大型储罐液位计-电子差压液位计应用案例详解
摘要：以公司新建万方储罐和大型球罐液位测量为例, 简单介绍原有的测量方案雷达和伺服液位计的原理, 详述此两种液位计在公司实际应用中出现的问题, 通过故障现象分析, 结合测量介质特性分析, 以及温度对介质挥发性的影响, 进而提出改用电子差压液位计, 并详细介绍其工作原理、优势、使用情况。经过一年的运行效果验证, 减少了现场仪表工日常操作与维护工作量, 提高了测量的稳定性和性, 使生产核算更加精准, 为吨产品消耗提供了准确的数据支撑。
0、引言：
储罐是石化企业储存液体物料的主要设备, 按照储罐的结构形式不同可分拱顶罐、外浮顶罐、内浮顶罐、球罐、卧罐等。
近年来工厂实行新的设计模式, 罐区布置相对集中, 测量工艺参数逐步增加, 例如:温度、液位、压力等, 随着2011年安全生产监督管理总局发布的第40号令, 要求“涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级或二级重大危险源, 配备独立的安全仪表系统 (SIS) ”, 同时, 储罐作为成品的储存, 在公司内部, 液位计也作为班产计量、分厂内部贸易核算的重要数据。所以, 储罐的液位监控逐步成为重中之重。
公司目前储罐种类有球罐、内浮顶罐、卧式罐, 其中二甲醚球罐、氨球罐、10000m3甲醇储罐直接构成一级重大危险性。其中二甲醚球罐直径20m、氨球罐直径15m、10000m3甲醇罐高度在35m左右。每个储罐均配套3个液位计, 三取二进入SIS系统, 同球罐的进出口切断阀构成紧急安全切断功能。
图1 伺服液位计原理图Fig.1 Servo level meter schematic
1、储罐液位选型原则：
储罐液位仪表在一般设计规范中无明确规定, 选型是根据实践经验总结。主要考虑仪表精度、检测方式、稳定性、可靠性、环境要求、投资等。常用的有:雷达液位计、伺服液位计、差压液位计等。每种仪表都有其自身的优点及适合的工况, 简单介绍两种液位测量原理。
1) 雷达液位计
发射-反射-接收尾雷达液位计的基本工作原理, 其***大特点是恶劣工况条件下功效显著, 无论是有毒介质, 还是腐蚀性介质, 也无论是固体、液体还是粉尘性、浆状介质, 雷达液位计的典型波段为5.8GHz、10GHz、24GHz, 通常称5.8GHz (或6.3GHz) 的频率为C波段微波, 10GHz的频率为X波段微波, 24GHz的频率为K波段微波
介电常数对雷达电磁波的影响体现在两个方面, 一是影响介质表面对电磁波的吸收 (反射) 率, 二是电磁波在穿过介质时波长 (频率) 会发生改变。雷达电磁波的反射率受下面条件影响:衰减系数与电导率 (σ) 与磁导率 (μ) 的平方根成正比, 与介电常数 (ε) 的平方根成反比。换言之, 被测介质的介电常数越大, 衰减率越小, 所以介电常数大→反射率强→信号强度高;反过来, 介电常数小→反射率小→信号强度弱。
2) 伺服液位计
也称作钢带液位计, 基于浮力力平衡的原理, 由微伺服电机驱动体积较小的浮子。浮子在被测液体表面上下浮动。在温度较高, 易产生挥发后冷凝物是粘性介质且震动大的场合下, 不适合使用。
伺服液位计采用波动积分电路, 消除抖动, 延长寿命, 提高液位测量精度。现代伺服液位计的测量精度较高, 已达到40m量程内小于1mm的精度, 且一般都具有测量密度分布和平均密度的功能。但是其价格较高, 维护量大而且备品备件的费用较高。
图2 伺服液位计一般安装方式Fig.2 General installation method of servo liquid level meter
2、公司目前大型储罐测量现状：
常压氨储罐配置伺服液位计, 经过一年的运行, 无法满足使用要求, 故障现象如下:
1) 钢带经常断裂:伺服机构安装在储罐EL2.0m层, 钢带经常在弯处发生断裂。
2) 罐顶钢带密封处泄漏, 由于钢带经常上下移动, 导致密封处大量的氨气泄漏。
3) 随着时间, 测量误差逐步偏大。由于存在可动部件, 磨损是必然存在的, 导致误差逐步增大。
常压氨储罐高度为28m, 采用带引导钢丝的浮球, 在储罐制作即将完成后, 在罐底部焊接钢丝固定纽扣。连接浮子的为扁平钢带, 并非钢丝等圆柱形结构, 导致罐顶密封处泄漏严重, 长期存在氨气, 密封处填料规格特殊, 采购价格居高不下。
此次采用的钢带为304SS扁平钢带, 厚度1mm, 宽度10mm, 钢带中心打圆孔, 伺服机构的齿轮同钢带中心圆孔耦合, 达到浮子升降的检测, 如图2所示。钢带整体长度在40m左右, 经过多处弯折, 造成钢带后期断裂情况频发, 后期维护量大。
二甲醚球罐配置一台雷达液位计, 在使用过程初期, 液位波动严重, 后期无法输出, 指示***大。从表1
投运前期, 雷达液位计与球罐静压液位计趋势基本一致, 运行一个月后, 陆续出现测量值失真的现象, 故障表现为测量值恒为常数, 断电重启后, 指示恢复正常。运行后期, 测量值漂移, 给出假液位。当液位较低时候, 雷达波可能发生穿透介质, 产生的虚假回波为罐底产生的回波, 导致假液位。3个月后雷达液位计指示恒值, 由于球罐一直处在生产中, 并且介质无法排净置换, 一直无法对雷达液位计进行拆检, 造成了维修困难。二期球罐安装过程中, 对于球罐测量仪表, 均配置隔离检修球阀。
表1 恒温下液体二甲醚的介电常数Table 1 Dielectric constant of liquid dimethyl ether at constant temperature 下载原表
经过故障总结, 大致认为雷达液位计无法使用的主要原因如下:一是, 二甲醚挥发性的特性, 即有可能在天线部位产生凝露, 或探头粘附污物使信号发送不出去;二是, 雷达安装在球罐顶部气相部位, 温度变化大, 其介电常数造成信号弱, 无法对回波进行有效地接收和处理。
3、电子远传差压液位计：
经过实际使用的伺服液位计和雷达液位计对易挥发性的二甲醚和液氨的实际效果, 公司对新建的储罐区域液位测量改用电子远传差压液位计。
电子远传差压液位计, 采用两个压力变送器分别测量储罐的液相侧和气相侧压力, 通过专用数据线将未经调制解调的气相侧压力数字信号传送至液相侧传感器中, 进行差压计算, 计算完成后转换成标准的两线制4mA～20mA信号或各种总线协议
目前生产电子远传差压液位计的主流国外厂家, 有使用业绩的厂家有罗斯蒙特、E+H、日本横河, 其中罗斯蒙特和日本横河是将气相侧传感器压力信号引至液相侧传感器直接进行差压计算模式, 而E+H采用气相侧和液相侧传感器引入一个变送器中再进行差压计算的模式
电子远程传感技术的应用, 使数字结构取代了机械结构, 即使在大范围变化的温度下也可以具备更快的响应时间和一个更加稳定和可重复的测量, 测量精度可以提高10倍以上, 取消了模/数 (A/D) 转化之间的分辨率误差, 以及转换芯片的外围电路的影响。数字信号传输的时延远远低于模拟量传输, 缩短了信号响应时间, 减少了测量误差累积, 消除环境温度造成的测量偏差。通过总线协议的读取, 可以分别读取气相侧和液相侧的压力, 实现多参数的测量。
双法兰差压液位系统是一个成熟可靠的技术, 但是一直很难在高型容器和塔中得到应用, 因为这些需要更长的毛细管以方便安装, 距离过长的毛细管使得压力的传输变得误差过大, 并且在环境温度变化较大的时候变得明显。同时安装过程要求较高, 引压管可能并不可靠, 都是非常严重的困扰。
近年来数字化的技术发展, 电子远程差压液位计逐步投运在大型的高型容器。电子差压液位计在公司10000m3储罐、球罐上使用两年来, 基本处于免维护状态。通过HART总线同公司设备管理系统对接, 提供每个压力变送器读数的实时访问和液位或体积测量输出;可以通过传感器的自我诊断功能和可选配的过程报警功能, 实现回路的主动维护和故障排除。整个系统为4mA～20mA两线制回路, 在现场通过手提电脑或手操器即可轻松进行参数配置、调试和故障诊断。
4、结束语：
电子差压液位计通过数字化总线传输数据, 使得响应时间的改进超过了90%, 消除了环境温度影响, A/D转换及外围电路的误差。回路接线盒LCD显示灵活方便, 远程显示和接口连接也比较方便, 对于大型储罐液位测量而言, 其安装、调试方便, 丰富的总线技术利于智能化工厂的智能设备管理系统。经过两年的运行效果验证, 其稳定性高, 一直作为公司核算生产指标的重要仪表, 降低了维护工作量, 测量更加准确。