槽液位指示。如果需要遠傳可以把壓力表改為壓力變送器。

問 用差壓變送器測量生產過程中（塔、罐或容器）的液位時，有幾種方法，各有什么特點？

答：用普通差壓變送器測量生產過程中的液位常有4種情況，如圖5所示。

5（a）圖適用潔凈、粘度較小的液體，被測介質直接引入變送器的正壓室。負壓室為氣相，在一次閥后有一個倒U形管，防止液位波動時液體進入負壓管；在負壓管末端安裝排污器，對積存的污液可以定期排掉；變送器負壓室至下取壓口間的導壓管應充滿被測介質。此方案沒有遷移量，儀表量程為： 。

5（b）圖適用潔凈、粘度較小的液體，被測介質直接引入變送器的正、負壓室。正、負引壓管均存在遷移，并有部分抵消，實際使用時只有負遷移。負遷移量為：儀表量程為：。負壓管沖灌不容易揮發的介質作為隔離液，密度為ρ1。

圖5 普通差壓變送器測量液位方法

5（c）圖適用粘度較大、較臟的液體。正、負壓管均沖灌隔離液，其密度ρ1要大于介質密度并與被測介質ρ不相溶，對被測介質無影響。在煉油系統常用乙二醇。負遷移量為：；儀表量程為： 。

5（d）圖是在（c）圖的基礎上，防止長期運行的隔離液被工藝介質沖掉，斷續打入隔離液，如乙二醇等。

問用差壓變送器測量較輕化工原料的液位是如何實現的？舉例說明。

圖6 差壓變送器測量輕原料液位

答：圖6是石化乙烯裝置脫甲烷塔底液位測量系統，由于介質容易汽化，在正壓導管中采用蒸汽伴熱，使導管內液體全部汽化，以氣相引入差壓變送器的正壓室。此時引到差壓變送器正壓室的壓力為pZ，當忽略氣相密度與高度的影響時，pZ= pA。可計算如下：

此方法無遷移量。

伴熱說明：

（1）如果停掉伴熱，或伴熱溫度太低，正壓導管中會有積液，差壓變送器指示偏低，甚至指示零下值；

（2）若伴熱溫度過高，正壓導管內氣相溫度不斷升高。由于導管內容積不變，則其導管內壓力不斷升高，會影響測量結果，同時浪費能源；

（3）合理的伴熱方法是在安全防爆的條件下，采用電伴熱控制溫度。

問 用實例說明灌隔離液的差壓變送器測量液位時，量程及遷移量如何計算？

圖7 灌隔離液法測量液位

答：如圖7，已知h1=250cm、h2=300cm、被測介質密度ρ1=850kg/m3、隔離液為甘油水溶液ρ2=1200kg/m3，計算如下：

在液位最低、不考慮氣相密度影響時，差壓變送器正負室壓力為：

問 用差壓變送器測量液位時，使用了隔離液，應如何調整零點？

圖8 灌隔離液法測量液位系統

答：見圖8，表示正、負壓導管均沖灌隔離液的情況。在無液面時，由于負壓導管的壓力大于正壓導管的壓力，需要對差壓變送器的零點進行調整。

（1）差壓變送器本身的零點調整：首先關閉二次閥3、4，關閉放空閥8、9，打開平衡閥5，將變送器的零點調整為零；

（2）整個液面測量系統零點的調整：首先關閉一次閥1、2，平衡閥5，打開二次閥3、4。在沖灌好隔離液后，然后通過差壓變送器上的負遷移裝置，將輸出值調到零點為止。在調零過程中不能打開平衡閥5，一旦閥5被打開兩管中的隔離液將流動，會使零點發生變化。

問 雙室平衡器的工作原理是什么？

答：在測量鍋爐汽包水位時，絕大多都采用雙室平衡器與差壓變送器結合測量水位，這種方法是從單室平衡器改進而來。從平衡器的結構上分為兩種，即普通雙室平衡器和中間抽出式雙室平衡器。兩者的基本原理是一樣的，但是在結構上有所不同。如圖9所示。

圖9 雙室平衡器種類

雙室平衡器從本質上看，它是一個水位高度轉換為靜差壓的容器，從而實現用靜差壓法測量汽包水位。由于雙室平衡器內管與汽包內腔形成U型管連通器，兩個液柱對底部產生的壓力是相等的。由于U型管連通器兩管溫度不同，密度不等，所以兩個液柱高度不一定相等，但是它們對U型管連通器底部產生的壓力是一樣大小。在一般情況下兩管液柱高度有一微小差異。

（a）普通雙室平衡器的工作原理

如圖9（a）所示，在雙室平衡器內有一根連通管下部與汽包下取壓口相連，上部開口，其高度與上取壓口等高。在連通管周圍至容器內壁間的環形空間為參考室。從連通管和參考室的下部分別引出導壓管接到差壓變送器上。

正常工作時，容器內的飽和蒸汽不斷冷凝，冷凝水集聚在參考室內，多余的冷凝水流入連通管內或從上取壓口流回到汽包內，使參考室內的水位高度一直保持不變。

（b）中間抽出式雙室平衡器的工作原理

如圖9（b）所示，它的結構比較復雜。在容器內部有一連通管，下部與汽包下取壓口連接并有導壓管接差壓變送器，連通管上部高度高于汽包上取壓口。在連通管周圍有漏水盤、集液杯，杯底有中間抽出管，并接到差壓變送器。還有溢流室，底部有口接冷凝液回收系統。

正常工作時，容器內的飽和蒸汽不斷冷凝，集聚在漏水盤上，并不斷地滴落在集液杯中，當集液杯水滿后流到溢流室，并從下部口流到冷凝水回收系統。這樣溢流室是空的，目的是對集液杯內的水起到保溫作用，使其水溫接近連通管內的水溫，不受環境溫度變化的影響。集液杯水位高度為參考值，與連通管內的水位形成差壓。

由于中間抽出式雙室平衡器設計巧妙，其本身具有一定的飽和壓力波動的補償作用。

問：用實例說明測量鍋爐汽包水位時如何計算差壓變送器的量程和負遷移量？

答：根據流體力學原理：

（2）計算負遷移量：當水位最低時，正、負壓室的壓力差為負遷移量。

在實際使用當中的汽包與雙室平衡器內有三種水的密度：汽包內水密度ρw、連通管內水柱密度ρ2和參考室水密度ρ1。三者關系很復雜，其中ρ1和ρ2是與雙室平衡器的結構、靠近汽包遠近、環境溫度變化和保溫情況均有關系。即沒有公共的參考值，又不能準確測量。

在實際處理時，連通管內水柱密度ρ2可以不考慮；參考室水密度ρ1可以測量雙室平衡器表面溫度和雙室平衡器安裝位置、保溫情況、現場溫度等來決定；汽包內水密度ρw由飽和蒸汽溫度經過查表得到。

圖10 測量鍋爐汽包水位系統圖

實例見圖10在華北地區的60t、4.0MPa的中壓鍋爐，測量鍋爐汽包水位一般采用普通雙室平衡器，當飽和水蒸氣壓力ps=4.00MPa，水蒸氣密度ρs=20.1kg/m3，汽包水密度ρw=799.0kg/m3（tw =250℃)，ρ1=915.0kg/m3（估算t1=150℃），h1=0.6m，h2=1.5m時計算方法如下：

說明1：本方法計算量程所采用的密度為汽包內的水密度，如果平衡器內的水密度可知，來計算量程更準。

說明2：如果采用中間抽出式雙室平衡器，在要求嚴格條件下要考慮由于兩抽出口位置不同所引起一小段引壓管內水密度差值，而在一般情況下按上式計算。

問 鍋爐汽包水位采用單室取壓器為什么不好用？

答：鍋爐汽包水位測量早期采用單室取壓器組成的測量系統，如圖11所示。

圖11 鍋爐汽包水位單室取壓系統

該系統組成簡單，在汽包的上部與下部各有一個取壓口，分別安裝一次閥和集氣器，由集氣器下部將壓力引到差壓儀表。這種方法是利用靜壓測量液位的原理，在其他場合測量液位很好用，但在鍋爐汽包的液位測量卻不好用，其原因如下：

（1）在正常運行的鍋爐汽包中，水是沸騰的。所謂沸騰就是指在汽包內，氣泡產生于汽包內壁并隨之上升，由于產生的氣泡太多，它們之間相互碰撞并滾動上升，與此同時還存在一股股熱流也隨之上升，氣流與汽泡在上升過程中是無規律移動運動。當氣泡到達水面后開始破裂，形成水、蒸汽的界面，由于熱流的一部分能量消耗在水中，另一部分水變成蒸汽。

在汽包下取壓口附近，經常會有氣泡或熱流竄入到下取壓口內，進入單室的集氣器內產生“脈沖式沖擊流”，并且通過導管直接作用在差壓儀表的正壓室，而負壓時不會受到“脈沖式沖擊流”的作用，因此對差壓變送器測量水位造成很大的波動。

（2）在汽包上取壓口的集氣器中，始終保持平靜的參考水位，它雖然沒有受到“脈沖式沖擊流”的作用，但由于它所處的環境單室集氣器的體積很小，非常容易受到環境溫度變化的影響，其內部冷凝水的密度是經常變化的。

鑒于上述兩點原因，特別是第一點原因，差壓變送器測量中經常出現大的波動，自然會產生測量誤差，經常有滿量程的20%～30%劇烈波動。這就是單室取壓器測量汽包水位不好用的根本原因。