天津石化煉油廠 汪玉忠

問靜壓式測量液位的原理是什么？如何測量液體密度？

答：容器或貯罐內(nèi)的液位會對其底部及側(cè)壁產(chǎn)生壓力，壓力大小是液體密度及高度的函數(shù)，當(dāng)液體的密度不變時，在液體中某一點的壓力是單一高度的函數(shù)，液位越高對這一點的壓力就越大。因此，可以利用差壓變送器（或壓力變送器）測得液位的高度，見圖1。

液位高度與靜壓有如下的關(guān)系式：

式中：H—液位高度（m）；

P—靜壓（Pa）；

ρ—介質(zhì)密度（kg/m3）；

g—重力加速度（9.807m/s2）。

圖1 靜壓式測量液位

當(dāng)密度ρ為變量時公式（1-1）也成立，在實際生產(chǎn)過程密度ρ的求法如下：

在容器中取兩個固定測量點，上面一點為p1、下面一點為p2，兩點之間的高度為H，設(shè)容器的橫截面積為S0。則：

式中 為常數(shù)，由上式（1-2）可知，若知道（p1－p2）值就可以計算出液體密度ρ值。

問：用壓力變送器測量液位為何出現(xiàn)遷移，如何計算？

答：在測量容器或貯罐液位時，往往取壓口與變送器的引壓室不在同一水平線上。當(dāng)變送器安裝的位置低于取壓口的位置時，就會把引壓管中存在的一段附加液柱壓力引到變送器內(nèi)并產(chǎn)生測量誤差；為了消除附加液柱引起的附加誤差，在變送器中，用遷移機構(gòu)或電路去掉附加液柱的壓力值，使變送器輸出與液柱變化值呈現(xiàn)一一對應(yīng)的關(guān)系，稱作正遷移；或者變送器安裝的位置高于取壓口的位置時，就會存在引壓管中一段液柱與被測液位抵消也產(chǎn)生測量誤差，需要負(fù)遷移。如圖2所示。

圖2 壓力變送器測量液位

應(yīng)該指出此種方案中的負(fù)遷移存在問題，使變送器位置不能高出液位的波動下限，否則會造成誤差或者造成無法測量，所以在工程中一般不采用。

圖2（b）中A曲線表示無遷移；B曲線正遷移；C表示負(fù)遷移曲線。

計算正遷移量pz和負(fù)遷移量pF：

式中：ρ—介質(zhì)密度；

g—重力加速度；

H1—取壓嘴子距變送器取壓室（下方）垂直高度；

H2—取壓嘴子距變送器取壓室（上方）垂直高度。

問 用差壓變送器測量液位為何出現(xiàn)負(fù)遷移，如何計算？

答：如圖3所示，用差壓變送器測量液位時，變送器的正壓室接到容器的下取壓口，而負(fù)壓室接到容器的上取壓口。

圖3 差壓變送器測量液位

在實際應(yīng)用中差壓變送器一般放在下取壓口的下面，由于下取壓口到變送器的正壓室的引壓管已被被測介質(zhì)充滿，而上取壓口到變送器負(fù)壓室的引壓管理論上是氣相。但在實際生產(chǎn)過程中，由于液位波動或氣相冷凝會有液體聚集在負(fù)壓的引壓管內(nèi)，使變送器的負(fù)壓始終受到積液壓力的影響，且此壓力是不斷變化的，從而形成不穩(wěn)定的零點漂移（稱為零漂）。為了克服零漂的有效方法是在負(fù)壓管中灌滿液體，但同時增加了附加的液柱壓力。

應(yīng)該指出，從下取壓口到變送器正壓室的引壓管已被介質(zhì)充滿，這本身就是正遷移，負(fù)壓管中灌滿液體，這本身就是負(fù)遷移。由于從下取壓口到變送器取壓室的引壓管的正負(fù)遷移相抵消，余下的負(fù)導(dǎo)壓管高度，如果乘以隔離液的密度為負(fù)遷移量，如果乘以介質(zhì)的密度為量程。所以在一般情況下，差壓變送器測量液位沒有體現(xiàn)出正遷移，只有負(fù)遷移。在變送器中采用遷移機構(gòu)或電路消除此附加壓力的影響，負(fù)遷移用pF表示。

一般在儀表啟動前在正負(fù)引壓導(dǎo)管中灌滿隔離液，設(shè)容器無液面時的靜壓力為p0，則負(fù)遷移pF的計算方法為：

式中：H1— 下取壓口距變送器的垂直高度（m）；

H2— 上、下取壓口之間的垂直高度（m）；

ρ— 所充灌隔離液的密度（kg/m3）；

g — 重力加速度。

由式（3-1）可以看出，由于在正負(fù)引壓導(dǎo)管中灌滿隔離液，在儀表的正、負(fù)壓室之間始終存在一個壓力差并作用在變送器的負(fù)壓室上。

問如何用壓力表測量高位水槽的液位？

圖4 壓力表測量高位水槽液位

答：如圖4所示，壓力表通過引壓管與水槽底部相接，由壓力表可以讀出液位的高度值。由于壓力表的位置低于水槽，因此會產(chǎn)生一段附加誤差（H高度水柱壓力）。在壓力表啟動前，可以先將其遷移掉（如圖中的0-0′段）。

此種測量適用于潔凈、粘度較小的液體，典型的應(yīng)用實例如火車客運車廂衛(wèi)生間水槽液位指示。如果需要遠(yuǎn)傳可以把壓力表改為壓力變送器。

問 用差壓變送器測量生產(chǎn)過程中（塔、罐或容器）的液位時，有幾種方法，各有什么特點？

答：用普通差壓變送器測量生產(chǎn)過程中的液位常有4種情況，如圖5所示。

5（a）圖適用潔凈、粘度較小的液體，被測介質(zhì)直接引入變送器的正壓室。負(fù)壓室為氣相，在一次閥后有一個倒U形管，防止液位波動時液體進入負(fù)壓管；在負(fù)壓管末端安裝排污器，對積存的污液可以定期排掉；變送器負(fù)壓室至下取壓口間的導(dǎo)壓管應(yīng)充滿被測介質(zhì)。此方案沒有遷移量，儀表量程為： 。

5（b）圖適用潔凈、粘度較小的液體，被測介質(zhì)直接引入變送器的正、負(fù)壓室。正、負(fù)引壓管均存在遷移，并有部分抵消，實際使用時只有負(fù)遷移。負(fù)遷移量為：儀表量程為：。負(fù)壓管沖灌不容易揮發(fā)的介質(zhì)作為隔離液，密度為ρ1。

圖5 普通差壓變送器測量液位方法

5（c）圖適用粘度較大、較臟的液體。正、負(fù)壓管均沖灌隔離液，其密度ρ1要大于介質(zhì)密度并與被測介質(zhì)ρ不相溶，對被測介質(zhì)無影響。在煉油系統(tǒng)常用乙二醇。負(fù)遷移量為：；儀表量程為： 。

5（d）圖是在（c）圖的基礎(chǔ)上，防止長期運行的隔離液被工藝介質(zhì)沖掉，斷續(xù)打入隔離液，如乙二醇等。

問用差壓變送器測量較輕化工原料的液位是如何實現(xiàn)的？舉例說明。

圖6 差壓變送器測量輕原料液位

答：圖6是石化乙烯裝置脫甲烷塔底液位測量系統(tǒng)，由于介質(zhì)容易汽化，在正壓導(dǎo)管中采用蒸汽伴熱，使導(dǎo)管內(nèi)液體全部汽化，以氣相引入差壓變送器的正壓室。此時引到差壓變送器正壓室的壓力為pZ，當(dāng)忽略氣相密度與高度的影響時，pZ= pA?？捎嬎闳缦拢?/p>

此方法無遷移量。

伴熱說明：

（1）如果停掉伴熱，或伴熱溫度太低，正壓導(dǎo)管中會有積液，差壓變送器指示偏低，甚至指示零下值；

（2）若伴熱溫度過高，正壓導(dǎo)管內(nèi)氣相溫度不斷升高。由于導(dǎo)管內(nèi)容積不變，則其導(dǎo)管內(nèi)壓力不斷升高，會影響測量結(jié)果，同時浪費能源；

（3）合理的伴熱方法是在安全防爆的條件下，采用電伴熱控制溫度。

問 用實例說明灌隔離液的差壓變送器測量液位時，量程及遷移量如何計算？

圖7 灌隔離液法測量液位

答：如圖7，已知h1=250cm、h2=300cm、被測介質(zhì)密度ρ1=850kg/m3、隔離液為甘油水溶液ρ2=1200kg/m3，計算如下：

在液位最低、不考慮氣相密度影響時，差壓變送器正負(fù)室壓力為：

問 用差壓變送器測量液位時，使用了隔離液，應(yīng)如何調(diào)整零點？

圖8 灌隔離液法測量液位系統(tǒng)

答：見圖8，表示正、負(fù)壓導(dǎo)管均沖灌隔離液的情況。在無液面時，由于負(fù)壓導(dǎo)管的壓力大于正壓導(dǎo)管的壓力，需要對差壓變送器的零點進行調(diào)整。

（1）差壓變送器本身的零點調(diào)整：首先關(guān)閉二次閥3、4，關(guān)閉放空閥8、9，打開平衡閥5，將變送器的零點調(diào)整為零；

（2）整個液面測量系統(tǒng)零點的調(diào)整：首先關(guān)閉一次閥1、2，平衡閥5，打開二次閥3、4。在沖灌好隔離液后，然后通過差壓變送器上的負(fù)遷移裝置，將輸出值調(diào)到零點為止。在調(diào)零過程中不能打開平衡閥5，一旦閥5被打開兩管中的隔離液將流動，會使零點發(fā)生變化。

問 雙室平衡器的工作原理是什么？

答：在測量鍋爐汽包水位時，絕大多都采用雙室平衡器與差壓變送器結(jié)合測量水位，這種方法是從單室平衡器改進而來。從平衡器的結(jié)構(gòu)上分為兩種，即普通雙室平衡器和中間抽出式雙室平衡器。兩者的基本原理是一樣的，但是在結(jié)構(gòu)上有所不同。如圖9所示。

圖9 雙室平衡器種類

雙室平衡器從本質(zhì)上看，它是一個水位高度轉(zhuǎn)換為靜差壓的容器，從而實現(xiàn)用靜差壓法測量汽包水位。由于雙室平衡器內(nèi)管與汽包內(nèi)腔形成U型管連通器，兩個液柱對底部產(chǎn)生的壓力是相等的。由于U型管連通器兩管溫度不同，密度不等，所以兩個液柱高度不一定相等，但是它們對U型管連通器底部產(chǎn)生的壓力是一樣大小。在一般情況下兩管液柱高度有一微小差異。

（a）普通雙室平衡器的工作原理

如圖9（a）所示，在雙室平衡器內(nèi)有一根連通管下部與汽包下取壓口相連，上部開口，其高度與上取壓口等高。在連通管周圍至容器內(nèi)壁間的環(huán)形空間為參考室。從連通管和參考室的下部分別引出導(dǎo)壓管接到差壓變送器上。

正常工作時，容器內(nèi)的飽和蒸汽不斷冷凝，冷凝水集聚在參考室內(nèi)，多余的冷凝水流入連通管內(nèi)或從上取壓口流回到汽包內(nèi)，使參考室內(nèi)的水位高度一直保持不變。

（b）中間抽出式雙室平衡器的工作原理

如圖9（b）所示，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在容器內(nèi)部有一連通管，下部與汽包下取壓口連接并有導(dǎo)壓管接差壓變送器，連通管上部高度高于汽包上取壓口。在連通管周圍有漏水盤、集液杯，杯底有中間抽出管，并接到差壓變送器。還有溢流室，底部有口接冷凝液回收系統(tǒng)。

正常工作時，容器內(nèi)的飽和蒸汽不斷冷凝，集聚在漏水盤上，并不斷地滴落在集液杯中，當(dāng)集液杯水滿后流到溢流室，并從下部口流到冷凝水回收系統(tǒng)。這樣溢流室是空的，目的是對集液杯內(nèi)的水起到保溫作用，使其水溫接近連通管內(nèi)的水溫，不受環(huán)境溫度變化的影響。集液杯水位高度為參考值，與連通管內(nèi)的水位形成差壓。

由于中間抽出式雙室平衡器設(shè)計巧妙，其本身具有一定的飽和壓力波動的補償作用。

問：用實例說明測量鍋爐汽包水位時如何計算差壓變送器的量程和負(fù)遷移量？

答：根據(jù)流體力學(xué)原理：

（2）計算負(fù)遷移量：當(dāng)水位最低時，正、負(fù)壓室的壓力差為負(fù)遷移量。

在實際使用當(dāng)中的汽包與雙室平衡器內(nèi)有三種水的密度：汽包內(nèi)水密度ρw、連通管內(nèi)水柱密度ρ2和參考室水密度ρ1。三者關(guān)系很復(fù)雜，其中ρ1和ρ2是與雙室平衡器的結(jié)構(gòu)、靠近汽包遠(yuǎn)近、環(huán)境溫度變化和保溫情況均有關(guān)系。即沒有公共的參考值，又不能準(zhǔn)確測量。

在實際處理時，連通管內(nèi)水柱密度ρ2可以不考慮；參考室水密度ρ1可以測量雙室平衡器表面溫度和雙室平衡器安裝位置、保溫情況、現(xiàn)場溫度等來決定；汽包內(nèi)水密度ρw由飽和蒸汽溫度經(jīng)過查表得到。

圖10 測量鍋爐汽包水位系統(tǒng)圖

實例見圖10在華北地區(qū)的60t、4.0MPa的中壓鍋爐，測量鍋爐汽包水位一般采用普通雙室平衡器，當(dāng)飽和水蒸氣壓力ps=4.00MPa，水蒸氣密度ρs=20.1kg/m3，汽包水密度ρw=799.0kg/m3（tw =250℃)，ρ1=915.0kg/m3（估算t1=150℃），h1=0.6m，h2=1.5m時計算方法如下：

說明1：本方法計算量程所采用的密度為汽包內(nèi)的水密度，如果平衡器內(nèi)的水密度可知，來計算量程更準(zhǔn)。

說明2：如果采用中間抽出式雙室平衡器，在要求嚴(yán)格條件下要考慮由于兩抽出口位置不同所引起一小段引壓管內(nèi)水密度差值，而在一般情況下按上式計算。

問 鍋爐汽包水位采用單室取壓器為什么不好用？

答：鍋爐汽包水位測量早期采用單室取壓器組成的測量系統(tǒng)，如圖11所示。

圖11 鍋爐汽包水位單室取壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)組成簡單，在汽包的上部與下部各有一個取壓口，分別安裝一次閥和集氣器，由集氣器下部將壓力引到差壓儀表。這種方法是利用靜壓測量液位的原理，在其他場合測量液位很好用，但在鍋爐汽包的液位測量卻不好用，其原因如下：

（1）在正常運行的鍋爐汽包中，水是沸騰的。所謂沸騰就是指在汽包內(nèi)，氣泡產(chǎn)生于汽包內(nèi)壁并隨之上升，由于產(chǎn)生的氣泡太多，它們之間相互碰撞并滾動上升，與此同時還存在一股股熱流也隨之上升，氣流與汽泡在上升過程中是無規(guī)律移動運動。當(dāng)氣泡到達(dá)水面后開始破裂，形成水、蒸汽的界面，由于熱流的一部分能量消耗在水中，另一部分水變成蒸汽。

在汽包下取壓口附近，經(jīng)常會有氣泡或熱流竄入到下取壓口內(nèi)，進入單室的集氣器內(nèi)產(chǎn)生“脈沖式?jīng)_擊流”，并且通過導(dǎo)管直接作用在差壓儀表的正壓室，而負(fù)壓時不會受到“脈沖式?jīng)_擊流”的作用，因此對差壓變送器測量水位造成很大的波動。

（2）在汽包上取壓口的集氣器中，始終保持平靜的參考水位，它雖然沒有受到“脈沖式?jīng)_擊流”的作用，但由于它所處的環(huán)境單室集氣器的體積很小，非常容易受到環(huán)境溫度變化的影響，其內(nèi)部冷凝水的密度是經(jīng)常變化的。

鑒于上述兩點原因，特別是第一點原因，差壓變送器測量中經(jīng)常出現(xiàn)大的波動，自然會產(chǎn)生測量誤差，經(jīng)常有滿量程的20%～30%劇烈波動。這就是單室取壓器測量汽包水位不好用的根本原因。