摘要分析探討了傳統(tǒng)差壓變送器在液氨球罐液位測(cè)量中的局限性，介紹了3051S ERS電子遠(yuǎn)傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。對(duì)傳統(tǒng)的差壓變送器采用ERS系統(tǒng)改造后，徹底解決了傳統(tǒng)差壓變送器氣相管積液的問(wèn)題。
云南云天化股份有限公司紅磷分公司的氨站主要由2只容積為400 m 、內(nèi)徑為 9 200 mm的球罐(1 和2 )和2只容積為1 000 m 、內(nèi)徑為12 300 mm(3 和4 )的球罐及附屬設(shè)施組成，采用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％ ，超出此范圍則發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，因此，液位的準(zhǔn)確測(cè)量是其安全運(yùn)行的關(guān)鍵。
1、問(wèn)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(jīng)查為差壓變送器氣相管積液氨(正常測(cè)量時(shí)是氣氨)，使液位指示值比實(shí)際液位低很多。排盡氣相管內(nèi)的積液后，液位指示恢復(fù)正常，但很快又出現(xiàn)積液現(xiàn)象，隨后其他3只球罐也相繼出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。為保證球罐液位的準(zhǔn)確測(cè)量，每隔30 min左右就需對(duì)氣相管進(jìn)行排液。在液氨球罐差壓變送器氣相管出現(xiàn)積液的時(shí)段內(nèi)，80 kt／a合成氨裝置停車(chē)檢修，且預(yù)留卸氨的冰機(jī)(1259 kW)出現(xiàn)故障，紅磷分公司外購(gòu)的液氨只能用氨站2臺(tái)冰機(jī)(47．2 kW)進(jìn)行卸氨。由于冰機(jī)制冷能力不足，卸入球罐的液氨攜帶的冷量不夠，球罐內(nèi)的液氨處于亞臨界狀態(tài)，差壓變送器氣相管內(nèi)的氣氨在多種因素作用下轉(zhuǎn)換為液氨，而液氨卻難以轉(zhuǎn)化為氣氨，從而產(chǎn)生積液，此過(guò)程持續(xù)了近15 d。
2014年8月，合成氨裝置停車(chē)。8月8日中班，1 球罐處于卸氨過(guò)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(fù)混肥(NPK)裝置供應(yīng)液氨。17：15左右，2 球罐液位由31％ 逐步下降；17：40，差壓變送器液位指示為零，磁性翻板液位計(jì)反復(fù)上下亂指示，操作人員無(wú)法判斷2球罐內(nèi)的液位情況，DAP裝置和NPK裝置作緊急停車(chē)處理；從18：40開(kāi)始，每隔15 min對(duì)差壓變送器氣相管進(jìn)行排液；19：2O，差壓變送器恢復(fù)正常指示，此時(shí)2 球罐液位為28％，磁性翻板液位計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的排液操作后也恢復(fù)了正常指示。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(shí)段內(nèi)，液位出現(xiàn)先下降后上升再下降且反復(fù)波動(dòng)的趨勢(shì)。DAP裝置與NPK裝置正常開(kāi)車(chē)時(shí)，液氨用量為20～25 t／h。由于球罐的體積特性，在供氨量穩(wěn)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(dāng)液位下降至一定值且供氨量大(干擾大)的情況下，球罐內(nèi)的液氨從亞臨界狀態(tài)迅速達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)氣液兩相的分界面已消失，即不存在液位，且氣液相的密度相同¨ ；由于液氨的特性狀態(tài)及供氨的持續(xù)，液位進(jìn)一步下降，使球罐內(nèi)的液氨達(dá)到超臨界狀態(tài)，此時(shí)氣液兩相相互作用的過(guò)程為克服內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生激烈的擾動(dòng)與渦流_2 J，磁性翻板液位計(jì)也因此上下亂指示而失效。2014年8月，2 ，3 和4 球罐差壓變送器氣相管又反復(fù)出現(xiàn)積液的情況，只是不如2011年7月那么頻繁。
2 傳統(tǒng)差壓變送器測(cè)量原理及局限性
2．1 測(cè)量原理
傳統(tǒng)差壓變送器的正壓室(法蘭)接液相，負(fù)壓室經(jīng)導(dǎo)壓管接氣相，其安裝示意見(jiàn)圖1。根據(jù)流體靜力學(xué)原理_3 J，則有：
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(fù)壓室所受的壓力，Pa；
— — 球罐內(nèi)的液位高度，m；
AP ——液位為h時(shí)差壓變送器的差壓
值，Pa；
△P—— 液位為100％ 時(shí)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(nèi)的氣相壓力，Pa。
從式(5)可知，當(dāng)差壓變送器測(cè)得△P 時(shí)，就可求得液位h。
2．2 液氨球罐液位測(cè)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，采用圖1所示的傳統(tǒng)單法蘭差壓變送器測(cè)量液位。在多年的運(yùn)行過(guò)程中，差壓變送器氣相管積液現(xiàn)象只是偶爾出現(xiàn)且積液量不大，對(duì)液位測(cè)量不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，日常維護(hù)量很小。2014年8月8日2 球罐出現(xiàn)的問(wèn)題，特別是當(dāng)罐內(nèi)的液氨處于臨界及超臨界狀態(tài)下，就目前的技術(shù)而言，任何類型的測(cè)量?jī)x表要在這樣的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量幾乎是不可能的，因?yàn)樵谀菢拥臓顟B(tài)下根本不存在液位。盡管如此，上述2個(gè)案例中氣相管頻繁積液也暴露出傳統(tǒng)差壓變送器在液氨球罐液位測(cè)量中存在局限性。
雙法蘭差壓變送器是一種成熟可靠的技術(shù)，但一直很難在高型容器中得到應(yīng)用，因?yàn)樾枰L(zhǎng)的毛細(xì)管以方便安裝，而過(guò)長(zhǎng)的毛細(xì)管會(huì)導(dǎo)致壓力傳輸誤差過(guò)大，即當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)填充的硅油在高溫下膨脹或低溫下收縮的情況變得更加明顯，從而使測(cè)量誤差增大 。雙法蘭差壓變送器及安裝示意如圖2所示。
3 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)及3051S ERS電子遠(yuǎn)傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)
3．1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)
目前，液氨球罐液位測(cè)量除采用傳統(tǒng)單法蘭差壓變送器外，還有導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。以基于TDR時(shí)域反射原理 的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)為例，其安裝示意見(jiàn)圖3。
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的工作原理：雷達(dá)發(fā)出的高頻脈沖信號(hào)被發(fā)射到探頭并沿著纜繩傳播，信號(hào)在液氨界面發(fā)生反射并沿著纜繩傳遞回來(lái)被雷達(dá)接收，轉(zhuǎn)換后得到液位信息。雷達(dá)天線到液氨界面的距離d與脈沖信號(hào)運(yùn)行時(shí)間t的關(guān)系為d=ct／2，其中c為光速。在空高E已知時(shí)，液位h=E —d。
采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)時(shí)，若原液氨球罐沒(méi)有預(yù)留安裝接口，則需在球罐上開(kāi)DN80 mm的孔安裝接管且必須采用厚壁管焊接結(jié)構(gòu) J，同時(shí)涉及一些壓力容器手續(xù)變更等。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的纜繩需設(shè)置重錘或在球罐底部固定，密封是一個(gè)需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，氨氣冷凝、氣體干擾、油污等易使導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，在線維護(hù)困難，在線拆裝更是不可能。總之，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝、維護(hù)等比差壓變送器嚴(yán)格、復(fù)雜得多 。
3．2 3051S ERS電子遠(yuǎn)傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)
2011年，艾默生過(guò)程管理公司推出了3051SERS(Electronic remote sensor)電子遠(yuǎn)傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)，配置2臺(tái)直接安裝的3051S壓力變送器，2臺(tái)壓力變送器之間以專用電纜、數(shù)字信號(hào)方式連接，可任意設(shè)定2臺(tái)壓力變送器中的1臺(tái)作為功能計(jì)算模塊計(jì)算出高低壓側(cè)的差壓信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的兩線制電纜以4～20 mA的HART信號(hào)進(jìn)行相關(guān)信息的傳輸。ERS系統(tǒng)是基于艾默生公司先金成熟的3051S壓力變送器平臺(tái)，是差壓液位技術(shù)的進(jìn)一步數(shù)字化升級(jí)，其好特的數(shù)字架構(gòu)解決了在高型容器／塔、高溫等特殊工況下進(jìn)行液位、差壓測(cè)量的技術(shù)難題，在工程應(yīng)用中具有很多的優(yōu)點(diǎn)。3051S ERS系統(tǒng)安裝示意見(jiàn)圖4。
3．2．1 3051S ERS系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
3051S ERS系統(tǒng)以數(shù)字方式取代了傳統(tǒng)差壓變送器的氣相管和毛細(xì)管，有效克服了由環(huán)境溫度變化、安裝所引起的放大偏差；響應(yīng)速度更快，精度更高，即使在大范圍變化的溫度條件下也具備快速的響應(yīng)時(shí)間和更加穩(wěn)定、可重復(fù)的測(cè)量。采用3015S ERS系統(tǒng)可充分利用現(xiàn)有的差壓變送器安裝接口及信號(hào)電纜，只需重新配置2個(gè)模塊之間的連接電纜及保護(hù)管，wuxu伴熱保溫。因3015S ERS系統(tǒng)本質(zhì)上就是差壓變送器，不需要進(jìn)行特別培訓(xùn)，其每個(gè)模塊都可單好進(jìn)行更換及維修，過(guò)程維護(hù)簡(jiǎn)單而有效。因取消了氣相管，故不存在氣相管積液的問(wèn)題。
3．2．2 傳統(tǒng)差壓變送器的ERS系統(tǒng)改造及其運(yùn)行效果
綜合考慮液氨的物性特點(diǎn)及目前球罐液位測(cè)量?jī)x表技術(shù)、安裝接口等多種因素后，認(rèn)為選用305 1 S ERS系統(tǒng)對(duì)在用的傳統(tǒng)差壓變送器進(jìn)行改造是#優(yōu)的方案。
2013年3月，對(duì)1 球罐的傳統(tǒng)差壓變送器采用ERS系統(tǒng)進(jìn)行了改造。ERS系統(tǒng)投用后，在其量程計(jì)算密度條件附近的液位指示基本與磁性翻板液位計(jì)一致；在偏離計(jì)算密度條件較大時(shí)的液位指示與磁性翻板液位計(jì)存在一定偏差，這主要是量程的計(jì)算密度是一定條件下的定值所造成的，也可以認(rèn)為是壓力變送器在這種應(yīng)用下存在的另一個(gè)“局限性”，但從多年的運(yùn)行情況來(lái)看，這點(diǎn)偏差不會(huì)對(duì)正常測(cè)量及操作運(yùn)行產(chǎn)生大的影響。與2 ，3 和4 球罐在用的傳統(tǒng)差壓變送器相比，1 球罐改用ERS系統(tǒng)后的反應(yīng)速度#快、測(cè)量#準(zhǔn)確、運(yùn)行效果#好，至今未出現(xiàn)過(guò)任何問(wèn)題
4 結(jié)語(yǔ)
采用ERS系統(tǒng)改造傳統(tǒng)的差壓變送器，徹底解決了液氨球罐液位測(cè)量中氣相管積液的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，充分體現(xiàn)了這一系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)越性。任何測(cè)量?jī)x表都有自身的技術(shù)特點(diǎn)與實(shí)用范圍，要獲得良好的工程應(yīng)用，對(duì)測(cè)量介質(zhì)特性的詳細(xì)了解至關(guān)重要 J。此外，隨著測(cè)量及儀表技術(shù)的發(fā)展，利用微振動(dòng)傳感分析技術(shù)原理的外測(cè)式液位計(jì)已在液氨球罐的液位測(cè)量中得到了應(yīng)用 。
關(guān)注我們 實(shí)現(xiàn)共贏