二甲醚球罐液位計的改進

程書全，王永志

（中國平煤神馬集團許昌首山化工科技有限公司，河南 許昌 471000）

0 引言

中國平煤神馬集團許昌首山化工科技有限公司20萬噸/年二甲醚裝置，2010年底投入運行，作為配套設施的2臺4000m3二甲醚球罐（V202A/B）同時投入使用。球罐的遠傳液位（LT202A/B）原設計為導波雷達液位計，生產初期，球罐投入使用后遠傳液位計不能正常工作，后通過對現場磁翻板液位計增加干簧管進行液位信號的傳送。隨著各級安全管理部門對重大危險源的監管力度的加大及分廠精細化管理，2016年10月利用省安檢部門對球罐進行全面檢測的機會，對遠傳液位計進行了改造，改造后液位計運行安全平穩，取得了較好的效果。

圖1 原設計導波雷達液位計安裝圖Fig.1 Original design wave guide radar level meter installation diagram

1 存在的問題

1.1 導波雷達液位計在二甲醚球罐上的測量及問題

導波雷達物位測量技術是基于 TDR（時域反射）原理產生的。微波脈沖信號沿著導波管以光速傳播，一旦抵達被測介質表面，立即反射回電子接收器。光在空氣或其他氣體介質中的傳播速度是恒定不變的常數，通過時間和光速相乘便可得出通過的物位距離。導波雷達物位計（LT202A/B）安裝如圖1所示。安裝投入運行，通過液位計生產廠家現場調試后，仍不能正常工作，通過分析可能存在以下問題：

1）二甲醚液介電常數較低，與纜式探頭導波雷達液位計要求的最低介電常數接近以及罐直徑較大導致回波信號不穩。

2）球罐直徑較大，纜式探頭與導波管很難達到同心，也易產生很強的虛假回波。

3）18m長的導波管，由于是現場制作，管內的光滑度及安裝的垂直度也可能對測量有影響。

4）由于球罐體積較大，儲存的是壓力較高的易燃易爆液化氣體，雷達液位變送器很少有機會拆下進行檢查和維護。

5）由于導波雷達液位變送器進行調試也需專用的軟件，對用戶來說調試較困難，也不利于液位計的正常運行。

1.2 現場液位計加裝遠傳變送器在二甲醚球罐上的測量及問題

圖2 現場液位計加裝遠傳變送器安裝圖Fig.2 Installation drawing of remote transmitter installed on site liquid level gauge

干簧管遠傳變送器工作原理是利用電阻進行分壓，通過吸合的干簧管連接至輸出端。隨著磁性浮子跟隨液位的變化，與其接近的干簧管被接通，輸出的電壓反映出相對應的液位高度。由于2臺二甲醚球罐隨生產正常而儲存一定量的二甲醚產品，但導波雷達液位計又不能準確的對球罐的液位進行監測，為了穩定生產的繼續和球罐液位的實時監測，經過與生產管理領導溝通，對現場磁翻板液位計（LI202）測量管上進行加裝干簧管遠傳變送器（LT202）進行改造，如圖2所示。通過幾年的運行存在以下問題：

1）由于二甲醚球罐的直徑是18m，現場液位計是由2臺9m長液位計組裝的，每臺球罐也需加2臺干簧管變送器。當液位低于9m時，上面的液位變送器的零點信號有誤差時，易使操作人員進行誤判，特別是上面1臺翻板液位計磁浮子低于干簧管變送器零點時，顯示為斷線狀態。

2）由于干簧管較長，與磁翻板液位計測量管之間是固定的，長時間的風吹日曬，易使它們之間有間隙，對測量信號有影響。

3）二甲醚罐區是重點監管的防爆區域，上面1臺干簧管液位變送器的接線安裝位置較高，不易對防爆接頭的檢查。

4）購買的干簧管變送器是國產品牌，故障率較高，有問題時不易檢查和更換。

2 改造方案

2.1 二甲醚球罐遠傳液位計現場部分改進

現國內二甲醚球罐的液位檢測儀表多選用導波雷達液位計、超聲波液位計、放射性液位計或干簧管遠傳變送器液位計等。

二甲醚球罐已使用過導波雷達液位計和干簧管遠傳液位計，效果都不理想，而超聲波液位計調試需專用軟件，有故障時不易調試，且價格較高，且放射性液位計對放射源的防護要求較高。因此，從穩定性、性價比和維護方便等因素綜合考慮，改進方案是：利用二甲醚球罐（V202A/B）上的備用口b1和b2改造成差壓式液位計（LT202）如圖3所示。

圖3 改造后的液位計安裝圖Fig.3 The installed figure of the liquid gauge after the transformation

將b1口用DN18 PN25的導壓管引入到球罐底部差壓變送器（LT202）的負壓端，在進入負壓端前加裝1個冷凝罐（儲存氣相管內的冷凝液，減少冷凝液柱對氣相壓力的影響）。冷凝罐低于差壓變送器（LT202），并在下部加裝兩個截止閥便于排放冷凝液。b2口用DN18 PN25的導壓管引入到球罐底部差壓變送器（LT202）的正壓端，使LT202與b2取壓口等高。b1和b2是差壓液位計的氣相和液相取壓口，氣相取壓點處壓力為球罐內氣相壓力；液相取壓點處壓力除受氣相壓力作用外，還受液柱靜壓力的作用，液相和氣相壓力之差，就是液柱所產生的靜力。根據流體靜力學原理，有

式（1）中，H—二甲醚液體高度；ρ—二甲醚密度；g—當地重力加速度。

由式（1）可得，ΔP=Pb2-Pb1= Hρg。通過查二甲醚密度與溫度對照表，溫度變化對液態二甲醚的密度影響不大，這樣可以把二甲醚密度和重力加速度作為已知量。因此，差壓變送器（LT202）測得的差壓與二甲醚液體高度成正比，通過LT202測量得到取壓口b2和b1的差壓就能計算出二甲醚液位的高度。

2.2 差壓變送器的選型與設置

差壓變送器的選型通常根據安裝條件、環境條件、儀表性能、經濟性和應用介質等方面考慮，選型原則如下：

1）主要依據以被測介質的性質指標為準，以節約資金、便于安裝和維護為參考。

2）要考慮介質對膜盒金屬的腐蝕。一定要選好膜盒材質，否則使用后很短時間就會將外膜片腐蝕壞，法蘭也會被腐蝕壞造成設備和人身事故，所以材質選擇非常重要。變送器的膜盒材質有普通不銹鋼、304不銹鋼、316L不銹鋼、鉭膜盒材質等。

3）要考慮被測介質的溫度。如果溫度一般為200℃～400℃，要選用高溫型，否則硅油會產生汽化膨脹，使測量不準。

4）要考慮設備工作壓力等級，變送器的壓力等級必須與應用場合相符合。從經濟角度上講，外膜盒及插入部分材質比較合適，但連接法蘭可以選用碳鋼、鍍鉻，這樣會節約很多資金。

5）從經濟角度上來講，選用變送器時，只要不是易結晶介質都可以采用普通型變送器，而且對于低壓易結晶介質也可以加吹掃介質來間接測量（只要工藝允許用吹掃液或氣），應用普通型變送器要求維護人員多次進行定時檢查，包括各種導壓管是否泄漏、吹掃介質是否正常、保溫是否良好等。只要維護做得好，大量使用普通型變送器一次性投資會節約很多。

根據以上原則綜合考慮，通過查找EJA智能變送器選型樣本，結合ΔP= Hρg可以計算出液位變送器（LT202）的量程為：ΔP= Hρg=18×0.661×9.8=116.6（KPa），2臺二甲醚球罐液位計變送器選擇的型號為：EJA110A-EHS3B-87DD，用HART協議通信器將差壓變送器的量程范圍設為：0KPa～116.6KPa。

2.3 二甲醚球罐遠傳液位計DCS部分改進

二甲醚球罐的液位是一項重要的控制參數，由于二甲醚裝置生產負荷發生變化以及對外灌裝，二甲醚球罐的庫存多少會引起球罐內二甲醚液位的波動，特別是近幾年來國家各級安管部門對重大危險源的監管力度越來越大。二甲醚球罐是球體，液位的高度與儲存的體積不成正比，通過液位的高度不能反映球罐實時儲存的實際噸數。原DCS中只顯示球罐高度，不能滿足生產管理和操作的需求，后對DCS程序進行修改來增加儲存體積、噸數的顯示及控制。利用牛頓第一定律、質量計算公式和球缺的體積公式

式（2）中，R—二甲醚球罐的半徑；H—二甲醚液位高度；ρ—二甲醚密度；g—當地重力加速度。

在DCS程序組態中，修改模擬量輸入信號LT202對應的量程范圍為：0m～18m。式（2）中π、R、ρ和g都是定值，H是變量。啟動組態操作界面中二次計算功能，算出二甲醚的實時重量G。為了便于操作及考核的需要，在流程圖畫面上分別添加二甲醚液體積V和二甲醚液重量G顯示，最后對組態程序進行保存、編譯、下裝及傳送。

3 改造后的優點

改造后的優點主要體現在以下幾方面：

1）維護方面，比改造前更簡單方便。關掉截止閥后，能直接拆除液位變松器進行維護和更換等檢修，而雷達液位計和超聲波液位計需置換球罐后才能拆除維護，對于干簧管變送器液位則需登高進行維護。

2）價格方面，1臺知名合資品牌的差壓變送器只需5000元左右，而雷達液位計和超聲波液位計國產的就需幾萬元，知名合資品牌更貴。

3）穩定性，差壓變送器測量值受干擾比雷達液位計和超聲波液位計要少，不易受外界干擾而波動。

4）通信方面，差壓變送器只需HART協議的通信器就能調試，而雷達液位計和超聲波液位計等需專用的通信軟件。

4 結語

通過對2臺4000m3二甲醚球罐遠傳液位計進行改造，達到了改造目的，相比改造前的故障率有所降低，DCS畫面上的顯示更準確具體，實現了對2臺二甲醚球罐二甲醚儲量的實時監測，減少了人工計算和誤差，對于確保二甲醚球罐安全平穩長周期運行具有重要意義。