隔膜式差壓液位變送器的選型應用

胡健,沙海亮

(中建安裝集團有限公司,江蘇 南京 210046)

隔膜式差壓液位變送器是一種廣泛應用于石油化工行業的液位測量儀表。然而,在某些特定工況,如高溫高壓、真空、強腐蝕性、高黏稠等工況下測量液位是一項非常具有挑戰性的任務。不當的選型和安裝方式可能會對液位測量的準確性和穩定性產生重大影響。

1 差壓液位變送器的原理及引壓方式

差壓液位變送器通過檢測容器內被測液體的液相或氣相差壓值來換算被測液體的液位。需要注意的是,差壓液位變送器不適用于量程差壓值小于5 kPa,介質密度變化超過設計值±5%的工況[1]。

差壓液位變送器按引壓安裝方式可分為引壓管式和法蘭隔膜式。法蘭隔膜式又可分為法蘭隔膜直連式、法蘭隔膜帶毛細管式。引壓管式測量方式有很多局限性,例如引壓管需要排氣或排液,以保證引壓管路的純凈。受制于其測量特點及管線材質,對于高黏度、強腐蝕性介質并不適用。而法蘭隔膜式差壓液位變送器可以更好地應用于各種復雜且惡劣工況。本文主要探討雙法蘭隔膜式差壓液位變送器的選型及應用。

2 雙法蘭隔膜式差壓液位變送器的安裝

2.1 安裝方式及量程遷移

雙法蘭隔膜式差壓液位變送器根據安裝位置分為以下三種: 變送器安裝于下法蘭口的上方、變送器安裝于下法蘭口的同一高度、變送器安裝于下法蘭口的下方,如圖1所示。

如圖1 a)所示,當變送器安裝于下法蘭口的上方時:

p+=ρpgh-ρfgdH+po

p-=ρfgdL+po

Δp=p+-p-=ρpgh-ρfg(dH+dL) =ρpgh-ρfgL

(1)

式中:ρp——容器內被測介質的密度;ρf——毛細管填充液的密度;h——被測液位的高度;g——重力加速度;dL——變送器距離上法蘭的距離;dH——變送器距離下法蘭的距離;po——容器的氣相壓力;p+——變送器正壓側壓力;p-——變送器負壓側壓力;L——上法蘭與下法蘭的間距。

因此,圖1 a)對應工況下,差壓液位變送器需要負遷移,遷移量為-ρfgL。

如圖1 b)和c)所示,變送器安裝于下法蘭口同一高度時:

p+=ρpgh+po

p-=ρfgdL+po

(2)

Δp=p+-p-=ρpgh-ρfgdL=ρpgh-ρfgL

因此,在式(2)對應工況下,差壓液位變送器需要負遷移,遷移量為-ρfgdL。

如圖1 d)所示,變送器安裝于下法蘭口的下方時:

p+=ρpgh+ρfgdH+po

p-=ρfgdL+po

Δp=p+-p-=ρpgh-ρfg(dL-dH) =ρpgh-ρfgL

(3)

在圖1 d)對應工況下,變送器需要負遷移,遷移量為-ρfgL。

根據以上三種安裝方式遷移計算結果可以得出,差壓液位變送器的遷移量與安裝位置、安裝方式無關。遷移量僅取決于上下管口的間距及填充液的密度。

2.2 靜壓限制

靜壓限制的含義和計算如下:

1)靜壓限制的含義。差壓變送器都有靜壓限制,分為低靜壓及高靜壓限制。

高真空環境下的差壓變送器靜壓(絕壓)限制值大約為5 kPa,因此需合理設計差壓變送器的安裝位置,使得工況下差壓變送器的靜壓大于變送器的低靜壓限制值。以羅斯蒙特3051差壓變送器為例,該變送器靜壓(絕壓)限制值為3.4 kPa。當無液位時,差壓變送器正負測量端膜盒的靜壓值最低。需保證差壓變送器的高、低壓側的壓力值(絕壓)均要大于3.4 kPa。一旦忽略低靜壓的限制,可能會導致液位顯示的跳變。這也是為什么真空工況下,壓力變送器的安裝高度建議要低于或等于下法蘭的安裝高度。

2)計算案例。容器中的真空絕壓正常值為1 kPa,被測液體密度為1 136 kg/m3,溫度為198 ℃,法蘭間距為2.4 m。應根據填充液飽和蒸氣壓曲線選用硅油200,密度為1 070 kg/m3,計算得出差壓液位變送器的安裝高度低于下法蘭取壓口距離至少0.23 m。在高真空工況中,保守建議差壓變送器的安裝高度低于下法蘭取壓口0.5 m。

差壓變送器高靜壓雖然在變送器的過壓范圍以內,即在該工況下不會造成差壓變送器損壞,但過高的靜壓對差壓變送器的精度會造成影響。

2.3 差壓液位變送器在內浮盤儲罐的應用

內浮盤儲罐的浮盤隨著儲罐液位上下浮動。差壓液位變送器的負壓側安裝位置應高于浮盤最高位置,正壓側安裝位置低于浮盤落底高度,差壓液位變送器的差壓值包含了內浮盤對液體的壓強。

Δp=p+-p-=ρpgh+mg/S-ρfgL

(4)

式中:m——浮盤的質量;S——浮盤的截面積。

在式(4)對應工況下,差壓液位變送器需要遷移,遷移量為mg/S-ρfgL。

儲罐底部至浮盤落底高度的液位為差壓液位變送器的測量盲區。

3 毛細管填充液的選擇

填充液選擇主要根據以下幾點考慮:

1)溫度穩定性。在高溫工況下,填充液需要具有良好的溫度穩定性。選擇適用于高溫范圍的填充液,以確保在整個溫度范圍內不會出現顯著的黏度變化、膨脹或收縮,從而影響測量精度。

2)真空性能。在高真空工況下,填充液需要具有較低的蒸氣壓,以減少在真空條件下的氣泡生成或沸騰。選擇具有低蒸氣壓的液體,以降低在高真空條件下的氣泡產生風險。

3)化學穩定性。填充液應具有良好的化學穩定性,且填充液不與被測介質發生反應。如強氧化性介質不要使用硅油作為填充液。

4)黏度影響。填充液的黏度應適中,以保證毛細管內的液體在溫度變化時能夠快速傳遞壓力信號。

毛細管的填充液需要根據被測介質的溫度、介質特性、使用壓力工況、環境溫度進行正確的選擇。而針對真空工況,需要同時考慮真空度及操作溫度,參考真空工況常用填充液溫壓曲線選擇合適的填充液,如圖2所示,不要過度設計。如硅油705雖然工況使用范圍較大,但是其動力黏度為175 Pa·s,較大的黏度導致填充液傳遞壓力響應慢,不適用于液位變化速率快,需要快速響應的場景。

3.1 填充液體積溫度效應

填充液隨著溫度的變化而膨脹或收縮,填充液體積變化作用在變送器膜盒處產生背壓,這種背壓使得變送器的測量讀數產生偏差。背壓影響因素主要有被測介質的溫度、膜片的尺寸、毛細管的長度、填充液溫度膨脹系數等。對于平衡式雙毛細管系統,即長度和內外徑一致的2根毛細管,這種誤差是最小的,因為溫度的變化造成的差壓變送器兩端膜頭的背壓是相等的。

溫度效應在不同尺寸膜片上造成的背壓誤差影響如圖3所示。

圖3 不同尺寸膜片造成的背壓影響示意

由圖3可以看出,較大尺寸的膜片可以降低溫度效應所引起的背壓誤差影響。

3.2 填充液密度溫度效應

填充液密度溫度效應是指由于環境溫度變化引起填充液體密度的變化而產生的。安裝時,填充液體的質量產生一個初始壓力讀數,等于高低連接點之間的高度乘以填充液體的密度。隨著環境溫度的變化,填充液體密度也將發生變化,導致填充液體質量發生變化,從而造成傳感器讀數的偏差。

需要注意的是: 毛細管的長度和內徑,以及填充液的黏度影響了差壓變送器的響應時間。毛細管內徑對毛細管系統的時間響應和溫度影響有反作用,隨著毛細管內徑的增大,變送器響應時間縮短,而填充液密度溫度效應增加。

在某些場合還可能存在介質溫度很高需要使用耐高溫的填充液,同時環境溫度可能會低至-40 ℃的情況。此時,毛細管優先采用熱水或電伴熱來維持填充液的正常使用溫度。慎用蒸汽伴熱,過高的蒸汽溫度同樣可能汽化填充液。另一種解決方案則是選用寬溫型填充液,即毛細管密封系統內采用兩種不同的填充液。

3.3 雙法蘭差壓量程的選擇

選型設計中通常只將ρpgh作為差壓液位變送器的量程,而未考慮本文2.1及2.3節中所述遷移量對于量程范圍的影響。計算出差壓液位變送器遷移量后的量程,需根據廠家樣本選擇合適的使用范圍。較大的遷移量可能導致超出可用范圍的檔位。

建議不要選用量程大的差壓變送器,應根據遷移后的量程值選用最小量程的差壓變送器。過大的量程會使差壓液位變送器的測量精度變差。

3.4 平衡式毛細管與不平衡毛細管

溫度的變化不僅影響了填充液的熱膨脹,還影響了填充液的密度。隨著溫度的升高,填充液的密度下降,因此填充液密度變化也是影響差壓計算的重點。

以圖1中b),c)安裝方式為例,容器的上下法蘭處溫差超過28 ℃,法蘭間距3 m,差壓液位變送器采用法蘭隔膜密封,填充液使用硅油。

平衡式毛細管當采用圖1中b)安裝方式,根據軟件計算,填充液體積溫度效應消除了,而填充液密度溫度效應造成了0.9 kPa的壓力誤差。

不平衡式毛細管當采用圖1中c)安裝方式,經計算,填充液體積溫度效應造成-0.42 kPa壓力誤差,而填充液密度溫度效應造成了0.9 kPa的壓力誤差,因此總的壓力誤差為0.48 kPa。

根據上例可以看出,不平衡遠程密封系統由于2根毛細管不等長,會產生密度溫度效應。然而,這種密度溫度效應與毛細管填充液體積溫度效應壓力相抵消,因此減少了對整個系統的總溫度影響。

建議設計人員在儀表規格書上附差壓液位變送器安裝位置示意圖,通過廠家計算來確認更好的方案,得出最優精度。

4 隔膜密封件的選擇

隔膜密封件需要根據介質的使用工況選擇合適的規格。隔膜密封件的尺寸建議不小于DN50,在低壓工況下,隔膜密封件的尺寸宜選用DN80,較大尺寸的膜片可以提供更大的形變;真空工況下隔膜密封件需特殊處理來避免吸入空氣。

4.1 隔膜密封件的材質

隔膜密封材質的選擇需考慮介質的化學腐蝕性、溫度和壓力等因素,常見的隔膜密封材質包括不銹鋼316SS、哈氏合金、鉭、鈦等。在具體選擇過程中,還可以考慮使用耐腐蝕的涂層或特殊合金材料。不合適的隔膜密封件材質可能會導致腐蝕性介質泄漏,嚴重時可造成人員傷亡和設備損壞,破損的膜片、填充液還可能混入介質中。

4.2 隔膜密封件的結構

通常,變送器的毛細管可拆卸,方便更換被腐蝕膜片,但高真空工況下需要采用全焊接密封系統結構。

全焊接密封系統結構中的毛細管與傳感器直接焊接,形成一個密封的整體結構,從而避免空氣在高真空條件下進入密封系統。

5 電子配對式隔膜差壓變送器

不同于常規的隔膜差壓式液位變送器,電子配對式隔膜差壓液位變送器由2臺壓力變送器組成,分別為高壓側的一級變送器和低壓側的二級變送器。二級變送器通過信號電纜將氣相壓力值傳輸至一級變送器,2臺變送器之間的信號進行計算處理,以獲得準確的差壓值。

電子配對式隔膜差壓液位變送器直接安裝于上下2個法蘭管口上,由于沒有毛細管連接,差壓液位變送器消除了填充液所引起的差壓遷移。

該方案消除了毛細管長度、填充液密度變化等不利影響,測量精度主要取決于2臺壓力變送器的組合精度。由于高壓側壓力變送器測壓范圍較大,故整體精度主要取決于高壓側壓力變送器。

電子配對式隔膜差壓液位變送器通常用于法蘭間距大于10 m的工況,因為在該工況下,雙法蘭毛細管的差壓液位變送器精度較差。然而,電子配對式隔膜差壓液位變送器也存在一些缺點。例如,由于變送器直接安裝在法蘭管口,介質熱傳遞顯著影響變送器。為確保變送器電子元器件的正常工作,需要保證其受熱范圍為-40～80 ℃。另外,該型變送器價格也偏高。

6 結束語

采用隔膜差壓式液位變送器測量液位時,需要關注諸多事項,如介質強腐蝕性、溫度范圍、氣液相變化等。因此,在選擇合適的測量方案時,需要充分考慮實際工況的影響。此外,隔膜密封件的材質和結構也至關重要,以確保系統的可靠性和安全性。在某些應用中,電子配對式隔膜差壓變送器可以提供更好的測量精度,但其價格較高,因此需根據實際需求進行評估。

總之,差壓液位測量涉及多方面的因素,應根據具體情況綜合分析,選擇適合的差壓測量范圍、隔膜材質、膜片結構和變送器形式。通過對各種因素的充分考慮和合理選擇,可以確保測量結果的準確性和可靠性,為工程應用提供有效的數據支持。