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雙法蘭液位變送器在化工裝置中的應用及優化分析
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雙法蘭液位變送器在化工裝置中的應用及優化分析

時間:2022-01-12 17:40:59

 摘 要 :雙法蘭差壓液位計是化工裝置中較為普遍使用的液位變送器之一,但在實際應用中卻因測量有誤差等問題影響了生產的正常安全運行。通過對雙法蘭液位計原理進行分析,從雙法蘭液位計的現場安裝及裝置試運行后發現的問題入手,對可能影響雙法蘭液位計測量精度的因素分別討論分析,提出了多種解決方案。并根據問題解決效率及可行性等方面的考慮,非常終選定較為合理的解決方案。進一步提出雙法蘭液位計在設計選型過程中可能對實際安裝或生產帶來的影響。417壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
差壓液位計在石油、化工、冶金、電力、食品、醫藥等工業生產中被廣泛使用,通過檢測液體表壓并將測量信號轉化為 4 ~ 20 mA DC 輸出信號來反應液位高度。在生產裝置中,對各反應器、精餾塔、容器、儲罐等的液位測量極為關鍵。差壓液位計由于其精度較高、穩定性好、易實現遠傳、量程、零點外部連續可調,因此在化工裝置中是較為成熟的液位測量變送器之一。尤其以雙法蘭差壓液位計,因安裝便捷、對介質的清潔度要求較低、適用性強等特點 [1],在化工生產中被廣泛使用。
 
本文通過對雙法蘭液位變送器測量原理和零點遷移問題的展開,以其在化工裝置安裝及運用中產生的問題為例,提出了解決問題的優化方案,根據解決過程中對問題的分析及非常終的優化方案,總結了應用雙法蘭差壓液位計需注意的事項。
 
1 雙法蘭液位變送器測量原理及遷移
1.1 測量原理
雙法蘭液位變送器主要用于密閉受壓容器的液位測量,其測量安裝方式如圖 1 所示。變送器的法蘭直接與容器上的法蘭連接,作為敏感元件的測量頭經毛細管與變送器的測量室相連通,在膜盒、毛細管和測量室所組成的封閉系統內充有硅油,作為傳壓介質,起到變送器與被測介質隔離的作用。
 
雙法蘭液位變送器在實際應用時,膜盒受到介質施加的壓力從而產生位移,通過隔離液將測得的壓力傳送給變送器。該壓力會使壓力變送器內的傳感膜片發生位移,位移量與測量壓力成正比,再將位移量信號轉變為相應的 4 ~ 20 mA 輸出信號。
雙法蘭差壓液位變送器測量原理
1.2 遷移計算
在實際采用雙法蘭液位計進行液位測量時,往往無法滿足雙法蘭變送器的正、負壓室與取壓點在同一水平面上。因此需要對雙法蘭液位計進行遷移操作。這里根據雙法蘭液位計相對于容器的安裝位置,對雙法蘭變送器的量程及遷移量分三種情況進行討論。
 
1.2.1 雙法蘭液位計安裝于正壓側下方
當雙法蘭變送器安裝在容器較低端法蘭水平線以下時,安裝位置如圖 2 所示。
雙法蘭液位計安裝于正壓側下方
假設工藝介質的密度為 ρ,雙法蘭液位計毛細管內填充液的密度為 ρ0,以及密閉容器中工藝介質上方的壓力為 p0。故變送器的量程為 :
∆p = Hρg (1)
 
而此時正壓側壓力 p+=h2 ρ0 g + p0,負壓側壓力p-=h1 ρ0 g + p0,因此該情況下雙法蘭變送器的遷移量 p為 :
p = p+ -p- = h2 ρ0 g + p0- ( h1 ρ0 g + p0 ) =-Hρ0 g (2)
 
1.2.2 雙法蘭液位計安裝于正負壓側之間
當變送器安裝在容器的正負壓側之間時,安裝位置如圖 3 所示。
雙法蘭液位計安裝于正負壓側之間
此時變送器的量程仍為 :
∆p = Hρ g (3)
 
而正壓側壓力 p+ = -h2 ρ0 g + p0,負壓側壓力
p-=h1 ρ0 g + p0,因此該情況下雙法蘭變送器的遷移量p[2] 為 :
p = p+-p- = -h2 ρ0 g + p0- ( h1 ρ0 g + p0 ) =-Hρ0 g (4)1.2.3 雙法蘭液位計安裝于負壓側上方
 
當變送器安裝在容器的負壓側上時,安裝位置如圖 4 所示。
 雙法蘭液位變送器安裝于負壓側上方
此時變送器的量程仍為 :
∆p = Hρ g (5)
而正壓側壓力 p+=-h2 ρ0 g + p0,負壓側壓力 p-= 
-h1 ρ0 g + p0,因此該情況下雙法蘭變送器的遷移量 p
為 :
p = p+ - p- = -h2 ρ0 g + p0- ( -h1 ρ0 g + p0 ) =-Hρ0 g (6)
 
根據上述計算,可發現公式(2)、(4)、(6)結果均相等?梢婋p法蘭變送器不同于差壓變送器,其量程和零點遷移量是固定的 [3]。
 
1.3 遷移方法
1.3.1 根據計算公式遷移
根據工藝提供的參數,可以得到介質的密度等數據,通過上述公式計算得出遷移的數值進行設置。
 
1.3.2 現場安裝后零點遷移
零點遷移,即通過遷移彈簧改變雙法蘭變送器的零點,使得被測液體為零時,變送器的輸出為起始值(4 mA)。首先,測量出設備正負取壓點的實際高度差,根據液體密度算出非常大差壓值,根據該差壓值設定變送器的量程。將正壓側頭道閥關閉,打開排放閥。通過 475 通訊器現場將此時的液位設定在零點。
 
方法一偏理論計算,在實際運用中往往因為工藝參數(如法蘭開口位置等)與現場實際情況有所出入,導致存在一定誤差。而方法二根據現場實際情況進行遷移設定,誤差較小。
 
2 安裝問題分析及解決方案
2.1 安裝問題分析
在某化工裝置的罐區和主反應器上,均采用了雙法蘭液位計進行液位測量。但在安裝過程中發現,由于現場容器的實際法蘭開口位置變化或受平臺影響,出現多個液位計負壓側法蘭毛細管設計長度過短而導致變送器無法安裝的情況?紤]到項目開車在即,重新選型采購儀表需要一定的周期,無法立刻滿足生產要求,且不利于工程項目成本控制,因此需要對原有的安裝方案進行調整。
 
2.2 解決方案
根據上述分析,可通過適當調整變送器安裝位置來解決該問題。但若變送器安裝位置超出正壓側一定高度,會引起負壓側上承受負的落差壓,長期運行易導致負壓側損壞 [4],因此通過計算得出該型號變送器的一個合理安裝范圍。在變送器推薦的安裝范圍之內有檢修平臺或可以安裝變送器的空間,則可以將變送器移至該高度重新安裝,不會造成變送器的損壞。具體調整方案如下 :
(1)對于罐區的雙法蘭液位計,由于儲罐均設有檢修平臺,可將變送器移至合適的平臺安裝。
(2)對于框架內主反應器上的雙法蘭液位計,由于框架層高較高,若將變送器調整至框架中的上一層,則所需遷移量超出了變送器本身量程的上下限,無法進行遷移操作。因此可選取靠近反應器正壓側的框架樓層,在反應器周圍的框架基礎上搭設固定的鋼結構平臺用于放置變送器,再搭設配套樓梯供操作人員日常檢修使用。但該方案受到現場情況的制約,部分框架內的管道及儀表設備十分緊湊,沒法提供足夠的空間增加平臺和樓梯。即使搭設了鋼結構平臺樓梯,也會影響到日后的檢修通道。
 
(3)部分無法增設平臺的變送器可采用從反應器負壓側引下管線的方法安裝?紤]到該反應器在正常工況下不會滿罐,因此從反應器頂部的負壓側 B引出一段向下的管線,并在適當位置 A 重新開口接出法蘭與變送器連接,管線的末端可連至催化劑回收管線或排空。調整方案如圖 5 所示。
雙法蘭變送器安裝解決方案
由圖 5 可見,原本應連接在 B 處的變送器負壓側改為連接至同一管線上的 A 法蘭處,上、下法蘭間長度縮短可確保變送器順利安裝。根據連通器原理,在同一管線上的氣壓處處相等。雖然變送器膜片法蘭安裝由平裝變為側裝以及氣體的重力勢能因素會導致一部分誤差,但 A 處與 B 處的壓力基本可作為相等。
 
該方案中將變送器負壓側安裝在 A 處只會給測量帶來極小的誤差,不僅經濟快捷,而且改動較小,可行性高。
 
3 應用實例分析及優化方案
雙法蘭液位計是差壓變送器的一種,但相較于配導壓管的差壓變送器,雙法蘭液位計在工廠的實際應用中有諸多優點。以下以某化工裝置為例進行分析。
 
3.1 應用優勢
通;ぱb置中使用配導壓管的差壓變送器進行液位測量及控制較為普遍,在該化工裝置中的丁醇精餾塔上也用了普通的差壓液位計。設計之初,考慮到該精餾塔內不存在高壓、高溫、顆粒狀介質等狀況,因此未在差壓液位計的正、負壓室后設計隔離罐。在投料試車熱運行階段發現負壓側常出現積液情況。經過分析,認為造成問題的原因為塔內蒸出餾分會帶有一定水分,這些水分在負壓側遇冷,又無法通過壓差吸回塔內,因此形成凝液積攢在負壓側。這導致變送器產生虛假高液位,需頻繁人工打開導淋閥排放凝液,給生產造成一定不便,帶來不安全因素。
 
為了解決該問題,后期只能采用諸如增加伴熱,隔離罐等方法解決。若采用雙法蘭液位計,變送器與被測設備之間使用毛細管連接,就能很好地避免該問題的發生。并且由于毛細管與變送器形成了密封系統,相較于差壓式變送器還可以有效地消除導壓管可能產生的工藝介質泄露,也可免去頻繁向與差壓變送器配套的隔離罐中補充隔離液的繁瑣。
 
3.2 問題實例分析及方案優化
在該化工裝置試運行期間,發現雙法蘭液位計與現場磁翻板液位計存在 15 % 左右的測量誤差。在對現場磁翻板進行檢查及通過前后工藝參數進行計算后,初步判斷為雙法蘭液位計讀數有誤差。故障原因分析過程如下 :
(1)測量法蘭問題 :對變送器法蘭膜盒進行外觀檢查,判斷是否存在膜盒凸起等損壞情況。若膜盒因處于過壓環境而出現表面凹凸不平,則極有可能造成變送器測量誤差甚至損壞。
(2)變送器故障 :將兩片法蘭置于同一水平面上,檢查變送器讀數是否為 0,判斷是否存在變送器故障。
(3)變送器設置問題 :使用 475 通訊器對變送器進行通訊,檢查變送器的參數是否有誤,尤其是零點以及量程設置是否正確。
(4)DCS 組態設置:對 DCS 系統組態進行檢查,確認非系統運行顯示故障或參數設置問題。
(5)工藝問題 :判斷是否由于操作原因或工藝條件發生變化導致的誤差。
 
經過對以上原因的反復檢查,排除了以上 5 條故障原因,考慮造成誤差的原因為雙法蘭液位計毛細管引發的故障。
 
經分析,雙法蘭液位計毛細管可能引發誤差的原因如下 :
(1)毛細管外部受損導致充灌液泄漏
毛細管通常被固定在反應器的外部,且本身材質硬度不高,極易在使用過程中受外力沖力發生折斷、碎裂。因為毛細管直徑較小,若出現折損現象不易察覺,導致毛細管中的充灌液泄露,使得雙法蘭變送器的測量出現誤差。
 
經檢查,現場并未發現雙法蘭變送器毛細管出現明顯傷痕及泄漏。但為防止毛細管因風產生振蕩或受到外部重物撞擊受損,應將過長的毛細管進行捆綁并固定在反應器上的金屬框架或支撐上,并用角鋼對其進行保護。
 
(2)毛細管內填充液特性
毛細管內的填充液會隨溫度的變化而產生熱脹冷縮,因此填充液的物理特性與體積會影響雙法蘭變送器的性能。工藝過程溫度或環境溫度變化都會導致毛細管內填充液的熱脹冷縮現象,填充體積發生變化,從而引起變送器測量系統內部壓力的變化。因此,所選擇填充液的特性也會影響測量精度。
 
通常選用的填充液主要有甲基硅油(D.C.200)、氟油、鹵化烴、乙二醇與水等。填充液會隨溫度的變化而產生熱脹冷縮從而改變其體積大小,填充液特性之一的熱膨脹系數會決定其體積的變化量。因此選擇具有較小熱膨脹系數的填充液將大幅減少溫度所帶來的測量誤差。常用的幾種填充液物理特性見表 1。
填充液比重
同時,若填充液體積越大,熱膨脹對測量產生的影響將會越大。因此需要對填充液的體積進行控制。通過非常大限度地減少毛細管的長度和內徑,使得填充液的體積盡可能地小,以避免因溫度變化產生的測量誤差。
 
在該項目中,雙法蘭變送器毛細管內采用了甲基硅油作為充灌液。甲基硅油的密度是隨溫度產生變化的?紤]工地現場位于北方且試運行期為 1 月份,夜間可能會出現 -10 ℃以下的極端氣溫,因此毛細管中填充液的密度可能會產生變化。根據式(2),差壓值為 -Hρ0 g,當極端溫度降至 -10 ℃時,根據表 1 可知,甲基硅油的比重 ρ0 將會從 1.07降至 0.93,因此會產生 13 % 左右的誤差,F場通過HART 475 對該雙法蘭變送器將變送器重新校零后,誤差消失。
 
根據上述分析,環境溫度的變化會導致雙法蘭液位計的測量產生誤差。為了盡量降低這種極端低溫或極大溫差對測量結果的影響,采取了對雙法蘭液位計的毛細管增加保溫伴熱的措施,減少了毛細管內充灌液受到環境溫度的影響。
 
3.3 經驗總結
雙法蘭液位計雖為普通常見的測量儀表,但在安裝與實際運行過程中還是存在諸多問題,通過對這些問題的分析,得出今后在處理雙法蘭變送器時,需注意如下幾個方面 :
(1)變送器適宜的安裝位置可以通過計算得出,但實際安裝情況下需要重新考慮場地、反應器安裝位置及反應塔上平臺位置等因素。根據實際情況選擇變送器的安裝位置時,盡可能使得變送器安裝在變送器正壓側下方位置,以保護膜頭不受損。
(2)當測量容器放置在非格柵板鋪平臺的構筑物上,需考慮上下法蘭的安裝問題。應預先留好足夠大的板面穿孔或利用容器與平臺的間隙,使得法蘭頭可以通過穿孔和間隙安裝到反應器指定的法蘭接口上。
(3)毛細管需要進行額外的保護,以免在操作過程中因外力受到損壞,通常應將過長的毛細管捆綁固定并采用角鋼進行保護。
(4)工藝過程溫度及環境溫度的變化都有可能影響毛細管內充灌液的密度,從而給測量帶來誤差。因此,當工藝過程溫度及環境溫度過高或過低時,應考慮毛細管內充灌液的膨脹特性,若接液溫度過高而導致充灌液受熱膨脹超過一定極限后,會導致測量壓力值改變,產生巨大誤差。需要根據過程溫度選擇性質合適的充灌液,并適當地增加保溫隔熱措施。
(5)當測量罐內是真空時 [5],由于充灌液中所含有的空氣會在真空場合中發生體積膨脹,這種體積膨脹會產生一個壓力值,這個壓力值作用在測量系統中即會導致差壓值產生誤差。此外,充灌液在負壓狀況下的沸點也會降低,若工藝溫度高于此沸點,部分充灌液氣化會產生氣化壓力,也可能產生測量誤差。因此,真空場合的雙法蘭液位計與普通選型不同,需要重新考慮合適的毛細管充灌液、變送器結構與安裝形式。
 
(6)變送器的響應時間受變送器毛細管的內直徑、填充液的黏度以及毛細管長度三個因素影響?s小毛細管的內直徑、采用黏度較大的填充液、增加毛細管長度會降低變送器的響應時間,反之則會加快變送器的響應時間。當測量罐體較大且液位變化緩慢時響應時間可以適當較長,而當測量罐體積狹小或內部反應劇烈時,響應時間應盡量快速。根據所屬工況對變送器毛細管進行選擇,確保該變送器的響應時間可以滿足測量的需要。
 
4 結束語
雙法蘭液位計雖為普通常見的測量儀表,但如果對選型、安裝和應用的一些關鍵因素考慮不周,在使用過程中仍會存在問題。筆者認為設計初期若能充分考慮到過程溫度、壓力、介質和環境因素及安裝條件等可能給測量精度、穩定運行和使用壽命帶來影響的因素,尤其是可能產生的極端情況,就會避免一些在安裝和投用過程中可能產生的問題,為裝置的安全、穩定和長周期運行打下良好的基礎。
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