劉燕江

(云南云天化股份有限公司紅磷分公司　云南開遠　661699)

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傳統(tǒng)差壓變送器在液氨球罐液位測量中的局限性及改造

劉燕江

(云南云天化股份有限公司紅磷分公司云南開遠661699)

分析探討了傳統(tǒng)差壓變送器在液氨球罐液位測量中的局限性，介紹了3051S ERS電子遠傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)的技術(shù)特點。對傳統(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題。

液氨球罐差壓變送器導(dǎo)波雷達液位計3051S ERS

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 m3、內(nèi)徑為Φ9 200 mm的球罐(1#和2#)和2只容積為1 000 m3、內(nèi)徑為Φ12 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)的報警信號，因此，液位的準(zhǔn)確測量是其安全運行的關(guān)鍵。

1　問題的提出及成因

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(正常測量時是氣氨)，使液位指示值比實際液位低很多。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)同樣的問題。為保證球罐液位的準(zhǔn)確測量，每隔30 min左右就需對氣相管進行排液。在液氨球罐差壓變送器氣相管出現(xiàn)積液的時段內(nèi)，80 kt/a合成氨裝置停車檢修，且預(yù)留卸氨的冰機(1 259 kW)出現(xiàn)故障，紅磷分公司外購的液氨只能用氨站2臺冰機(47.2 kW)進行卸氨。由于冰機制冷能力不足，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，此過程持續(xù)了近15 d。

2014年8月，合成氨裝置停車。8月8日中班，1#球罐處于卸氨過程中，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，磁性翻板液位計反復(fù)上下亂指示，操作人員無法判斷2#球罐內(nèi)的液位情況，DAP裝置和NPK裝置作緊急停車處理；從18：40開始，每隔15 min對差壓變送器氣相管進行排液；19：20，差壓變送器恢復(fù)正常指示，此時2#球罐液位為28%，磁性翻板液位計進行相應(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的時段內(nèi)，液位出現(xiàn)先下降后上升再下降且反復(fù)波動的趨勢。DAP裝置與NPK裝置正常開車時，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)迅速達到臨界狀態(tài)，此時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[1]；由于液氨的特性狀態(tài)及供氨的持續(xù)，液位進一步下降，使球罐內(nèi)的液氨達到超臨界狀態(tài)，此時氣液兩相相互作用的過程為克服內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生激烈的擾動與渦流[2]，磁性翻板液位計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)差壓變送器測量原理及局限性

2.1測量原理

傳統(tǒng)差壓變送器的正壓室(法蘭)接液相，負壓室經(jīng)導(dǎo)壓管接氣相，其安裝示意見圖1。

圖1　單法蘭差壓變送器安裝示意

根據(jù)流體靜力學(xué)原理[3]，則有：

P+=ρgh+P氣

(1)

P-=P氣

(2)

ΔP1=P+-P-=ρgh+P氣-P氣=ρgh

(3)

ΔP=ρgH

(4)

h=ΔP1/ρg

(5)

式中：P+——差壓變送器正壓室所受的壓力，Pa；

P-——差壓變送器負壓室所受的壓力，Pa；

h——球罐內(nèi)的液位高度，m；

ΔP1——液位為h時差壓變送器的差壓值，Pa；

ΔP——液位為100%時差壓變送器的差壓值(量程值)，Pa；

ρ——液氨的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

P氣——球罐內(nèi)的氣相壓力，Pa。

2.2液氨球罐液位測量中的局限性

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量液位。在多年的運行過程中，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，對液位測量不產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，日常維護量很小。2014年8月8日2#球罐出現(xiàn)的問題，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，任何類型的測量儀表要在這樣的情況下實現(xiàn)準(zhǔn)確測量幾乎是不可能的，因為在那樣的狀態(tài)下根本不存在液位。盡管如此，上述2個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，因為需要更長的毛細管以方便安裝，而過長的毛細管會導(dǎo)致壓力傳輸誤差過大，即當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時，毛細管內(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，從而使測量誤差增大[3]。雙法蘭差壓變送器及安裝示意如圖2所示。

圖2　雙法蘭差壓變送器及安裝示意

3　導(dǎo)波雷達液位計及3051S ERS電子遠傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)

3.1導(dǎo)波雷達液位計

目前，液氨球罐液位測量除采用傳統(tǒng)單法蘭差壓變送器外，還有導(dǎo)波雷達液位計。以基于TDR時域反射原理[4]的導(dǎo)波雷達液位計為例，其安裝示意見圖3。

圖3　導(dǎo)波雷達液位計安裝示意

導(dǎo)波雷達液位計的工作原理：雷達發(fā)出的高頻脈沖信號被發(fā)射到探頭并沿著纜繩傳播，信號在液氨界面發(fā)生反射并沿著纜繩傳遞回來被雷達接收，轉(zhuǎn)換后得到液位信息。雷達天線到液氨界面的距離d與脈沖信號運行時間t的關(guān)系為d=ct/2，其中c為光速。在空高E已知時，液位h=E-d[5]。

采用導(dǎo)波雷達液位計時，若原液氨球罐沒有預(yù)留安裝接口，則需在球罐上開DN80 mm的孔安裝接管且必須采用厚壁管焊接結(jié)構(gòu)[6]，同時涉及一些壓力容器手續(xù)變更等。導(dǎo)波雷達液位計的纜繩需設(shè)置重錘或在球罐底部固定，密封是一個需重點考慮的問題，氨氣冷凝、氣體干擾、油污等易使導(dǎo)波雷達液位計測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，在線維護困難，在線拆裝更是不可能?？傊?，導(dǎo)波雷達液位計的安裝、維護等比差壓變送器嚴格、復(fù)雜得多[7]。

3.23051S ERS電子遠傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)

2011年，艾默生過程管理公司推出了3051S ERS(Electronic remote sensor)電子遠傳數(shù)字差壓液位系統(tǒng)，配置2臺直接安裝的3051S壓力變送器，2臺壓力變送器之間以專用電纜、數(shù)字信號方式連接，可任意設(shè)定2臺壓力變送器中的1臺作為功能計算模塊計算出高低壓側(cè)的差壓信號，通過標(biāo)準(zhǔn)的兩線制電纜以4～20 mA的HART信號進行相關(guān)信息的傳輸。ERS系統(tǒng)是基于艾默生公司先進成熟的3051S壓力變送器平臺，是差壓液位技術(shù)的進一步數(shù)字化升級，其獨特的數(shù)字架構(gòu)解決了在高型容器/塔、高溫等特殊工況下進行液位、差壓測量的技術(shù)難題，在工程應(yīng)用中具有很多的優(yōu)點。3051S ERS系統(tǒng)安裝示意見圖4。

圖4　3051S ERS系統(tǒng)安裝示意

3.2.13051S ERS系統(tǒng)的技術(shù)特點

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)時間和更加穩(wěn)定、可重復(fù)的測量。

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電纜，只需重新配置2個模塊之間的連接電纜及保護管，無需伴熱保溫。因3015S ERS系統(tǒng)本質(zhì)上就是差壓變送器，不需要進行特別培訓(xùn)，其每個模塊都可單獨進行更換及維修，過程維護簡單而有效。因取消了氣相管，故不存在氣相管積液的問題。

3.2.2傳統(tǒng)差壓變送器的ERS系統(tǒng)改造及其運行效果

綜合考慮液氨的物性特點及目前球罐液位測量儀表技術(shù)、安裝接口等多種因素后，認為選用3051S ERS系統(tǒng)對在用的傳統(tǒng)差壓變送器進行改造是最優(yōu)的方案。

2013年3月，對1#球罐的傳統(tǒng)差壓變送器采用ERS系統(tǒng)進行了改造。ERS系統(tǒng)投用后，在其量程計算密度條件附近的液位指示基本與磁性翻板液位計一致；在偏離計算密度條件較大時的液位指示與磁性翻板液位計存在一定偏差，這主要是量程的計算密度是一定條件下的定值所造成的，也可以認為是壓力變送器在這種應(yīng)用下存在的另一個“局限性”，但從多年的運行情況來看，這點偏差不會對正常測量及操作運行產(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)速度最快、測量最準(zhǔn)確、運行效果最好，至今未出現(xiàn)過任何問題。

4　結(jié)語

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量中氣相管積液的問題，經(jīng)過實踐檢驗，充分體現(xiàn)了這一系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)越性。任何測量儀表都有自身的技術(shù)特點與實用范圍，要獲得良好的工程應(yīng)用，對測量介質(zhì)特性的詳細了解至關(guān)重要[8]。此外，隨著測量及儀表技術(shù)的發(fā)展，利用微振動傳感分析技術(shù)原理的外測式液位計已在液氨球罐的液位測量中得到了應(yīng)用[9]。

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[4]中國石油天然氣集團公司職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.油品計量工(銷售專用)[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2008：236- 238.

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[6]徐英，楊一凡，朱萍.球罐和大型儲罐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：42.

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Limitation of Traditional Differential Pressure Transmitter in Liquid Ammonia Spherical Tank Liquid Level Measurement and Renovation

LIU Yanjiang

(Red Phosphorus Branch of Yunnan Yuntianhua Co., Ltd.Yunnan Kaiyuan661699)

The limitation of measuring liquid level in liquid ammonia spherical tank with traditional differential pressure transmitter is analyzed and discussed, the technical characteristics of 3051S ERS, electrics remote digital differential pressure liquid level system, are presented. After the revamp of traditional differential pressure transmitter with ERS, the problem of gas-phase tube liquid accumulation of traditional differential pressure transmitter is solved completely.

liquid ammonia spherical tankdifferential pressure transmitterguided wave radar level gauge3051S electronic remote sensor

劉燕江(1974—)，男，高級工程師，長期從事檢定計量、自動化儀表、DCS系統(tǒng)的運行維護及管理工作；853048261@qq.com。

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2015- 01- 21)