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    差壓液位變送器用于液氨球罐液位測量過程的局限性及改造方案分析

    發表時間:2016-12-16   點擊次數:969 技術维持:1560-1403-222
    某化工股份有限公司紅磷分公司的氨站主要由二只容積為400 m 、內徑為 9 200 mm的球罐「1 和2 」和2只容積為1 000 m 、內徑為12 300 mm「3 和4 」的球罐及附屬設施組成,采取常溫壓力存貯方式貯存液氨。液氨球罐液位要求控制在15% ~75% ,高出此范圍發出相應的報警信號,因而,液位的準確測量是其運行的關鍵。

    一、問題的提出及成因
    2011年7月30日中班,4 液氨球罐液位指示偏差大,經查為差壓變送器氣相管積液氨「正常測量時是氣氨」,使液位指示值比實際液位低许多。排盡氣相管內的積液后,液位指示恢復,但出現積液現象,其他三只球罐出現的問題。為保證球罐液位的準確測量,每隔30 min左右就需對氣相管進行排液。在液氨球罐差壓變送器氣相管出現積液的時段內,80 kt/a合成氨裝置停車檢修,且預留卸氨的冰機「1 259 kW」出現故障,紅磷分公司外購的液氨只能用氨站二臺冰機「47.2 kW」進行卸氨。由于冰機制冷能力不足,卸入球罐的液氨攜帶的冷量不夠,球罐內的液氨處于亞臨界狀態,差壓變送器氣相管內的氣氨在多種因素效用下轉換為液氨,而液氨卻轉化為氣氨,從而產生積液,此過程持續了近15 d。

    2014年8月,合成氨裝置停車。8月8日中班,1 球罐處于卸氨過程中,3 和4 球罐液氨存量保底,2 球罐向磷銨分廠270 kt/a和180 kt/a磷酸二銨「DAP」裝置及300 kt/a復混肥「NPK」裝置供應液氨。17:15旁边,2 球罐液位由31% 着落;17:40,差壓變送器液位指示為零,磁性翻板液位計反復上下亂指示,操作人員判斷二球罐內的液位情況,DAP裝置和NPK裝置作緊急停車處理;從18:40開始,每隔15 min對差壓變送器氣相管進行排液;19:2O,差壓變送器恢復指示,此時2 球罐液位為28%,磁性翻板液位計進行相應的排液操作后恢復了指示。2球罐差壓變送器液位記錄曲線顯示,在17:08—18:08—18:45的時段內,液位出現先着落后上升再下降且反復波動的趨勢。DAP裝置與NPK裝置正常開車時,液氨用量為20~25 t/h。因为球罐的體積特性,在供氨量穩定的情況下,球罐赤道以下液位的下降速度是加速的,2 球罐在低液位下供氨,當液位下降至势必值且供氨量大「干擾大」的情況下,球罐內的液氨從亞臨界狀態迅速達到臨界狀態,此時氣液兩相的分界面泯灭,即不存在液位,且氣液相的密度¨ ;由于液氨的特性狀態及供氨的持續,液位進一步下降,使球罐內的液氨達到超臨界狀態,此時氣液兩相相互作用的過程為征服內摩擦力而產生激烈的擾動與渦流_2 J,磁性翻板液位計也于是上下亂指示而失效。2014年8月,2 ,3 和4 球罐差壓變送器氣相管又反復出現積液的情況,只是不如2011年7月那么。

    二、傳統差壓變送器測量原理及局限性
    2.1 測量原理傳統差壓變送器的正壓室「法蘭」接液相,負壓室經導壓管接氣相,其安裝暗指見圖1。根據流體靜力學真理_3 J,有:
    P+=pgh+P氣 (1)
    P一:P (2)
    △P1=P+一P一=pgh+P氣一P氣=pgh 「3」
    AP=pgH (4)
    h=AP1/pg (5)
    式中:P —— 差壓變送器 正壓室所受的壓力,Pa;
    P一
    — — 差壓變送器負壓室所受的壓力,Pa;
    圖1 單法蘭差壓變送器安裝示意
    — — 球罐內的液位高度,m;
    AP —液位為h時差壓變送器的差壓值,Pa;
    △P— 液位為100% 時差壓變送器的差壓值「量程值」,Pa;
    p— 液氨的密度,kg/m ;
    g— —重力加速度,m/s ;P魯— — 球罐內的氣相壓力,Pa。
    從式「5」可知,當差壓變送器測得△P 時,可求得液位h。

    2.2 液氨球罐液位測量中的局限性
    1 和2 球罐于1993年投用,3 和4 球罐于2000年投用,选拔圖一所示的傳統法蘭差壓變送器測量液位。
    雙法蘭差壓液位計

    在多年的運行過程中,差壓變送器氣相管積液現象只是出現且積液量不大,對液位測量不產生實質性的影響,維護量很小。2014年8月8日2 球罐出現的問題,是當罐內的液氨處于臨界及超臨界狀態下,就此刻的技術而言,任何類型的測量儀表要在這樣的情況下實現準確測量是不不妨的,因為在那樣的狀態下根本不存在液位。盡管如斯,上述二個案例中氣相管頻繁積液也暴露出傳統差壓變送器在液氨球罐液位測量中存在局限性。
    雙法蘭差壓變送器是一種老练可靠的技術,但難在高型容器中得到應用,因為必要長的毛細管以容易安裝,而過長的毛細管會導致壓力傳輸誤差過大,即當環境溫度變化較大時,毛細管內填充的硅油在高溫下膨脹或低溫下收縮的情況變得明顯,從而使測量誤差增大 。雙法蘭差壓變送器及安裝示意如圖二所示。

    雙法蘭差壓液位計
    圖2 雙法蘭差壓變送器及安裝示意

    三、 導波雷達液位計及3051S ERS電子遠傳數字差壓液位系統
    3.1 導波雷達液位計
    目前,液氨球罐液位測量除选拔傳統法蘭差壓變送器外,有導波雷達液位計。以基于TDR時域反射真理 的導波雷達液位計為例,其

    安裝示意見圖3。
    導波雷達液位計的工作道理:雷達發出的高頻脈沖信號被發射探頭并沿著纜繩傳播,信號在液氨界面發生反射并沿著纜繩傳遞回來被雷達接收,轉換后得到液位信息。雷達天線到液氨界面的距離d與脈沖信號運行時間t的關系為d=ct/2,其中c為光速。在空高E已知時,液位h=E —d[。
    采取導波雷達液位計時,若原液氨球罐沒有預留安裝接口,需在球罐上開DN80 mm的孔安裝接管且采取厚壁管焊接結構 J,同時涉及一些壓力容器手續變更等。

    雙法蘭差壓液位計
    導波雷達液位 計的纜繩圖3

    導波雷達液位計安裝暗示需設置重錘或在球罐底部固定,密封是一個需重點考慮的問題,氨氣冷凝、氣體干擾、油污等易使導波雷達液位計測量結果出現偏差,在線維護困難,在線拆裝更是不可以。總之,導波雷達液位計的安裝、維護等比差壓變送器嚴格、復雜得多 。

    3.2 3051S ERS電子遠傳數字差壓液位系統
    2011年,艾默生過程管理公司推出了3051SERS「Electronic remote sensor」電子遠傳數字差壓液位系統,配置二臺直接安裝的3051S壓力變送器,2臺壓力變送器之間以用電纜、數字信號方式連接,可任意設定二臺壓力變送器中的1臺作為功能計算模塊計算出崎岖壓側的差壓信號,通過標準的兩線制電纜以4~20 mA的HART信號進行相關信息的傳輸。ERS系統是基于艾默生公司老练的3051S壓力變送器平臺,是差壓液位技術的進一步數字化升級,其數字架構解決了在高型容器/塔、高溫等出格工況下進行液位、差壓測量的技術難題,在工程應用中具有良多的優點。
    雙法蘭差壓液位計
    3051S ERS系統安裝暗指見圖4。

    3.2.1 3051S ERS系統的技術特點
    3051S ERS系統以數字方式取代了傳統差壓變送器的氣相管和毛細管,灵验征服了由環境溫度變化、安裝所引起的放大偏差;響應速度更快,精度高,即使在大范圍變化的溫度條件下具備的響應時間和穩定、可重復的測量。采用3015S ERS系統可充分利用現有的差壓變送器安裝接口及信號電纜,需重新配置二個模塊之間的連接電纜及保護管,無需伴熱保溫。因3015S ERS系統本質上就是差壓變送器,不需要進行培訓,其每個模塊可進行更換及維修,過程維護簡單而灵验。因撤退了氣相管,故不存在氣相管積液的問題。

    3.2.2 傳統差壓變送器的ERS系統改造及其運行效果綜合考慮液氨的物性特點及目前球罐液位測量儀表技術、安裝接口等多種身分后,認為選用3051SERS系統對在用的傳統差壓變送器進行改造是優的方案。

    2013年3月,對1 球罐的傳統差壓變送器选择ERS系統進行了改造。ERS系統投用后,在其量程計算密度條件邻近的液位指示基本與磁性翻板液位計整齐;在偏離計算密度條件大時的液位指示與磁性翻板液位計存在偏差,這主要是量程的計算密度是條件下的定值所形成的,也不妨認為是壓力變送器在這種應用下存在的另一個“局限性”,但從多年的運行情況來看,這點偏差不會對測量及操作運行產生大的影響。與2 ,3 比4 球罐在用的傳統差壓變送器相,1 球罐改用ERS系統后的反應速度快、測量準確、運行成绩好,至今未出現過任何問題

    四、本文總結
    选择ERS系統改造傳統的差壓變送器,徹底解決了液氨球罐液位測量中氣相管積液的問題,經過實踐檢驗,充分體現了這一系統的技術優越性。任何測量儀表有自身的技術與實用范圍,要獲得良好的工程應用,對測量介質特性的詳細了解至關重要 J。其余,隨著測量及儀表技術的發展,利用微振動傳感剖析技術原理的外測式液位計在液氨球罐的液位測量中得到了應用­­­­。

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