電子遠傳型差壓液位變送器的適用性分析

孫萌

(中國石化工程建設有限公司,中國 北京 100101)

在石油化工流程中測量物位時,差壓液位變送器被廣泛使用。差壓液位變送器有智能差壓液位變送器、遠傳型(RS)雙法蘭差壓液位變送器、電子遠傳型(ERS)雙法蘭差壓液位變送器等多種型式。

1 雙法蘭差壓變送器的局限性

1.1 雙法蘭差壓變送器測量結構

差壓變送器本體的測量原理為高、低壓側各有一個感壓膜片,分別受壓后,各自的感壓膜片發生位移,產生差動電容,經過電容電流轉換電路,根據特定比率將壓力變化轉換為標準電流輸入信號,進入同一個變送器并計算差壓,將差壓的變化轉換為標準電流輸出信號。

標準的雙法蘭差壓液位變送器包括： 法蘭盤、毛細管、安裝支架和測量表頭[1]。其法蘭盤中裝有膜片,法蘭盤與毛細管相連,毛細管中充有油狀液體,通過膜片受壓導致的形變推動毛細管中的充油,使表頭測到兩側壓力,從而計算差壓和物位。

1.2 優 點

由于接液部分在法蘭盤處,表頭不直接與介質接觸,它的膜片可以阻隔污濁、顆粒等進入表頭,因此適合測量具有腐蝕性、黏度大、易結晶、低凝固點液位的被測介質,此外還具有較高的靈敏度,較好的重復性,在最困難的條件下也能確保物位測量的可靠性和精度,調試較簡單,維護量較小等優勢。

1.3 毛細管本身的局限性

毛細管本身的局限性如下：

1)毛細管充油可能會發生漏油現象,在振動較大的設備上更加明顯,其維護將在投產后增加額外的工作量。

2)帶毛細管的雙法蘭差壓液位變送器有一定局限性,若毛細管較長,在環境溫度變化的過程中,填充液的體積變化較大,增加了儀表的誤差、滯后及其他不確定性。[文獻2]規定毛細管單根最大長度為15 m。

3)在一定環境溫度下,毛細管需要做好保溫伴熱措施,伴熱既增加了工作量,又占用了設備的平臺空間;若儀表離伴熱總管較遠或儀表位置較高,還會影響伴熱效果[3]。

4)由于毛細管填充液的重力原因將對變送器產生壓力,這時需對變送器進行零點遷移,給現場施工人員帶來了一定的工作量。多數現場施工人員不做零點遷移工作,需要廠家來完成并維護。

2 法蘭間距過大的傳統解決方案

當單根毛細管長超過15 m,通常不適宜選用1臺毛細管式雙法蘭差壓液位變送器來測量。這種情況下有三種傳統解決方案。

2.1 多臺變送器串聯

該方案是多臺變送器分段串聯使用,將設備分段測出的物位分別送入控制系統,如DCS,在控制系統中將不重合的部分相加即為整個設備的物位。

該方案的優點是原理簡單,解決了毛細管過長帶來的誤差問題;缺點是使用多個變送器,在一定程度上增加了成本、故障率及安裝和維護的工作量,增加了設備平臺的數量。由于增加了測量設備,導致測量管口數量也隨之增加,對設備的設計提出了更多要求,同時對設備管口附近的安裝空間有更多需求。變送器數量增加將導致儀表電纜增多,設備從上到下的電纜敷設更加復雜。最重要的是,多臺差壓變送器送到控制系統的信號很難保證其同步性,當壓力產生波動時,若各臺變送器的信號完全同步,波動往往可以抵消;若各臺變送器的信號不同步,那么波動是加倍的。因此,這種方式在一定程度上增加了誤差,降低了抗干擾性。

2.2 2臺單法蘭壓力變送器求差值

該方案是使用2臺單法蘭壓力變送器,分別安裝在頂部和底部測量管口,分別將壓力值送入控制系統,在系統中實時相減得出差壓,進而計算出物位。

該方案的優點是結構簡單,解決了毛細管帶來的大部分誤差問題,避免了大量的伴熱,減輕了后續使用中的維護壓力,減少了電纜、穿線管、槽盒的使用,節約了成本和安裝空間。

該方案的缺點是得出的差壓較直接測量誤差更大,為了降低誤差,該方案常需要使用更高精度的變送器,導致進一步增加了成本。其次,2臺壓力變送器送到DCS的信號同樣很難保證其同步性,同樣會在一定程度上增加誤差,降低抗干擾性。在實際應用中發現,信號不同步是該類方案最主要的誤差來源。

2.3 方案一和方案二的結合

為了消除上述誤差的影響,提高測量精度,在重要的物位測量位置,往往會采用前兩種方案相結合的方式。一方面分段使用帶毛細管的雙法蘭差壓液位變送器[3],分別送入控制系統中進行物位的疊加,同時又在頂部和底部使用2臺單法蘭壓力變送器,分別送入控制系統中計算差壓和物位。結合兩個計算結果來控制、報警或聯鎖,降低了誤差,增強了安全性,但大幅增加了成本。

2.4 ERS型雙法蘭差壓液位變送器的應用

針對上述情況,ERS架構更宜被使用。ERS架構指ERS型雙法蘭差壓液位變送器的架構,它的原理是使用通過非專用電纜連接在一起的2臺壓力傳感器,直接安裝在設備上下法蘭處,在其中1臺變送器中以電子方式計算差壓,并采用標準的兩線制4～20 mA疊加HART信號或FF總線信號傳輸回DCS。

ERS架構的優點如下：

1)比起上述三種傳統模式,該方案節省了分支電纜,因而節省了電纜敷設的成本和工作量。該方案相比于多變送器串聯的傳統方案,減少了變送器的數量,因而減少了平臺的空間需求和管口的數量需求。

2)ERS架構利用電信號取代了毛細管傳導,精度高、誤差小,解決了毛細管過長帶來的大部分誤差,減少了環境溫度對測量的影響。

3)ERS架構在變送器端進行計算,再送入控制系統,因此該方案的同步性高,降低了因信號不同步產生的誤差。

4)ERS架構利用電信號取代了毛細管傳導,響應時間快,即使介質溫度大范圍變化,也可以具有較快的響應速度。

5)該方案無毛細管長度要求,其高低壓側表頭處電纜長度最長可達到非本安應用152.4 m,本安應用最長為68.58 m,SIS應用最長為60.96 m,提高了備品配件的通用性,適用于各種大型設備的物位測量。

6)該方案安裝維護簡化,省去了毛細管的大量保溫伴熱,防止了毛細管產生的滲漏、冷凝、蒸發、堵塞等問題。ERS架構儀表間使用非專用電纜,減少了維護難度。

7)ERS儀表還具有實時監控和自診斷功能[4]。

ERS架構也有局限性,首先是目前ERS型雙法蘭差壓液位變送器相較于傳統RS型雙法蘭差壓液位變送器,價格更高,這是由它的構造決定的,ERS型雙法蘭差壓液位變送器實際上是2臺變送器相連接。其次,在靜壓較大、差壓較小時也存在不適用的問題。

3 ERS架構適用性的分析方法

綜上分析了RS型和ERS型雙法蘭差壓液位變送器的優缺點,下文介紹通過某制造商對這兩種變送器的實驗分析過程,研究性能指標如何量化,從而定量估計RS架構和ERS架構的適用情況。

3.1 參數選取

控制系統的性能指標主要有三個方面： 穩定性,動態性能,穩態性能[5]。具體分析如下：

1)穩定性指系統在受到擾動后自動返回原來平衡狀態的能力。

2)動態性能是當系統受到外部擾動的影響或者參考輸入值發生變化時,被控制量隨之變化,一段過渡過程后,被控制量恢復到原平衡狀態或穩定在新的給定狀態[6],該時間越短,通常認為動態性能越好。因此,智能變送器需考察響應時間,即當輸入信號變化,智能變送器從接收至輸出正確工業信號的時間,其影響因素有： RS型雙法蘭差壓液位變送器的響應時間=本體響應時間+毛細管傳遞時間+系統響應時間,ERS型雙法蘭差壓液位變送器的響應時間=本體響應時間+0(無毛細管)+系統響應時間。因此,理論上可以從變送器本體、毛細管以及系統響應時間等方面分析變送器響應時間,由此分析變送器的動態性能。

3)穩態性能指系統在完成過渡過程后的穩態輸出偏離希望值的程度。穩態誤差越小,系統精度越高[5]。變送器測量中,誤差包含系統誤差和隨機誤差。系統誤差指在重復性條件下對同一被測量進行無限次數測量結果的平均值減被測量的真值[7];系統誤差是非隨機的誤差,有著確定的規律性,是可控的。在某些情況下,尤其在高精度測量中,系統誤差可占測量誤差的50%以上,因此,消除系統誤差往往成為提高測量精度的關鍵。

根據雙法蘭差壓液位變送器的基本結構可知,RS雙法蘭差壓液位變送器的系統誤差=膜片處產生誤差+毛細管產生誤差+本體產生誤差;ERS雙法蘭差壓液位變送器的系統誤差=膜片處產生誤差+0(無毛細管)+本體產生誤差。影響系統誤差的因素有很多,基本可以從上下管口處、毛細管處、表頭端來分析。例如,在毛細管中所充的硅油會因環境溫度變化產生熱脹冷縮[8],進而產生一定系統誤差,需研究環境溫度和毛細管長度對測量的影響;其次對于表頭端,若高壓側和低壓側的差壓較小,變送器精度有限,更易產生系統誤差,需研究差壓大小對測量的影響;此外,管口處、膜片處也會產生誤差和波動。

3.2 實驗工具

系統誤差是隱藏在測量數據之中的,常用的估算方法有實驗對比法、儀器對比法、參量改變對比法、改變實驗條件對比法等。當不適宜在實際裝置中進行實驗,可通過軟件進行模擬。某制造商使用比對工具箱“SOAP”,在其中輸入基本工況后進行儀表的大致選型,然后模擬一組可能的數據作為參考。該研究設計了不同工況、不同參數、不同選型的多組液位變送器,經該比對工具箱模擬及比對,得到一系列變送器性能表現計算書,從而分析不同工況下毛細管型和ERS型差壓液位變送器哪一種更適用,誤差更小,響應時間更快。

當工況和選型被輸入,模擬出的誤差會以一個基準線為中心呈正態分布,該基準線就是遠傳帶來的系統誤差[8]。同時,找到正態分布的最大值和最小值,得到一個公差帶,即為容差,包含機械、電子、任何可能產生的最大誤差。儀表誤差能否被接受,就需要看該數值是否可接受。

綜上所述,確定了理論和工具,用控制變量法進行對照實驗,選取系統的響應時間和系統誤差作為主要參考指標來分析RS型架構和ERS型架構的優勢劣勢。

4 ERS型架構適用性分析過程

首先,選取1臺已在某化工項目中正常投入使用的差壓液位變送器作為實驗初始樣本,從而在最大程度上避免因選型不當而產生的誤差,沿用該變送器選型及參數,每輪實驗僅設置單一變量,其余參數不變,設置以下幾輪實驗。

4.1 比對環境溫度及溫差對測量誤差的影響

首先,研究不同的環境溫度對儀表測量誤差的影響,單一變量為環境溫度,其余參數選取相同值。對象一選取了廣東省某市,該市2022年最低溫度為2.8 ℃,最高溫度為37.9 ℃;主要參數： 介質為液態烴,高、低壓側法蘭間距為10 m,選對稱式毛細管時毛細管長度為2×15 m,差壓為0～78 kPa,靜壓為2 MPa。

由制造商操作通過軟件模擬并生成計算書,提取計算結果,每個實驗均包含四種選型,第一種是選用RS型雙法蘭差壓液位變送器的計算結果,毛細管選擇對稱式;第二種是RS型雙法蘭差壓液位變送器的計算結果,毛細管為非對稱式;第三種是選用ERS雙法蘭差壓液位變送器的經典型;第四種選用ERS雙法蘭差壓液位變送器的高精度型。每種選型分別計算了響應時間、系統誤差、概率偏差、容差等,因篇幅省略計算數據表,從計算結果可以看出：

1)ERS型雙法蘭差壓液位變送器相比RS型雙法蘭差壓液位變送器,響應時間顯著減少。

2)ERS型雙法蘭差壓液位變送器的總誤差較RS型雙法蘭差壓液位變送器的顯著減少。

3)該工況下,ERS型雙法蘭差壓液位變送器的表現優于RS型雙法蘭差壓液位變送器,而非對稱式RS型雙法蘭差壓液位變送器的表現優于對稱式RS型雙法蘭差壓液位變送器,高精度ERS型雙法蘭差壓液位變送器的表現優于經典型ERS型雙法蘭差壓液位變送器。

4)ERS型雙法蘭差壓液位變送器包括本體和膜片部分,因為在膜片處多一段充油,所以ERS型雙法蘭差壓液位變送器的比毛細管的概率偏差理論上更高,RS型雙法蘭差壓液位變送器在膜片處的充油計入了毛細管充油,因此概率偏差理論上更低,實際結果數據符合這一規律。

其次,對象二將單一變量環境溫度設置為黑龍江省某市,該市2022年最低溫度為-22 ℃,最高溫度為21 ℃,其余選型參數不變,再次進行計算。從計算結果可以看出,在該工況下,四種儀表類型的計算結果規律與對象一相同。通過對象二與對象一的計算結果對比,在環境溫差較大的工況下,誤差更大,響應時間更長,在最低溫度較低時尤其明顯。而ERS型儀表對于溫差較大的工況,能夠更好地控制響應時間和誤差的增幅,表現較為穩定。

4.2 比對毛細管長度對測量結果的影響

首先,研究不同毛細管長度對測量結果的影響,設置單一變量為毛細管長度,對象三為2×15 m(對稱型)和1×15 m(非對稱型),對象四為2×10 m(對稱型)和1×10 m(非對稱型),其余參數保持不變。

通過對象四與對象三的計算結果對比可以得出,因ERS型雙法蘭差壓液位變送器不帶毛細管,因此毛細管的長度變化對誤差值的影響幾乎可忽略不計,因此ERS型雙法蘭差壓液位變送器可以顯著降低上文所述在毛細管處產生的誤差。

4.3 比對差壓大小對測量的影響

該實驗研究差壓液位變送器高、低壓側差壓的大小對測量結果的影響,設置單一變量為差壓。差壓值在選型時通常不是直接定義,而是根據工藝條件確定,根據差壓計算公式Δp=ρgH,在介質不變的情況下,可通過改變高、低壓側法蘭距離來改變變送器差壓,對象五為法蘭距離為5 m,對象六為10 m,其余參數不變。

通過對象五、對象六的計算結果對比可知,當差壓液位變送器高、低壓側管口距離增大,則差壓增大,對RS型雙法蘭差壓液位變送器的影響為響應時間顯著增加,而系統誤差和容差略微增加。對ERS型雙法蘭差壓液位變送器的響應時間幾乎沒有影響,而誤差顯著減小。

綜上,當差壓液位變送器高、低壓側差壓值增大,ERS型雙法蘭差壓液位變送器更能滿足需求。

4.4 比對靜壓大小對測量的影響

該實驗研究被測介質的靜壓大小對測量結果的影響,設置單一變量為靜壓,對象七與對象八分別假設操作表壓為1 MPa和4 MPa,其余參數保持不變。對比2個計算結果可以得出： 總體ERS型雙法蘭差壓液位變送器的表現優于RS型雙法蘭差壓液位變送器,被測介質的靜壓值對RS型及ERS型雙法蘭差壓液位變送器的響應時間影響較小;靜壓值增大,RS型雙法蘭差壓液位變送器誤差增加較小,ERS型雙法蘭差壓液位變送器誤差增加較大。

綜上所述,靜壓大小對ERS型雙法蘭差壓液位變送器影響更大。

4.5 重復實驗

為避免實驗樣本較少影響研究的可靠性,將樣本進一步擴大,改變變送器的尺寸、磅級、介質以及材質等,作為新的實驗樣本,重復實驗一至四,得到新的幾組計算數據進行分析,得到的規律與結論與上述基本一致。

5 ERS型架構適用性分析結果

綜上,通過對ERS型雙法蘭差壓液位變送器的幾個輪次的實驗對比分析,得出如下結論：

1)總結變送器的動態性能的影響因素,通過分析變送器響應時間,可以得出：

a)對于RS型雙法蘭差壓液位變送器,毛細管長度越長,響應時間隨之增加。

b)對于RS型雙法蘭差壓液位變送器,溫度變化對毛細管中硅油的體積有很大影響,環境溫差越大,響應時間隨之增加。

c)ERS型雙法蘭差壓液位變送器相比RS型雙法蘭差壓液位變送器,響應時間顯著減少。

d)變送器精度、變送器高低壓側差壓以及被測介質的靜壓對響應時間影響極小。

2)總結變送器的穩態性能的影響因素,通過分析變送器的系統誤差及容差,可以得出：

a)對于RS型雙法蘭差壓液位變送器,毛細管長度越長,誤差隨之增大。

b)對于RS型雙法蘭差壓液位變送器,同樣因為溫度變化對毛細管中硅油的體積有很大影響,環境溫差越大,誤差隨之增大。

c)對于差壓液位變送器高低壓側管口距離較大,高低壓側差壓較大,以及被測介質的靜壓較小的工況下,ERS雙法蘭差壓液位變送器的優勢更明顯。

d)ERS雙法蘭差壓液位變送器的總體誤差要遠小于RS雙法蘭差壓液位變送器的總體誤差。

e)特別注意： 一些對稱式RS雙法蘭差壓液位變送器不適用的情況,非對稱式RS雙法蘭差壓液位變送器卻很適用。

6 應用建議

通過參考某制造商對ERS變送器進行實驗所獲得的龐大的計算數據,以及近年來ERS雙法蘭差壓液位變送器在某1.6×106t/a乙烯裝置的實際應用經驗,總結出了ERS雙法蘭差壓液位變送器的應用建議如下：

1)ERS型雙法蘭差壓液位變送器在環境溫度變化范圍較寬,溫差變化較大的地區優勢更明顯,在高緯度或高海拔地區尤為適用。

2)根據實際經驗,兩管口安裝間距超過8 m,建議優先考慮ERS型雙法蘭差壓液位變送器,管口間距小于8 m則不需要優先考慮。

3)兩管口差壓大,靜壓小的情況下,更適宜選用ERS型雙法蘭差壓液位變送器。參考制造商大量計算數據,理論上,靜壓(p1)和差壓(p2)在(p1+p2)/p2<100∶1的情況下,ERS型雙法蘭差壓液位變送器更適用。但實際工程中,變送器通常不會滿量程使用,根據實際經驗,靜壓和差壓在(p1+p2)/p2<30∶1,ERS型雙法蘭差壓液位變送器優勢更加顯著。

4)當使用RS型雙法蘭差壓液位變送器需要伴熱的情況下,推薦使用ERS雙法蘭差壓液位變送器,該型變送器無需考慮毛細管伴熱,更具有優勢。

5)當選用智能差壓液位變送器或RS型雙法蘭差壓液位變送器出現引壓管或毛細管過長的情況時,可優先考慮使用ERS型雙法蘭差壓液位變送器。

6)變送器測量有漂移的情況,影響測量精度,更適宜使用ERS型雙法蘭差壓液位變送器。

7)因ERS型雙法蘭差壓液位變送器表頭離管口距離非常近,所以該型變送器不適宜在高溫條件下使用。但是在實際應用時,可以通過增加一小段毛細管,同時兼顧高溫和變送器表現性能兩方面問題。

8)當變送器測量介質具有強酸、強堿、腐蝕、振動或黏度高等特性,或易堵塞引壓管時,建議選用RS型雙法蘭差壓液位變送器,也可考慮選用ERS型雙法蘭差壓液位變送器。

9)在精度要求較高的情況下可考慮選用高精度ERS型雙法蘭差壓液位變送器,但在一般工況下經典ERS型雙法蘭差壓液位變送器已能夠滿足精度要求。

10)ERS型雙法蘭差壓液位變送器成本約為同精度、同材質RS型雙法蘭差壓液位變送器的兩倍,高精度ERS型雙法蘭差壓液位變送器成本較經典ERS型雙法蘭差壓液位變送器更高,因此選用ERS型雙法蘭差壓液位變送器時需適當考慮成本相關問題。

7 結束語

在乙烯裝置中,大型塔器的物位測量極為關鍵,包括在C3汽提塔蒸汽再沸器和C3重整吸入罐等較高的設備的液位測量,以及初級分餾塔、燃料油汽提塔和盤油汽提塔等測量黏度較大介質時,以及廢堿汽提塔、廢堿汽提塔塔頂汽包和廢堿脫氣罐等測量腐蝕性介質時,以及有響應時間和精度要求的重要測量位置,都選用了ERS型差壓液位變送器,取得了較好的效果,解決了乙烯項目中高低壓側法蘭間距過大、保冷伴熱困難等測量問題,在重要的物位測量節點滿足了精度要求。