傳統差壓變送器在液氨球罐液位測量中的局限性及改造

劉燕江

(云南云天化股份有限公司紅磷分公司　云南開遠　661699)

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傳統差壓變送器在液氨球罐液位測量中的局限性及改造

劉燕江

(云南云天化股份有限公司紅磷分公司云南開遠661699)

分析探討了傳統差壓變送器在液氨球罐液位測量中的局限性，介紹了3051S ERS電子遠傳數字差壓液位系統的技術特點。對傳統的差壓變送器采用ERS系統改造后，徹底解決了傳統差壓變送器氣相管積液的問題。

液氨球罐差壓變送器導波雷達液位計3051S ERS

云南云天化股份有限公司紅磷分公司的氨站主要由2只容積為400 m3、內徑為Φ9 200 mm的球罐(1#和2#)和2只容積為1 000 m3、內徑為Φ12 300 mm(3#和4#)的球罐及附屬設施組成，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%，超出此范圍則發出相應的報警信號，因此，液位的準確測量是其安全運行的關鍵。

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，經查為差壓變送器氣相管積液氨(正常測量時是氣氨)，使液位指示值比實際液位低很多。排盡氣相管內的積液后，液位指示恢復正常，但很快又出現積液現象，隨后其他3只球罐也相繼出現同樣的問題。為保證球罐液位的準確測量，每隔30 min左右就需對氣相管進行排液。在液氨球罐差壓變送器氣相管出現積液的時段內，80 kt/a合成氨裝置停車檢修，且預留卸氨的冰機(1 259 kW)出現故障，紅磷分公司外購的液氨只能用氨站2臺冰機(47.2 kW)進行卸氨。由于冰機制冷能力不足，卸入球罐的液氨攜帶的冷量不夠，球罐內的液氨處于亞臨界狀態，差壓變送器氣相管內的氣氨在多種因素作用下轉換為液氨，而液氨卻難以轉化為氣氨，從而產生積液，此過程持續了近15 d。

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270 kt/a和180 kt/a磷酸二銨(DAP)裝置及300 kt/a復混肥(NPK)裝置供應液氨。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，磁性翻板液位計反復上下亂指示，操作人員無法判斷2#球罐內的液位情況，DAP裝置和NPK裝置作緊急停車處理；從18：40開始，每隔15 min對差壓變送器氣相管進行排液；19：20，差壓變送器恢復正常指示，此時2#球罐液位為28%，磁性翻板液位計進行相應的排液操作后也恢復了正常指示。2#球罐差壓變送器液位記錄曲線顯示，在17：08→18:08→18：45的時段內，液位出現先下降后上升再下降且反復波動的趨勢。DAP裝置與NPK裝置正常開車時，液氨用量為20～25 t/h。由于球罐的體積特性，在供氨量穩定的情況下，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，當液位下降至一定值且供氨量大(干擾大)的情況下，球罐內的液氨從亞臨界狀態迅速達到臨界狀態，此時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及供氨的持續，液位進一步下降，使球罐內的液氨達到超臨界狀態，此時氣液兩相相互作用的過程為克服內摩擦力而產生激烈的擾動與渦流[2]，磁性翻板液位計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出現積液的情況，只是不如2011年7月那么頻繁。

2　傳統差壓變送器測量原理及局限性

2.1測量原理

傳統差壓變送器的正壓室(法蘭)接液相，負壓室經導壓管接氣相，其安裝示意見圖1。

圖1　單法蘭差壓變送器安裝示意

根據流體靜力學原理[3]，則有：

P+=ρgh+P氣

(1)

P-=P氣

(2)

ΔP1=P+-P-=ρgh+P氣-P氣=ρgh

(3)

ΔP=ρgH

(4)

h=ΔP1/ρg

(5)

式中：P+——差壓變送器正壓室所受的壓力，Pa；

P-——差壓變送器負壓室所受的壓力，Pa；

h——球罐內的液位高度，m；

ΔP1——液位為h時差壓變送器的差壓值，Pa；

ΔP——液位為100%時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——球罐內的氣相壓力，Pa。

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所示的傳統單法蘭差壓變送器測量液位。在多年的運行過程中，差壓變送器氣相管積液現象只是偶爾出現且積液量不大，對液位測量不產生實質性的影響，日常維護量很小。2014年8月8日2#球罐出現的問題，特別是當罐內的液氨處于臨界及超臨界狀態下，就目前的技術而言，任何類型的測量儀表要在這樣的情況下實現準確測量幾乎是不可能的，因為在那樣的狀態下根本不存在液位。盡管如此，上述2個案例中氣相管頻繁積液也暴露出傳統差壓變送器在液氨球罐液位測量中存在局限性。

雙法蘭差壓變送器是一種成熟可靠的技術，但一直很難在高型容器中得到應用，因為需要更長的毛細管以方便安裝，而過長的毛細管會導致壓力傳輸誤差過大，即當環境溫度變化較大時，毛細管內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。

圖2　雙法蘭差壓變送器及安裝示意

3　導波雷達液位計及3051S ERS電子遠傳數字差壓液位系統

3.1導波雷達液位計

目前，液氨球罐液位測量除采用傳統單法蘭差壓變送器外，還有導波雷達液位計。以基于TDR時域反射原理[4]的導波雷達液位計為例，其安裝示意見圖3。

圖3　導波雷達液位計安裝示意

導波雷達液位計的工作原理：雷達發出的高頻脈沖信號被發射到探頭并沿著纜繩傳播，信號在液氨界面發生反射并沿著纜繩傳遞回來被雷達接收，轉換后得到液位信息。雷達天線到液氨界面的距離d與脈沖信號運行時間t的關系為d=ct/2，其中c為光速。在空高E已知時，液位h=E-d[5]。

采用導波雷達液位計時，若原液氨球罐沒有預留安裝接口，則需在球罐上開DN80 mm的孔安裝接管且必須采用厚壁管焊接結構[6]，同時涉及一些壓力容器手續變更等。導波雷達液位計的纜繩需設置重錘或在球罐底部固定，密封是一個需重點考慮的問題，氨氣冷凝、氣體干擾、油污等易使導波雷達液位計測量結果出現偏差，在線維護困難，在線拆裝更是不可能。總之，導波雷達液位計的安裝、維護等比差壓變送器嚴格、復雜得多[7]。

3.23051S ERS電子遠傳數字差壓液位系統

2011年，艾默生過程管理公司推出了3051S ERS(Electronic remote sensor)電子遠傳數字差壓液位系統，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、數字信號方式連接，可任意設定2臺壓力變送器中的1臺作為功能計算模塊計算出高低壓側的差壓信號，通過標準的兩線制電纜以4～20 mA的HART信號進行相關信息的傳輸。ERS系統是基于艾默生公司先進成熟的3051S壓力變送器平臺，是差壓液位技術的進一步數字化升級，其獨特的數字架構解決了在高型容器/塔、高溫等特殊工況下進行液位、差壓測量的技術難題，在工程應用中具有很多的優點。3051S ERS系統安裝示意見圖4。

圖4　3051S ERS系統安裝示意

3.2.13051S ERS系統的技術特點

3051S ERS系統以數字方式取代了傳統差壓變送器的氣相管和毛細管，有效克服了由環境溫度變化、安裝所引起的放大偏差；響應速度更快，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時間和更加穩定、可重復的測量。

采用3015S ERS系統可充分利用現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管，無需伴熱保溫。因3015S ERS系統本質上就是差壓變送器，不需要進行特別培訓，其每個模塊都可單獨進行更換及維修，過程維護簡單而有效。因取消了氣相管，故不存在氣相管積液的問題。

3.2.2傳統差壓變送器的ERS系統改造及其運行效果

綜合考慮液氨的物性特點及目前球罐液位測量儀表技術、安裝接口等多種因素后，認為選用3051S ERS系統對在用的傳統差壓變送器進行改造是最優的方案。

2013年3月，對1#球罐的傳統差壓變送器采用ERS系統進行了改造。ERS系統投用后，在其量程計算密度條件附近的液位指示基本與磁性翻板液位計一致；在偏離計算密度條件較大時的液位指示與磁性翻板液位計存在一定偏差，這主要是量程的計算密度是一定條件下的定值所造成的，也可以認為是壓力變送器在這種應用下存在的另一個“局限性”，但從多年的運行情況來看，這點偏差不會對正常測量及操作運行產生大的影響。與2#，3#和4#球罐在用的傳統差壓變送器相比，1#球罐改用ERS系統后的反應速度最快、測量最準確、運行效果最好，至今未出現過任何問題。

4　結語

采用ERS系統改造傳統的差壓變送器，徹底解決了液氨球罐液位測量中氣相管積液的問題，經過實踐檢驗，充分體現了這一系統的技術優越性。任何測量儀表都有自身的技術特點與實用范圍，要獲得良好的工程應用，對測量介質特性的詳細了解至關重要[8]。此外，隨著測量及儀表技術的發展，利用微振動傳感分析技術原理的外測式液位計已在液氨球罐的液位測量中得到了應用[9]。

[1]梁利君，鄭長青.球形儲罐技術問答[M].北京：中國石化出版社，2006：2．

[2]胡耀元，趙雷洪，朱凱漢，等.液氨等焓節流效應[J].化工學報，2004(9)：1400- 1405.

[3]朱炳興.變送器選用與維護[M].北京：化學工業出版社，2000：134- 135.

[4]中國石油天然氣集團公司職業技能鑒定指導中心.油品計量工(銷售專用)[M].東營：中國石油大學出版社，2008：236- 238.

[5]吳文瑞.液氨儲罐液位測量儀表的應用比較[J].純堿工業，2014(4)：8- 12.

[6]徐英，楊一凡，朱萍.球罐和大型儲罐[M].北京：化學工業出版社，2004：42.

[7]段傳和.選擇性非催化還原法(SNCR)煙氣脫硝[M].北京：中國電力出版社，2011：167.

[8]劉燕江.自動化儀表的技術特點及維護[J].自動化儀表，2013(4)：87- 90.

[9]陳靖.ELL型外測式液位儀在液氨儲罐上的應用[J].內蒙古石油化工，2014(9):30- 32.

Limitation of Traditional Differential Pressure Transmitter in Liquid Ammonia Spherical Tank Liquid Level Measurement and Renovation

LIU Yanjiang

(Red Phosphorus Branch of Yunnan Yuntianhua Co., Ltd.Yunnan Kaiyuan661699)

The limitation of measuring liquid level in liquid ammonia spherical tank with traditional differential pressure transmitter is analyzed and discussed, the technical characteristics of 3051S ERS, electrics remote digital differential pressure liquid level system, are presented. After the revamp of traditional differential pressure transmitter with ERS, the problem of gas-phase tube liquid accumulation of traditional differential pressure transmitter is solved completely.

liquid ammonia spherical tankdifferential pressure transmitterguided wave radar level gauge3051S electronic remote sensor

劉燕江(1974—)，男，高級工程師，長期從事檢定計量、自動化儀表、DCS系統的運行維護及管理工作；853048261@qq.com。

TP212

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1006- 7779(2016)04- 0050- 04

2015- 01- 21)