減小吹氣式液位計測量誤差的方法

呂 娜

(喀什大學研究生院，新疆 喀什 844008)

減小吹氣式液位計測量誤差的方法

呂 娜

(喀什大學研究生院，新疆 喀什 844008)

基于吹氣式液位計的工作原理，分析了引起吹氣式液位計測量誤差的外界因素，并針對這些因素提出了相應的改進方案。實際運行結果表明：吹氣式液位計負壓側管線內(nèi)積聚的氣泡被消除后，其測量誤差被控制在3%以內(nèi)，且液位顯示平穩(wěn)。

吹氣式液位計 測量誤差分析 改造

吹氣式液位計是一種非接觸式液位測量儀表，其輸出壓力能夠自動跟隨吹氣管出口壓力的變化而變化，并保持輸出氣體流量穩(wěn)定，通過測量吹氣管間的壓差而測量出被測量罐的液位[1]。吹氣式液位計適用于高溫、高真空、高粘度、強腐蝕性、易凝固、易結晶或含懸浮顆粒聚合物的高溫熔體等各種惡劣工況。

反應器是一種重要的化工機械設備，而化工機械設備是化工企業(yè)生產(chǎn)活動正常進行的基本物質保障，它直接影響著企業(yè)生產(chǎn)計劃和產(chǎn)品交貨期的制定，一旦發(fā)生液位測量不準確導致機械設備故障，就會影響企業(yè)預期生產(chǎn)計劃的完成[2]。目前，吹氣式液位計普遍應用于對化工行業(yè)中反應器液位的測量，因此，為保證吹氣式液位計的測量精確度，對減小吹氣式液位計測量誤差的方法進行探索是十分必要的。在此，筆者對引起吹氣式液位計測量誤差的外界因素進行分析，并提出相應的改進措施，以減小吹氣式液位計的測量誤差。

1 吹氣式液位計的工作原理

一定高度的液體在自身重力的作用下，它作用于底面積上的壓力與液體高度有關。如圖1所示，取液柱的上表面在液面上，液面上方的壓強為p0；取下底面在距離液面h處，作用在它上面的壓強為p，則有：

p=p0+ρgH

(1)

式(1)表明，液體內(nèi)部壓強p隨著p0和H的改變而改變。式(1)又可改寫為：

H=(p-p0)/(ρg)

(2)

式中g——重力加速度；

H——液位高度；

ρ——液體密度。

圖1 差壓變送器測量液位的原理

吹氣式液位計利用靜力學原理，通過差壓變送器正負壓側的壓力不同，形成一定的壓差，實現(xiàn)對反應器中溶液密度和液位的測量。吹氣式液位計的工作原理如圖2所示。一定量的干燥氫氣經(jīng)過轉子流量計進入9/16寸(1寸=33.333mm)的正壓側毛細管內(nèi)，使得管內(nèi)有微量氣泡溢出，然后根據(jù)式(2)即可計算出反應器的液位。同時，在具體的化工生產(chǎn)中使用吹氣式液位計測量反應器液位時，吹氣式液位計負壓側毛細管內(nèi)應避免有液體進入，否則會造成假液位現(xiàn)象或液體進入變送器的現(xiàn)象，導致測量誤差甚至損壞儀表。

圖2 吹氣式液位計的工作原理

2 吹氣式液位計的測量誤差分析

在化工生產(chǎn)過程中，對儀表的測量精確度要求很高。而吹氣式液位計在使用過程中，由于一些外界因素將導致其測量出現(xiàn)誤差。

2.1溶液氣泡

氣泡是由氣液兩相組成的分散系，在工程上一般是由氣體通過小孔進入液層分散而成的。在固定床反應器中，氣體通過反應器底部氣體分布器與溶液接觸，通過溶液層分散形成氣泡。氣泡的形成分為孕育階段、長大階段和脫離階段。在孕育階段，氣體壓力有一個積聚過程，當達到毛細壓力后才能形成氣泡[3]。氣泡有一個氣液接觸界面，在這個界面上有特定的力學性質，當氣泡溶解或長大時，氣液界面會發(fā)生傳質，而氣泡大小發(fā)生變化會驅動周圍溶液流動。這3個過程會相互影響，因此氣泡是一個界面-傳質-流動相互耦合的動態(tài)體系。

由于反應器中的溶液含有大量的水，當未達到反應溫度或溫度不適時在油狀溶液、水和流動氣體共存的狀態(tài)下，極易產(chǎn)生氣泡。氣泡經(jīng)過從下而上流動的氣體的攪動，不斷上升，并在測量液位的負壓側管口處大量積聚，進入管內(nèi)，從而使得管內(nèi)有大量氣泡存在。大量氣泡聚集后進入水平管內(nèi)，無法排出，將造成假液面現(xiàn)象，最終導致測量不準，產(chǎn)生測量誤差。在化工生產(chǎn)過程中，反應器一般以第二個液位計(雷達液位計)作為參照組，通過DCS監(jiān)控對比，判斷吹氣式液位計測量是否準確。當吹氣式液位計負壓側管線內(nèi)有大量氣泡存在時，其測量數(shù)值波動較大，無任何規(guī)律可循，顯示的液位增長或降低數(shù)值也無任何趨勢，嚴重時會從當前液位顯示值直接跳至100%或0%，給化工生產(chǎn)造成極大危險，降低生產(chǎn)效率。

2.2容器外管線受凍

在寒冷的冬季，在反應器外部頂端負壓側管線內(nèi)，由于反應器內(nèi)部溫度較高、外界溫度較低，溫差很大，因此管內(nèi)存在的氣泡極易受冷凝而結成冰，并附著在管內(nèi)，使得差壓變送器測量受阻。嚴重時，液體進入變送器，將使變送器結冰受損，最終導致液位計測量失靈，無法測出液位。

3 減小吹氣式液位計測量誤差的方法

3.1消除氣泡的方法

3.1.1熱力學第一定律

氣泡的穩(wěn)定性可以通過相平衡方程表示：

(3)

式中kB——玻爾茲曼常數(shù)；

patm——大氣壓強；

r——氣泡的曲率半徑；

R——氣體常數(shù)；

T——溫度；

xB——氣體在溶液中的摩爾分數(shù)；

γ——氣液界面的界面能。

當式(3)左側大于0時，氣泡內(nèi)部氣體的化學勢大于溶液中氣體的化學勢，則氣泡溶解；當式(3)左側小于0時，氣泡內(nèi)部氣體的化學勢小于溶液中氣體的化學勢，則氣泡生長變大[4]。所以，要消除氣泡就要破壞氣泡的穩(wěn)定性，使氣泡內(nèi)部氣體的化學勢大于溶液中氣體的化學勢，溫度降低，則氣泡溶解。這樣，反應器中吹氣式液位計的負壓側管口處沒有氣泡大量聚集，所測得的液位就是反應器內(nèi)溶液的真實液位。

3.1.2牛頓第一定律

當氣泡與反應器中的吹氣式液位計管口接觸時，氣泡與固體壁面的附著分為3個階段：接近與接觸階段；固體壁與氣泡之間水化膜變薄和氣泡破裂階段；氣泡附著在固體壁上，克服脫落力影響的階段[5]。當氣泡附著在吹氣式液位計負壓側管壁上時，由于氣泡表面張力的作用，氣泡被束縛，導致氣泡大量積聚，此時反應器內(nèi)上升的氣體帶動氣泡，使得大量氣泡進入負壓側水平管內(nèi)，并存留在管內(nèi)，無法排出[6]。為解決這一問題，利用力學原理，對吹氣式液位計進行改造。改造后的吹氣式液位計工作原理如圖3所示，將吹氣式液位計負壓側的水平管線改為有一定傾斜角度的管線，這樣，利用氣泡自身重力即可克服氣泡與管壁之間的表面張力，使氣泡降落進入反應器內(nèi)。

圖3 改造后的吹氣式液位計工作原理

對吹氣式液位計負壓側豎直管線上能承受的最小距離，進行傾斜角度改造，將原90°的水平管線改為120°，則根據(jù)勾股定理有：

X2+Y2=Z2

式中X——吹氣式液位計至反應器頂端的垂直管線距離；

Y——吹氣式液位計至反應器的水平管線距離；

Z——吹氣式液位計至反應器頂端的斜邊距離。

X的取值范圍為0～80cm，由于X的最大值為80cm，因此改動時，吹氣式液位計負壓側垂直距離不能小于需安裝閥門的尺寸(10～20cm)。安裝閥門時，必須確保閥門無泄漏隱患，利用聲發(fā)射技術，在不拆卸、不影響正常生產(chǎn)的情況下，進行閥門的在線泄漏檢測[7]。吹氣式液位計至反應器的水平管線距離Y是100cm，吹氣式液位計變送器固定安裝高度為160cm。若使重力G產(chǎn)生的分力為最大，由力學知識可知，斜面上重力產(chǎn)生的分力為G×sinβ(β為吹氣式液位計至反應器的水平管線與斜邊的夾角，這里指在90°上增加的量，范圍為0～90°)，則β越大，G×sinβ就越大，產(chǎn)生向下的分力越大，氣泡就越容易克服表面張力下落。又由于β越大，cosβ就會越小，cosβ=Y/Z，因此要求Z值相應增大。不同傾斜角度下所對應的實際距離值見表1。

表1 不同傾斜角度下所對應的實際距離值

由表1可知，當β為30°時，X的數(shù)值為57.73cm，已為其最大值，則吹氣式液位計負壓側豎直高度改為80.00-57.73=22.27cm，傾斜角度90°+30°=120°，斜線長度115.473cm。

由于各廠安裝吹氣式液位計儀表的管線位置不同，在改動管線時，傾斜角度會有所差異，因此應根據(jù)管線所處的最大距離，選擇最大傾斜角度。同時，在進行改造管線的過程中，進行管線焊接時，應當避免由于力學條件因素、淬硬組織因素或者是氫致因素所造成的管線焊接處裂紋，以確保焊接結構的安全性和可靠性[8]。在管線改造后，氣泡會受到重力分力影響，由靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)，使得氣泡順著管壁向下移動，最終進入反應器。

3.2解決管線易凍的方法

由于冬季溫度較低，吹氣式液位計反應器內(nèi)部與外部的管線溫差較大，若反應器外部管線內(nèi)有液體存在，則極易冷凍成冰，附著在管線壁內(nèi)，堵塞管道，使儀表無法正常使用。在化工生產(chǎn)中，為解決管線易凍問題，需要給管線加伴熱。管道熱量損失Q損(單位W/m)的計算式為[9]：

(4)

式中d——管道外徑；

t1——管道介質溫度；

t2——最低環(huán)境溫度；

δ——保溫層厚度；

λ——保溫材料的熱導率。

在實際應用時，需根據(jù)式(4)進行計算，使電伴熱的功率大于管線的熱量損失。同時，也需要給管線涂抹保溫涂料。保溫涂料一般為纖維稠狀膏體，它綜合了涂料和保溫材料的雙重特點，涂抹在要求保溫的設備和管道表面，干燥后即形成具有一定強度和彈性的保溫層，且在設備運轉或振動時不會開裂脫落[10]。

4 實踐效果

通過改造吹氣式液位計，利用溫度因素消除反應器內(nèi)產(chǎn)生的大量氣泡，利用力學因素使吹氣式液位計負壓側管線內(nèi)積聚的氣泡消除，以達到提高吹氣式液位計測量精確度的目的。再次投用吹氣式液位計，從化工廠的DCS監(jiān)控畫面中可以看出，在同一時刻，當雷達液位計測量值分別為45%、47%、44%、42%、49%時，吹氣式液位計測量值分別為43%、44%、41%、40%、46%。從這些數(shù)據(jù)可以看出，吹氣式液位計與雷達液位計測量值趨勢一致，同升同降，兩者之間的測量值差距明顯減小，且吹氣式液位計測量誤差控制在3%以內(nèi)，液位值顯示較平穩(wěn)，無大幅波動。

5 結束語

筆者針對引起吹氣式液位計測量誤差的外界因素，利用熱力學第一定律和牛頓第一定律研究了消除管內(nèi)氣泡的方法，并對原吹氣式液位計進行了改造；同時提出對管線采取電伴熱措施以防止冬季管線凍裂的發(fā)生。實際應用結果表明，吹氣式液位計負壓側管線內(nèi)積聚的氣泡被消除，其測量誤差控制在3%以內(nèi)，液位顯示平穩(wěn)，有效減小了吹氣式液位計的測量誤差，為化工生產(chǎn)中反應器的正常運行提供了保障。

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MethodofReducingAirBlowingLiquidIndicator’sMeasurementError

LV Na

(GraduateSchool,KashiUniversity,Kashi844008,China)

Having the working principle of air blowing liquid indicator based to analyze external factors which influencing the level measurement error and solutions to this error were proposed. The result shows that when the bubbles accumulated within the pipeline at negative pressure side are removed, the indicator’s measurement error can be kept within 3% along with a smooth liquid level indication.

air blowing liquid indicator, measuring error analysis, renovation

2016-01-23(修改稿)

TH816

B

1000-3932(2016)08-0814-04