電子差壓液位計在大型儲罐的應(yīng)用

朱迎紅，任立金

（河南心連心化肥有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700）

0 引言

儲罐是石化企業(yè)儲存液體物料的主要設(shè)備，按照儲罐的結(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。

近年來工廠實行新的設(shè)計模式，罐區(qū)布置相對集中，測量工藝參數(shù)逐步增加，例如：溫度、液位、壓力等，隨著2011年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的第40號令，要求“涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或二級重大危險源，配備獨立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）”，同時，儲罐作為成品的儲存，在公司內(nèi)部，液位計也作為班產(chǎn)計量、分廠內(nèi)部貿(mào)易核算的重要數(shù)據(jù)。所以，儲罐的液位監(jiān)控逐步成為重中之重。

公司目前儲罐種類有球罐、內(nèi)浮頂罐、臥式罐，其中二甲醚球罐、氨球罐、10000m3甲醇儲罐直接構(gòu)成一級重大危險性。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。每個儲罐均配套3個液位計，三取二進入SIS系統(tǒng)，同球罐的進出口切斷閥構(gòu)成緊急安全切斷功能。

圖1 伺服液位計原理圖Fig.1 Servo level meter schematic

1 儲罐液位選型原則

儲罐液位儀表在一般設(shè)計規(guī)范中無明確規(guī)定，選型是根據(jù)實踐經(jīng)驗總結(jié)。主要考慮儀表精度、檢測方式、穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境要求、投資等。常用的有：雷達液位計、伺服液位計、差壓液位計等。每種儀表都有其自身的優(yōu)點及適合的工況，簡單介紹兩種液位測量原理。

1）雷達液位計

發(fā)射-反射-接收尾雷達液位計的基本工作原理，其最大特點是惡劣工況條件下功效顯著，無論是有毒介質(zhì)，還是腐蝕性介質(zhì)，也無論是固體、液體還是粉塵性、漿狀介質(zhì)，雷達液位計的典型波段為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[1]，在傳輸過程中不需要傳輸媒介的傳遞。因此，幾乎不受溫度、壓力（真空）甚至粉塵的干擾，唯一需要考慮的是介質(zhì)的介電常數(shù)。

介電常數(shù)對雷達電磁波的影響體現(xiàn)在兩個方面，一是影響介質(zhì)表面對電磁波的吸收（反射）率，二是電磁波在穿過介質(zhì)時波長（頻率）會發(fā)生改變。雷達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→信號強度高；反過來，介電常數(shù)小→反射率小→信號強度弱。

2）伺服液位計

也稱作鋼帶液位計，基于浮力力平衡的原理，由微伺服電機驅(qū)動體積較小的浮子。浮子在被測液體表面上下浮動。在溫度較高，易產(chǎn)生揮發(fā)后冷凝物是粘性介質(zhì)且震動大的場合下，不適合使用。

圖2 伺服液位計一般安裝方式Fig.2 General installation method of servo liquid level meter

伺服液位計采用波動積分電路，消除抖動，延長壽命，提高液位測量精度。現(xiàn)代伺服液位計的測量精度較高，已達到40m量程內(nèi)小于1mm的精度，且一般都具有測量密度分布和平均密度的功能。但是其價格較高，維護量大而且備品備件的費用較高。

2 公司目前大型儲罐測量現(xiàn)狀

常壓氨儲罐配置伺服液位計，經(jīng)過一年的運行，無法滿足使用要求，故障現(xiàn)象如下：

1）鋼帶經(jīng)常斷裂：伺服機構(gòu)安裝在儲罐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，導(dǎo)致密封處大量的氨氣泄漏。

3）隨著時間，測量誤差逐步偏大。由于存在可動部件，磨損是必然存在的，導(dǎo)致誤差逐步增大。

常壓氨儲罐高度為28m，采用帶引導(dǎo)鋼絲的浮球，在儲罐制作即將完成后，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重，長期存在氨氣，密封處填料規(guī)格特殊，采購價格居高不下。

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，伺服機構(gòu)的齒輪同鋼帶中心圓孔耦合，達到浮子升降的檢測，如圖2所示。鋼帶整體長度在40m左右，經(jīng)過多處彎折，造成鋼帶后期斷裂情況頻發(fā)，后期維護量大。

二甲醚球罐配置一臺雷達液位計，在使用過程初期，液位波動嚴重，后期無法輸出，指示最大。從表1[2]中可以得出，在273K～308K溫度區(qū)間二甲醚液體和二甲醚蒸汽的介電常數(shù)變化非常大，足以對雷達液位計造成干擾。

投運前期，雷達液位計與球罐靜壓液位計趨勢基本一致，運行一個月后，陸續(xù)出現(xiàn)測量值失真的現(xiàn)象，故障表現(xiàn)為測量值恒為常數(shù)，斷電重啟后，指示恢復(fù)正常。運行后期，測量值漂移，給出假液位。當液位較低時候，雷達波可能發(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個月后雷達液位計指示恒值，由于球罐一直處在生產(chǎn)中，并且介質(zhì)無法排凈置換，一直無法對雷達液位計進行拆檢，造成了維修困難。二期球罐安裝過程中，對于球罐測量儀表，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

經(jīng)過故障總結(jié)，大致認為雷達液位計無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發(fā)送不出去；二是，雷達安裝在球罐頂部氣相部位，溫度變化大，其介電常數(shù)造成信號弱，無法對回波進行有效地接收和處理。

3 電子遠傳差壓液位計

經(jīng)過實際使用的伺服液位計和雷達液位計對易揮發(fā)性的二甲醚和液氨的實際效果，公司對新建的儲罐區(qū)域液位測量改用電子遠傳差壓液位計。

電子遠傳差壓液位計，采用兩個壓力變送器分別測量儲罐的液相側(cè)和氣相側(cè)壓力，通過專用數(shù)據(jù)線將未經(jīng)調(diào)制解調(diào)的氣相側(cè)壓力數(shù)字信號傳送至液相側(cè)傳感器中，進行差壓計算，計算完成后轉(zhuǎn)換成標準的兩線制4mA～20mA信號或各種總線協(xié)議

目前生產(chǎn)電子遠傳差壓液位計的主流國外廠家，有使用業(yè)績的廠家有羅斯蒙特、E+H、日本橫河，其中羅斯蒙特和日本橫河是將氣相側(cè)傳感器壓力信號引至液相側(cè)傳感器直接進行差壓計算模式，而E+H采用氣相側(cè)和液相側(cè)傳感器引入一個變送器中再進行差壓計算的模式[3]。

電子遠程傳感技術(shù)的應(yīng)用，使數(shù)字結(jié)構(gòu)取代了機械結(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)時間和一個更加穩(wěn)定和可重復(fù)的測量，測量精度可以提高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)字信號傳輸?shù)臅r延遠遠低于模擬量傳輸，縮短了信號響應(yīng)時間，減少了測量誤差累積，消除環(huán)境溫度造成的測量偏差。通過總線協(xié)議的讀取，可以分別讀取氣相側(cè)和液相側(cè)的壓力，實現(xiàn)多參數(shù)的測量。

雙法蘭差壓液位系統(tǒng)是一個成熟可靠的技術(shù)，但是一直很難在高型容器和塔中得到應(yīng)用，因為這些需要更長的毛細管以方便安裝，距離過長的毛細管使得壓力的傳輸變得誤差過大，并且在環(huán)境溫度變化較大的時候變得明顯。同時安裝過程要求較高，引壓管可能并不可靠，都是非常嚴重的困擾。

近年來數(shù)字化的技術(shù)發(fā)展，電子遠程差壓液位計逐步投運在大型的高型容器。電子差壓液位計在公司10000m3儲罐、球罐上使用兩年來，基本處于免維護狀態(tài)。通過HART總線同公司設(shè)備管理系統(tǒng)對接，提供每個壓力變送器讀數(shù)的實時訪問和液位或體積測量輸出；可以通過傳感器的自我診斷功能和可選配的過程報警功能，實現(xiàn)回路的主動維護和故障排除。整個系統(tǒng)為4mA～20mA兩線制回路，在現(xiàn)場通過手提電腦或手操器即可輕松進行參數(shù)配置、調(diào)試和故障診斷。

4 結(jié)束語

電子差壓液位計通過數(shù)字化總線傳輸數(shù)據(jù)，使得響應(yīng)時間的改進超過了90%，消除了環(huán)境溫度影響，A/D轉(zhuǎn)換及外圍電路的誤差。回路接線盒LCD顯示靈活方便，遠程顯示和接口連接也比較方便，對于大型儲罐液位測量而言，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)過兩年的運行效果驗證，其穩(wěn)定性高，一直作為公司核算生產(chǎn)指標的重要儀表，降低了維護工作量，測量更加準確。