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双法兰液位变送器在化工装置中的应用及优化分析
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双法兰液位变送器在化工装置中的应用及优化分析

时间:2022-01-12 17:40:59

 摘 要 :双法兰差压液位计是化工装置中较为普遍使用的液位变送器之一,但在实际应用中却因测量有误差等问题影响了生产的正常安全运行。通过对双法兰液位计原理进行分析,从双法兰液位计的现场安装及装置试运行后发现的问题入手,对可能影响双法兰液位计测量精度的因素分别讨论分析,提出了多种解决方案。并根据问题解决效率及可行性等方面的考虑,#终选定较为合理的解决方案。进一步提出双法兰液位计在设计选型过程中可能对实际安装或生产带来的影响。wbz压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
差压液位计在石油、化工、冶金、电力、食品、医药等工业生产中被广泛使用,通过检测液体表压并将测量信号转化为 4 ~ 20 mA DC 输出信号来反应液位高度。在生产装置中,对各反应器、精馏塔、容器、储罐等的液位测量极为关键。差压液位计由于其精度较高、稳定性好、易实现远传、量程、零点外部连续可调,因此在化工装置中是较为成熟的液位测量变送器之一。尤其以双法兰差压液位计,因安装便捷、对介质的清洁度要求较低、适用性强等特点 [1],在化工生产中被广泛使用。
 
本文通过对双法兰液位变送器测量原理和零点迁移问题的展开,以其在化工装置安装及运用中产生的问题为例,提出了解决问题的优化方案,根据解决过程中对问题的分析及#终的优化方案,总结了应用双法兰差压液位计需注意的事项。
 
1 双法兰液位变送器测量原理及迁移
1.1 测量原理
双法兰液位变送器主要用于密闭受压容器的液位测量,其测量安装方式如图 1 所示。变送器的法兰直接与容器上的法兰连接,作为敏感元件的测量头经毛细管与变送器的测量室相连通,在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油,作为传压介质,起到变送器与被测介质隔离的作用。
 
双法兰液位变送器在实际应用时,膜盒受到介质施加的压力从而产生位移,通过隔离液将测得的压力传送给变送器。该压力会使压力变送器内的传感膜片发生位移,位移量与测量压力成正比,再将位移量信号转变为相应的 4 ~ 20 mA 输出信号。
双法兰差压液位变送器测量原理
1.2 迁移计算
在实际采用双法兰液位计进行液位测量时,往往无法满足双法兰变送器的正、负压室与取压点在同一水平面上。因此需要对双法兰液位计进行迁移操作。这里根据双法兰液位计相对于容器的安装位置,对双法兰变送器的量程及迁移量分三种情况进行讨论。
 
1.2.1 双法兰液位计安装于正压侧下方
当双法兰变送器安装在容器较低端法兰水平线以下时,安装位置如图 2 所示。
双法兰液位计安装于正压侧下方
假设工艺介质的密度为 ρ,双法兰液位计毛细管内填充液的密度为 ρ0,以及密闭容器中工艺介质上方的压力为 p0。故变送器的量程为 :
∆p = Hρg (1)
 
而此时正压侧压力 p+=h2 ρ0 g + p0,负压侧压力p-=h1 ρ0 g + p0,因此该情况下双法兰变送器的迁移量 p为 :
p = p+ -p- = h2 ρ0 g + p0- ( h1 ρ0 g + p0 ) =-Hρ0 g (2)
 
1.2.2 双法兰液位计安装于正负压侧之间
当变送器安装在容器的正负压侧之间时,安装位置如图 3 所示。
双法兰液位计安装于正负压侧之间
此时变送器的量程仍为 :
∆p = Hρ g (3)
 
而正压侧压力 p+ = -h2 ρ0 g + p0,负压侧压力
p-=h1 ρ0 g + p0,因此该情况下双法兰变送器的迁移量p[2] 为 :
p = p+-p- = -h2 ρ0 g + p0- ( h1 ρ0 g + p0 ) =-Hρ0 g (4)1.2.3 双法兰液位计安装于负压侧上方
 
当变送器安装在容器的负压侧上时,安装位置如图 4 所示。
 双法兰液位变送器安装于负压侧上方
此时变送器的量程仍为 :
∆p = Hρ g (5)
而正压侧压力 p+=-h2 ρ0 g + p0,负压侧压力 p-= 
-h1 ρ0 g + p0,因此该情况下双法兰变送器的迁移量 p
为 :
p = p+ - p- = -h2 ρ0 g + p0- ( -h1 ρ0 g + p0 ) =-Hρ0 g (6)
 
根据上述计算,可发现公式(2)、(4)、(6)结果均相等。可见双法兰变送器不同于差压变送器,其量程和零点迁移量是固定的 [3]。
 
1.3 迁移方法
1.3.1 根据计算公式迁移
根据工艺提供的参数,可以得到介质的密度等数据,通过上述公式计算得出迁移的数值进行设置。
 
1.3.2 现场安装后零点迁移
零点迁移,即通过迁移弹簧改变双法兰变送器的零点,使得被测液体为零时,变送器的输出为起始值(4 mA)。shou先,测量出设备正负取压点的实际高度差,根据液体密度算出#大差压值,根据该差压值设定变送器的量程。将正压侧头道阀关闭,打开排放阀。通过 475 通讯器现场将此时的液位设定在零点。
 
方法一偏理论计算,在实际运用中往往因为工艺参数(如法兰开口位置等)与现场实际情况有所出入,导致存在一定误差。而方法二根据现场实际情况进行迁移设定,误差较小。
 
2 安装问题分析及解决方案
2.1 安装问题分析
在某化工装置的罐区和主反应器上,均采用了双法兰液位计进行液位测量。但在安装过程中发现,由于现场容器的实际法兰开口位置变化或受平台影响,出现多个液位计负压侧法兰毛细管设计长度过短而导致变送器无法安装的情况。考虑到项目开车在即,重新选型采购仪表需要一定的周期,无法立刻满足生产要求,且不利于工程项目成本控制,因此需要对原有的安装方案进行调整。
 
2.2 解决方案
根据上述分析,可通过适当调整变送器安装位置来解决该问题。但若变送器安装位置超出正压侧一定高度,会引起负压侧上承受负的落差压,长期运行易导致负压侧损坏 [4],因此通过计算得出该型号变送器的一个合理安装范围。在变送器tuijian的安装范围之内有检修平台或可以安装变送器的空间,则可以将变送器移至该高度重新安装,不会造成变送器的损坏。具体调整方案如下 :
(1)对于罐区的双法兰液位计,由于储罐均设有检修平台,可将变送器移至合适的平台安装。
(2)对于框架内主反应器上的双法兰液位计,由于框架层高较高,若将变送器调整至框架中的上一层,则所需迁移量超出了变送器本身量程的上下限,无法进行迁移操作。因此可选取靠近反应器正压侧的框架楼层,在反应器周围的框架基础上搭设固定的钢结构平台用于放置变送器,再搭设配套楼梯供操作人员日常检修使用。但该方案受到现场情况的制约,部分框架内的管道及仪表设备十分紧凑,没法提供足够的空间增加平台和楼梯。即使搭设了钢结构平台楼梯,也会影响到日后的检修通道。
 
(3)部分无法增设平台的变送器可采用从反应器负压侧引下管线的方法安装。考虑到该反应器在正常工况下不会满罐,因此从反应器顶部的负压侧 B引出一段向下的管线,并在适当位置 A 重新开口接出法兰与变送器连接,管线的末端可连至催化剂回收管线或排空。调整方案如图 5 所示。
双法兰变送器安装解决方案
由图 5 可见,原本应连接在 B 处的变送器负压侧改为连接至同一管线上的 A 法兰处,上、下法兰间长度缩短可确保变送器顺利安装。根据连通器原理,在同一管线上的气压处处相等。虽然变送器膜片法兰安装由平装变为侧装以及气体的重力势能因素会导致一部分误差,但 A 处与 B 处的压力基本可作为相等。
 
该方案中将变送器负压侧安装在 A 处只会给测量带来极小的误差,不仅经济快捷,而且改动较小,可行性高。
 
3 应用实例分析及优化方案
双法兰液位计是差压变送器的一种,但相较于配导压管的差压变送器,双法兰液位计在工厂的实际应用中有诸多优点。以下以某化工装置为例进行分析。
 
3.1 应用优势
通常化工装置中使用配导压管的差压变送器进行液位测量及控制较为普遍,在该化工装置中的丁醇精馏塔上也用了普通的差压液位计。设计之初,考虑到该精馏塔内不存在高压、高温、颗粒状介质等状况,因此未在差压液位计的正、负压室后设计隔离罐。在投料试车热运行阶段发现负压侧常出现积液情况。经过分析,认为造成问题的原因为塔内蒸出馏分会带有一定水分,这些水分在负压侧遇冷,又无法通过压差吸回塔内,因此形成凝液积攒在负压侧。这导致变送器产生虚假高液位,需频繁人工打开导淋阀排放凝液,给生产造成一定不便,带来不安全因素。
 
为了解决该问题,后期只能采用诸如增加伴热,隔离罐等方法解决。若采用双法兰液位计,变送器与被测设备之间使用毛细管连接,就能很好地避免该问题的发生。并且由于毛细管与变送器形成了密封系统,相较于差压式变送器还可以有效地消除导压管可能产生的工艺介质泄露,也可免去频繁向与差压变送器配套的隔离罐中补充隔离液的繁琐。
 
3.2 问题实例分析及方案优化
在该化工装置试运行期间,发现双法兰液位计与现场磁翻板液位计存在 15 % 左右的测量误差。在对现场磁翻板进行检查及通过前后工艺参数进行计算后,初步判断为双法兰液位计读数有误差。故障原因分析过程如下 :
(1)测量法兰问题 :对变送器法兰膜盒进行外观检查,判断是否存在膜盒凸起等损坏情况。若膜盒因处于过压环境而出现表面凹凸不平,则极有可能造成变送器测量误差甚至损坏。
(2)变送器故障 :将两片法兰置于同一水平面上,检查变送器读数是否为 0,判断是否存在变送器故障。
(3)变送器设置问题 :使用 475 通讯器对变送器进行通讯,检查变送器的参数是否有误,尤其是零点以及量程设置是否正确。
(4)DCS 组态设置:对 DCS 系统组态进行检查,确认非系统运行显示故障或参数设置问题。
(5)工艺问题 :判断是否由于操作原因或工艺条件发生变化导致的误差。
 
经过对以上原因的反复检查,排除了以上 5 条故障原因,考虑造成误差的原因为双法兰液位计毛细管引发的故障。
 
经分析,双法兰液位计毛细管可能引发误差的原因如下 :
(1)毛细管外部受损导致充灌液泄漏
毛细管通常被固定在反应器的外部,且本身材质硬度不高,极易在使用过程中受外力冲力发生折断、碎裂。因为毛细管直径较小,若出现折损现象不易察觉,导致毛细管中的充灌液泄露,使得双法兰变送器的测量出现误差。
 
经检查,现场并未发现双法兰变送器毛细管出现明显伤痕及泄漏。但为防止毛细管因风产生振荡或受到外部重物撞击受损,应将过长的毛细管进行捆绑并固定在反应器上的金属框架或支撑上,并用角钢对其进行保护。
 
(2)毛细管内填充液特性
毛细管内的填充液会随温度的变化而产生热胀冷缩,因此填充液的物理特性与体积会影响双法兰变送器的性能。工艺过程温度或环境温度变化都会导致毛细管内填充液的热胀冷缩现象,填充体积发生变化,从而引起变送器测量系统内部压力的变化。因此,所选择填充液的特性也会影响测量精度。
 
通常选用的填充液主要有甲基硅油(D.C.200)、氟油、卤化烃、乙二醇与水等。填充液会随温度的变化而产生热胀冷缩从而改变其体积大小,填充液特性之一的热膨胀系数会决定其体积的变化量。因此选择具有较小热膨胀系数的填充液将大幅减少温度所带来的测量误差。常用的几种填充液物理特性见表 1。
填充液比重
同时,若填充液体积越大,热膨胀对测量产生的影响将会越大。因此需要对填充液的体积进行控制。通过#大限度地减少毛细管的长度和内径,使得填充液的体积尽可能地小,以避免因温度变化产生的测量误差。
 
在该项目中,双法兰变送器毛细管内采用了甲基硅油作为充灌液。甲基硅油的密度是随温度产生变化的。考虑工地现场位于北方且试运行期为 1 月份,夜间可能会出现 -10 ℃以下的极端气温,因此毛细管中填充液的密度可能会产生变化。根据式(2),差压值为 -Hρ0 g,当极端温度降至 -10 ℃时,根据表 1 可知,甲基硅油的比重 ρ0 将会从 1.07降至 0.93,因此会产生 13 % 左右的误差。现场通过HART 475 对该双法兰变送器将变送器重新校零后,误差消失。
 
根据上述分析,环境温度的变化会导致双法兰液位计的测量产生误差。为了尽量降低这种极端低温或极大温差对测量结果的影响,采取了对双法兰液位计的毛细管增加保温伴热的措施,减少了毛细管内充灌液受到环境温度的影响。
 
3.3 经验总结
双法兰液位计虽为普通常见的测量仪表,但在安装与实际运行过程中还是存在诸多问题,通过对这些问题的分析,得出今后在处理双法兰变送器时,需注意如下几个方面 :
(1)变送器适宜的安装位置可以通过计算得出,但实际安装情况下需要重新考虑场地、反应器安装位置及反应塔上平台位置等因素。根据实际情况选择变送器的安装位置时,尽可能使得变送器安装在变送器正压侧下方位置,以保护膜头不受损。
(2)当测量容器放置在非格栅板铺平台的构筑物上,需考虑上下法兰的安装问题。应预先留好足够大的板面穿孔或利用容器与平台的间隙,使得法兰头可以通过穿孔和间隙安装到反应器指定的法兰接口上。
(3)毛细管需要进行额外的保护,以免在操作过程中因外力受到损坏,通常应将过长的毛细管捆绑固定并采用角钢进行保护。
(4)工艺过程温度及环境温度的变化都有可能影响毛细管内充灌液的密度,从而给测量带来误差。因此,当工艺过程温度及环境温度过高或过低时,应考虑毛细管内充灌液的膨胀特性,若接液温度过高而导致充灌液受热膨胀超过一定极限后,会导致测量压力值改变,产生巨大误差。需要根据过程温度选择性质合适的充灌液,并适当地增加保温隔热措施。
(5)当测量罐内是真空时 [5],由于充灌液中所含有的空气会在真空场合中发生体积膨胀,这种体积膨胀会产生一个压力值,这个压力值作用在测量系统中即会导致差压值产生误差。此外,充灌液在负压状况下的沸点也会降低,若工艺温度高于此沸点,部分充灌液气化会产生气化压力,也可能产生测量误差。因此,真空场合的双法兰液位计与普通选型不同,需要重新考虑合适的毛细管充灌液、变送器结构与安装形式。
 
(6)变送器的响应时间受变送器毛细管的内直径、填充液的黏度以及毛细管长度三个因素影响。缩小毛细管的内直径、采用黏度较大的填充液、增加毛细管长度会降低变送器的响应时间,反之则会加快变送器的响应时间。当测量罐体较大且液位变化缓慢时响应时间可以适当较长,而当测量罐体积狭小或内部反应剧烈时,响应时间应尽量快速。根据所属工况对变送器毛细管进行选择,确保该变送器的响应时间可以满足测量的需要。
 
4 结束语
双法兰液位计虽为普通常见的测量仪表,但如果对选型、安装和应用的一些关键因素考虑不周,在使用过程中仍会存在问题。笔者认为设计初期若能充分考虑到过程温度、压力、介质和环境因素及安装条件等可能给测量精度、稳定运行和使用寿命带来影响的因素,尤其是可能产生的极端情况,就会避免一些在安装和投用过程中可能产生的问题,为装置的安全、稳定和长周期运行打下良好的基础。
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