雙法蘭液位計應用及工程實例分析

張海薇

(上海三鼎工程技術咨詢有限公司,上海 200030)

在化工裝置儀表設計中,差壓式液位計是一種常見的儀表類型,其中雙法蘭液位計因測量穩定可靠、結構安裝簡單、維護量小,在化工行業中被廣泛應用。但是每種儀表都有其優勢和劣勢,而且在工程應用中,儀表的可靠性及穩定性會受很多因素的影響,對于該類問題的了解及研究,在儀表選型設計中是十分必要的。

本文介紹了雙法蘭液位計的基本原理和結構特點,詳細闡述了在化工裝置中的應用問題及解決方案,通過實例分析,說明了雙法蘭液位計在化工裝置中的應用效果,同時也指出了雙法蘭液位計應用過程中存在的一些問題和需要改進的地方。

1 雙法蘭液位計測量原理及組成

1.1 儀表組成及類型

雙法蘭液位計由帶密封隔膜的法蘭、毛細管以及差壓變送器組成。根據毛細管的連接方式,分為高低壓兩側均為毛細管連接,低壓側為毛細管連接、高壓側為直接連接(無毛細管)兩種方式。目前的化工裝置中,由于第二種連接方式只有一側有毛細管,正負壓響應時間不同,且會帶來因環境溫度變化造成的測量誤差[1],所以一般選用第一種方式。

1.2 測量原理及遷移量計算

雙法蘭液位計測量是基于流體靜力學原理,密封隔離膜片直接接觸介質,從而受力產生彈性形變發生位移,然后通過毛細管中的填充液將壓力傳至差壓液位變送器的正負壓室,形成的壓差通過電子放大電路轉化成4～20 mA信號,從而實現液位的測量[2]。雙法蘭液位計典型安裝如圖1所示。

圖1 雙法蘭液位計典型安裝示意

雙法蘭液位變送器正壓室壓力計算如式(1)所示:

p+=p0+ρgH+ρ1gh1

(1)

式中:p0——設備中液位上方的壓力;ρ——設備內介質密度;g——重力加速度;H——設備下管口至設備內液面高度;ρ1——毛細管中填充液密度;h1——設備下管口至液位變送器高度。

雙法蘭液位變送器負壓室壓力計算如式(2)所示:

p-=p0+ρ1gh2

(2)

式中:h2——上管口至液位變送器高度。

法蘭液位變送器差壓Δp計算如式(3)所示:

Δp=p+-p-=p0+ρgH+ρ1gh1-(p0+ρ1gh2)=ρgH-ρ1g(h2-h1)

(3)

當H為0時,Δp= -ρ1g(h2-h1),所以雙法蘭液位計測量范圍需要進行負遷移。通常在設計階段設計人員繪制儀表規格書時,會根據填充液密度及液位計上下法蘭口間距計算出遷移量,在測量范圍基礎上進行設定,有助于膜盒規格的選擇[3]。在工程建設儀表調試階段,技術人員會根據遷移量的計算結果進行現場遷移,這樣更為準確。

2 適用場合

根據雙法蘭液位計的原理及結構分析可知,由于隔膜法蘭可以起到隔離被測介質的作用,所以適用腐蝕性、較黏稠、易結晶及易聚合等復雜工況,并且不受設備內外壓力的影響,在高壓和低壓環境下均可使用。但是任何事物都會有其局限性,同樣受測量原理的制約,有部分工況無法使用雙法蘭液位計或者使用中會出現較大的誤差。不適用雙法蘭液位計的工況如下:

1)不適用量程特別小的液位測量。SH/T 3005—2016《石油化工自動化儀表選型設計規范》[4]中明確規定: 差壓值范圍小于5 kPa的測量工況,一般不選用雙法蘭液位計;測量量程小于12 kPa時,根據工程經驗可以選用DN80甚至更大規格的隔膜法蘭,通過增加感壓面積,提高儀表的靈敏度和準確度。

2)不適用密度變化大的液位測量。根據測量原理p=ρgh可知,差壓液位計適用密度穩定的液位測量。有些介質密度會根據設備內壓力和溫度而改變,若使用雙法蘭液位計測量就會造成誤差。因此,為了計量準確需要對密度進行補償計算。

3)不適用量程過大的液位測量。由于較長的毛細管在儀表制造過程中的問題或現場安裝維護不便等原因,毛細管過長可能會導致測量誤差增大。一般儀表生產廠家的樣本中,15 m的毛細管已是可選范圍內最大的規格,如果量程超出15 m仍想選用差壓類型的液位計,可以用電子遠傳式液位變送器替代。

4)不適用高溫、高負壓的工況。由于毛細管填充液物性的限制,高溫、高負壓工況通常會選用差壓液位變送器加反吹的方案解決測量問題。

3 典型案例分析

3.1 毛細管內填充液的選擇

某苯乙烯裝置分離塔塔釜液位測量,該塔操作溫度為265 ℃,操作壓力(絕壓)為35 kPa,要求測量范圍為0～3.8 m,塔內介質為多乙苯。首選雙法蘭液位計,但是塔內溫度超過普通硅油的上限范圍,如果選用傳統的高溫硅油,則沒有負溫段,即當環境溫度低于零,硅油就需要增加保溫伴熱措施[5],這無疑增加了設計的復雜度和后期儀表人員的維護工作量。如果有一款硅油既能夠滿足該裝置所在地的極限環境溫度,又能覆蓋塔內側的高溫,就能夠解決該問題。

因此,分析該分離塔所處的地理環境及塔釜液位測量工況,選用了適用溫度范圍為-40～300 ℃的Tri-Therm 300型號硅油。需要注意的是,可選填充液是否滿足要求,不僅要注意硅油的使用溫度范圍,更要關注硅油本身的溫壓曲線。由于塔內是負壓,硅油適用溫度會隨壓力下降而降低。真空工況下Tri-Therm 300型號硅油溫度與壓力關系曲線如圖2所示,在操作壓力(絕壓)為35 kPa的情況下,硅油適用溫度為275 ℃,高于該塔操作溫度,所以該型號硅油適用該工況。另外,負壓工況下為避免外界空氣進入毛細管,會采用全焊接式結構,保證所有的連接點都是焊接方式。

圖2 真空工況下Tri-Therm 300型號硅油溫度與壓力關系曲線示意

3.2 環境溫度變化的影響

海南某裝置丙酮儲罐液位量程為11 m,采用了配帶15 m毛細管的雙法蘭液位計,自投用以來,該液位計顯示周期性液位波動,當環境溫度升高時,該液位計顯示液位上升,午后環境溫度下降,液位也逐步下降,至傍晚時處于平穩狀態,液位顯示一直重復波動。雙法蘭液位計溫度和液位波動曲線如圖3所示。由圖3可知,液位變化與環境溫度呈等幅振蕩,同時由于該儲罐采用穩定的氮封系統,所以罐壓維持基本穩定。由此可推測是環境溫度影響了該液位計的準確性。

圖3 雙法蘭液位計溫度和液位波動曲線示意

基于此,設計人員經過分析,找出兩種影響液位波動的可能的原因: 一種是選用的硅油型號不合適,另一種是較長的毛細管在儀表制造過程中,可能存在抽真空不足,硅油中會含有氣泡的情況。

該丙酮儲罐為外保溫的金屬儲罐,物料溫度穩定,操作溫度為常溫,設計溫度為60 ℃,海南的環境溫度為1.4～45 ℃,選用的硅油滿足現場使用工況。在環境溫度下,硅油膨脹系數不會改變,密度基本無變化。因此,判斷是毛細管在抽真空過程中含有氣泡,受環境溫度影響,氣泡熱脹冷縮,從而導致液位出現周期性波動。

為了減少環境溫差對測量結果的影響,保證儀表檢測的準確性,經過分析討論,得出兩種解決方案: 對雙法蘭液位計兩側毛細管進行保溫;在設備管口不變化的情況下,更換電子遠傳式差壓液位計。由于現場開車在即,最終選用了第一種方案,避免了更換儀表帶來的損失。

3.3 易聚合工況的應用優化

某甲基丙烯酸甲酯(MMA)裝置一期工程中反應器上設置了1臺雙法蘭液位計,該反應器內介質為MMA反應混合物,介質物性為易聚合、易堵塞。設計選型時考慮到介質特性,雙法蘭液位計選用插入式膜片形式,插入深度為200 mm,未考慮實際法蘭短管長度,因此,導致感壓膜片仍在法蘭短管內部,造成液位計測量管堵塞。

在該裝置二期工程設計選型階段,吸取了一期裝置的經驗和不足之處,經過設計人員與業主的討論,將雙法蘭液位計插入深度加長,保證感壓部分深入設備內壁。為了保證插入部分順利進入法蘭短管,插入部分外徑要小于法蘭短管內徑,如此在兩者之間就形成了部分空隙,該空隙也容易造成介質聚合,需要儀表人員經常清理。為了減少清理工作量,在設計時增加了沖洗環部件,再接入氮氣進行在線吹掃,避免了經常性的人工維護操作[6]。另外,設備上接口法蘭短管,也改為斜上45°,這樣有利于介質回流至設備內,也是減少介質聚合的一種措施。插入式雙法蘭液位計在線吹掃安裝如圖4所示。需要注意的是,由于增加的沖洗環有一定厚度,可根據廠家樣本數據,在計算儀表插入深度時需要加上沖洗環厚度。

圖4 插入式雙法蘭液位計在線吹掃安裝示意

4 結 論

結合雙法蘭液位計應用案例分析,在設計選型時需要注意如下事項:

1)測量范圍。選型時應進行遷移量計算,在原有的測量范圍基礎上進行遷移,有利于選擇合適范圍的儀表產品。

2)類型選擇。對于易結晶、高黏度、易聚合的液體,宜選用插入式雙法蘭液位計,盡量保證隔膜插入設備內壁,如必要時還可以增加在線吹掃[7]。

3)填充液選擇。不僅需要考慮設備內介質的溫度和壓力,還要考慮環境溫度對于填充液的影響[8]。

4)負壓工況。儀表法蘭選用全焊接方式,注意填充液在負壓工況下黏度會下降,適用溫度要滿足工況要求,否則測量結果會出現較大的誤差[9-10]。

5)毛細管長度。由于儀表廠家制造可能會存在偏差,如硅油填充量不足、毛細管抽真空不完全等情況,盡量選用10 m以內的毛細管,毛細管過長會增大測量誤差[11]。

此外,在雙法蘭液位計選型時,需要綜合考慮液體性質、環境要求、精度要求、安裝方式、材質選擇、維護保養等多個因素,以選出最適合實際需求的產品。同時,還需要確認儀表廠家是否具有產品的質量相關證書,并在使用前進行必要的安裝和調試工作,以確保產品的安全可靠性和測量準確性。