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吹气式液位计 减小测量误差的方法


文章日期:2018-03-28|阅读数:


摘 要:基于吹气式液位计的工作原理,分析了引起吹气式液位计测量误差的外界因素,并针对这些因素提出了相应的改进方案。实际运行结果表明: 吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡被消除后,其测量误差被控制在 3% 以内,且液位显示平稳。
  吹气式液位计是一种非接触式液位测量仪表,其输出压力能够自动跟随吹气管出口压力的变化而变化,并保持输出气体流量稳定,通过测量吹气管间的压差而测量出被测量罐的液位[1]。吹气式液位计适用于高温、高真空、高粘度、强腐蚀性、易凝固、易结晶或含悬浮颗粒聚合物的高温熔体等各种恶劣工况。
  反应器是一种重要的化工机械设备,而化工机械设备是化工企业生产活动正常进行的基本物质保障,它直接影响着企业生产计划和产品交货期的制定,一旦发生液位测量不准确导致机械设备故障,就会影响企业预期生产计划的完成[2]。目前,吹气式液位计普遍应用于对化工行业中反应器液位的测量,因此,为保证吹气式液位计的测量度,对减小吹气式液位计测量误差的方法进行探索是十分必要的。在此,笔者对引起吹气式液位计测量误差的外界因素进行分析,并提出相应的改进措施,以减小吹气式液位计的测量误差。

1、吹气式液位计的工作原理:
  ①一定高度的液体在自身重力的作用下,它作用于底面积上的压力与液体高度有关。如图 1 所示,取液柱的上表面在液面上,液面上方的压强为p0; 取下底面在距离液面 h 处,作用在它上面的压强为 p,则有:
  p = p0+ ρg H ( 1)式( 1) 表明,液体内部压强 p 随着 p0和 H 的改变而改变。式( 1) 又可改写为:
  H = ( p - p0) /( ρg) ( 2)式中 g ———重力加速度;H ———液位高度;ρ ———液体密度。
图 1 差压变送器测量液位的原理
图 1 差压变送器测量液位的原理
   吹气式液位计利用静力学原理,通过差压变送器正负压侧的压力不同,形成一定的压差,实现对反应器中溶液密度和液位的测量。吹气式液位计的工作原理如图 2 所示。一定量的干燥氢气经过转子流量计进入 9 /16 寸( 1 寸 = 33. 333mm) 的正压侧毛细管内,使得管内有微量气泡溢出,然后根据式( 2) 即可计算出反应器的液位。同时,在具体的化工生产中使用吹气式液位计测量反应器液位时,吹气式液位计负压侧毛细管内应避免有液体进入,否则会造成假液位现象或液体进入变送器的现象,导致测量误差甚至损坏仪表。
图 2 吹气式液位计的工作原理


图 2 吹气式液位计的工作原理
2、吹气式液位计的测量误差分析:
  在化工生产过程中,对仪表的测量度要求很高。而吹气式液位计在使用过程中,由于一些外界因素将导致其测量出现误差。

2. 1、溶液气泡:气泡是由气液两相组成的分散系,在工程上一般是由气体通过小孔进入液层分散而成的。在固定床反应器中,气体通过反应器底部气体分布器与溶液接触,通过溶液层分散形成气泡。气泡的形成分为孕育阶段、长大阶段和脱离阶段。在孕育阶段,气体压力有一个积聚过程,当达到毛细压力后才能形成气泡[3]。气泡有一个气液接触界面,在这个界面上有特定的力学性质,当气泡溶解或长大时,气液界面会发生传质,而气泡大小发生变化会驱动周围溶液流动。这 3 个过程会相互影响,因此气泡是一个界面 - 传质 - 流动相互耦合的动态体系。
  由于反应器中的溶液含有大量的水,当未达到反应温度或温度不适时在油状溶液、水和流动气体共存的状态下,极易产生气泡。气泡经过从下而上流动的气体的搅动,不断上升,并在测量液位的负压侧管口处大量积聚,进入管内,从而使得管内有大量气泡存在。大量气泡聚集后进入水平管内,无法排出,将造成假液面现象,***终导致测量不准,产生测量误差。在化工生产过程中,反应器一般以第二个液位计( 雷达液位计) 作为参照组,通过 DCS 监控对比,判断吹气式液位计测量是否准确。当吹气式液位计负压侧管线内有大量气泡存在时,其测量数值波动较大,无任何规律可循,显示的液位增长或降低数值也无任何趋势,严重时会从当前液位显示值直接跳至 100% 或 0% ,给化工生产造成极大危险,降低生产效率。

2. 2、容器外管线受冻:
  在寒冷的冬季,在反应器外部顶端负压侧管线内,由于反应器内部温度较高、外界温度较低,温差很大,因此管内存在的气泡极易受冷凝而结成冰,并附着在管内,使得差压变送器测量受阻。严重时,液体进入变送器,将使变送器结冰受损,***终导致液位计测量失灵,无法测出液位。

3、减小吹气式液位计测量误差的方法:
3. 1、消除气泡的方法:
3. 1. 1、热力学定律:

  气泡的稳定性可以通过相平衡方程表示:RTln(patm+ 2γrkBxB) = 0 ( 3)式中 kB———玻尔兹曼常数;patm———大气压强;r ———气泡的曲率半径;R ———气体常数;T ———温度;xB———气体在溶液中的摩尔分数;γ ———气液界面的界面能。
  当式( 3) 左侧大于 0 时,气泡内部气体的化学势大于溶液中气体的化学势,则气泡溶解; 当式( 3) 左侧小于 0 时,气泡内部气体的化学势小于溶液中气体的化学势,则气泡生长变大[4]。所以,要消除气泡就要破坏气泡的稳定性,使气泡内部气体的化学势大于溶液中气体的化学势,温度降低,则气泡溶解。这样,反应器中吹气式液位计的负压侧管口处没有气泡大量聚集,所测得的液位就是反应器内溶液的真实液位。

3. 1. 2、牛顿定律:
  当气泡与反应器中的吹气式液位计管口接触时,气泡与固体壁面的附着分为 3 个阶段: 接近与接触阶段; 固体壁与气泡之间水化膜变薄和气泡破裂阶段; 气泡附着在固体壁上,克服脱落力影响的阶段[5]。当气泡附着在吹气式液位计负压侧管壁上时,由于气泡表面张力的作用,气泡被束缚,导致气泡大量积聚,此时反应器内上升的气体带动气泡,使得大量气泡进入负压侧水平管内,并存留在管内,无法排出[6]。为解决这一问题,利用力学原理,对吹气式液位计进行改造。改造后的吹气式液位计工作原理如图 3 所示,将吹气式液位计负压侧的水平管线改为有一定倾斜角度的管线,这样,利用气泡自身重力即可克服气泡与管壁之间的表面张力,使气泡降落进入反应器内。
图 3 改造后的吹气式液位计工作原理

图 3 改造后的吹气式液位计工作原理
表 1 不同倾斜角度下所对应的实际距离值

表 1 不同倾斜角度下所对应的实际距离值

  由表 1 可 知,当 β 为 30° 时,X 的 数 值 为57. 73cm,已为其***大值,则吹气式液位计负压侧竖直高度改为 80. 00 - 57. 73 = 22. 27cm,倾斜角度 90° + 30° = 120°,斜线长度 115. 473cm。
  由于各厂安装吹气式液位计仪表的管线位置不同,在改动管线时,倾斜角度会有所差异,因此应根据管线所处的***大距离,选择***大倾斜角度。
  对吹气式液位计负压侧竖直管线上能承受的***小距离,进行倾斜角度改造,将原 90°的水平管线改为 120°,则根据勾股定理有:X2+ Y2= Z2式中 X ———吹气式液位计至反应器顶端的垂直管线距离;Y ———吹气式液位计至反应器的水平管线距离;Z ———吹气式液位计至反应器顶端的斜边距离。
  X 的取值范围为 0 ~ 80cm,由于 X 的***大值为 80cm,因此改动时,吹气式液位计负压侧垂直距离不能小于需安装阀门的尺寸( 10 ~ 20cm) 。安装阀门时,必须确保阀门无泄漏隐患,利用声发射技术,在不拆卸、不影响正常生产的情况下,进行阀门的在线泄漏检测[7]。吹气式液位计至反应器的水平管线距离 Y 是 100cm,吹气式液位计变送器固定安装高度为 160cm。若使重力 G 产生的分力为***大,由力学知识可知,斜面上重力产生的分力为 G × sinβ( β 为吹气式液位计至反应器的水平管线与斜边的夹角,这里指在 90°上增加的量,范围为 0 ~ 90°) ,则 β 越大,G × sinβ 就越大,产生向下的分力越大,气泡就越容易克服表面张力下落。又由于 β 越大,cosβ 就会越小,cosβ = Y/Z,因此要求 Z 值相应增大。不同倾斜角度下所对应的实际距离值见表 1。
  同时,在进行改造管线的过程中,进行管线焊接时,应当避免由于力学条件因素、淬硬组织因素或者是氢致因素所造成的管线焊接处裂纹,以确保焊接结构的安全性和可靠性[8]。在管线改造后,气泡会受到重力分力影响,由静止状态变为运动状态,使得气泡顺着管壁向下移动,***终进入反应器。

3. 2、解决管线易冻的方法:
  由于冬季温度较低,吹气式液位计反应器内部与外部的管线温差较大,若反应器外部管线内有液体存在,则极易冷冻成冰,附着在管线壁内,堵塞管道,使仪表无法正常使用。在化工生产中,为解决管线易冻问题,需要给管线加伴热。管道热量损失 Q损( 单位 W/m) 的计算式为[9]:
  Q损=2πλ( t1- t2)ln[( d + 2δ) / d]( 4)式中 d ———管道外径;t1———管道介质温度;t2———较低环境温度;δ ———保温层厚度;λ ———保温材料的热导率。
  在实际应用时,需根据式( 4) 进行计算,使电伴热的功率大于管线的热量损失。同时,也需要给管线涂抹保温涂料。保温涂料一般为纤维稠状膏体,它综合了涂料和保温材料的双重特点,涂抹在要求保温的设备和管道表面,干燥后即形成具有一定强度和弹性的保温层,且在设备运转或振动时不会开裂脱落[10]

4、实践效果:
  通过改造吹气式液位计,利用温度因素消除反应器内产生的大量气泡,利用力学因素使吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡消除,以达到提高吹气式液位计测量度的目的。再次投用吹气式液位计,从化工厂的 DCS 监控画面中可以看出,在同一时刻,当雷达液位计测量值分别为45% 、47% 、44% 、42% 、49% 时,吹气式液位计测量值分别为 43% 、44% 、41% 、40% 、46% 。从这些数据可以看出,吹气式液位计与雷达液位计测量值趋势一致,同升同降,两者之间的测量值差距明显减小,且吹气式液位计测量误差控制在 3%以内,液位值显示较平稳,无大幅波动。5 结束语笔者针对引起吹气式液位计测量误差的外界因素,利用热力学定律和牛顿定律研究了消除管内气泡的方法,并对原吹气式液位计进行了改造; 同时提出对管线采取电伴热措施以防止冬季管线冻裂的发生。实际应用结果表明,吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡被消除,其测量误差控制在 3% 以内,液位显示平稳,有效减小了吹气式液位计的测量误差,为化工生产中反应器的正常运行提供了保障。


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