宋 昊

(錦州開元石化有限責(zé)任公司，遼寧 錦州 121001)

液位計(jì)在石化罐區(qū)中的應(yīng)用

宋 昊

(錦州開元石化有限責(zé)任公司，遼寧 錦州 121001)

介紹單法蘭液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)和光導(dǎo)液位計(jì)的原理、特點(diǎn)，以及它們?cè)谑迏^(qū)中不同儲(chǔ)罐和不同介質(zhì)中的應(yīng)用。

液位計(jì) 石化儲(chǔ)罐

在石化行業(yè)的罐區(qū)里，儲(chǔ)罐種類繁多，包括：球罐、內(nèi)浮頂罐和固定頂罐。儲(chǔ)罐的容量大小不等。存儲(chǔ)的介質(zhì)有粘度大且流動(dòng)性差的原油和渣油，有介電常數(shù)較小的液化烯烴，有腐蝕性強(qiáng)的酸性物質(zhì)等。對(duì)于這些儲(chǔ)罐的液位測(cè)量，常用的有法蘭式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)和光導(dǎo)液位計(jì)，筆者分別介紹各類液位計(jì)的原理、特點(diǎn)以及在石化罐區(qū)不同儲(chǔ)罐和不同介質(zhì)中的適用性，以獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，保證裝置的正常和安全生產(chǎn)。

單法蘭液位計(jì)是根據(jù)液位產(chǎn)生的壓力與液位高度成正比的原理進(jìn)行液位測(cè)量的，通過壓力反映液位的高度H，即H=p/ρg，其中ρ是介質(zhì)密度，p為液體產(chǎn)生的壓力?？梢?，液位的高度和介質(zhì)的密度有關(guān)聯(lián)，但密度往往隨溫度變化而變化，從而使液位也發(fā)生變化。表1是乙醇?jí)毫?0kPa時(shí)，在不同溫度下對(duì)應(yīng)的液位高度?？梢钥闯觯煌瑴囟葘?dǎo)致密度不同，對(duì)液位高度的測(cè)量結(jié)果影響也很大。

表1 乙醇在不同溫度、相同壓力下的液位高度

對(duì)于帶壓儲(chǔ)罐，單法蘭液位計(jì)不再適用。儲(chǔ)罐底部的壓力是罐內(nèi)壓力與液體產(chǎn)生壓力之和，單法蘭液位計(jì)無法區(qū)分是液位變化還是儲(chǔ)罐內(nèi)壓力變化引起的液位高度變化。在這種情況下可使用雙法蘭液位計(jì)，在儲(chǔ)罐頂部氣相空間的位置設(shè)置一個(gè)取壓口，通過上下兩個(gè)取壓口之間的壓力差來測(cè)量液位。

單﹑雙法蘭液位計(jì)的價(jià)格比雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)和光導(dǎo)液位計(jì)要便宜得多，對(duì)于液位測(cè)量要求不高的儲(chǔ)罐建議采用此類液位計(jì)。

另外，不同型號(hào)的單、雙法蘭液位計(jì)都適用于粘稠、易結(jié)晶、強(qiáng)腐蝕或劇毒性的介質(zhì)。錦州開元石化有限責(zé)任公司的2 000m3的渣油常壓儲(chǔ)罐，由于工藝對(duì)液位測(cè)量精度要求不高，就使用的是插入筒式單法蘭液位計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)使用狀況良好。

2 雷達(dá)液位計(jì)

雷達(dá)液位計(jì)在測(cè)量過程中雷達(dá)發(fā)射電磁波，這些波經(jīng)被測(cè)對(duì)象表面反射后，被天線接收[1]。目前，雷達(dá)液位計(jì)普遍采用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)技術(shù)，即在一定時(shí)間發(fā)射呈線性變化的頻率。由于電磁波的傳輸速度為常數(shù)，通過測(cè)量發(fā)射某一頻率和接收到該頻率的時(shí)間，就可以計(jì)算出罐的液面空高距離D。設(shè)定罐高度H后，雷達(dá)液位計(jì)的內(nèi)部軟件就可以計(jì)算出液位的高度L=H-D。

在選擇雷達(dá)液位計(jì)時(shí)，要考慮的一個(gè)參數(shù)就是介電常數(shù)。雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量效果會(huì)受到介質(zhì)介電常數(shù)值的影響。為了便于理解介電常數(shù)，可與“電介質(zhì)”聯(lián)系在一起?！半娊橘|(zhì)”是電導(dǎo)率低的物質(zhì)。電導(dǎo)率低，介質(zhì)的絕緣性好，或者說介電常數(shù)低；電導(dǎo)率高的，介電常數(shù)就高，介電常數(shù)越高，雷達(dá)反射信號(hào)越強(qiáng)，液位計(jì)的測(cè)量效果就越好。在石化罐區(qū)，對(duì)于介質(zhì)介電常數(shù)小的儲(chǔ)罐(如烯烴)，使用雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)效果差，經(jīng)常出現(xiàn)假液位現(xiàn)象。

雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量方式屬于非接觸式，不受介質(zhì)的粘度、密度和腐蝕性影響。要使雷達(dá)液位計(jì)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，良好的安裝是必不可少的，安裝時(shí)應(yīng)該使雷達(dá)波避免照射到罐里的障礙物(如：管道、加強(qiáng)桿、攪拌器及物料的入口等)，如果雷達(dá)波照射到這些強(qiáng)反射的金屬物體上，產(chǎn)生的回波會(huì)遠(yuǎn)比介質(zhì)的回波強(qiáng)，對(duì)介質(zhì)的測(cè)量就會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)的現(xiàn)象。為了避免液面波動(dòng)或其他干擾，應(yīng)在儲(chǔ)罐里安裝雷達(dá)導(dǎo)波管，使雷達(dá)波在導(dǎo)波管里傳送。另外對(duì)于內(nèi)浮頂罐，雷達(dá)可以通過導(dǎo)波管測(cè)量浮盤以下的液位。導(dǎo)波管制作時(shí)要求內(nèi)壁光滑無毛刺，因?yàn)榧词故呛苄〉慕饘倜?，?duì)雷達(dá)波的反射都要強(qiáng)于介質(zhì)對(duì)波的反射，會(huì)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致誤判液面。

介質(zhì)的特性也影響雷達(dá)液位計(jì)的正常使用。錦州開元石化有限責(zé)任公司的瀝青中間罐，用雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量效果就不佳。在瀝青進(jìn)入罐時(shí)，約200℃的瀝青產(chǎn)生大量煙氣，這類煙氣對(duì)雷達(dá)的電磁波產(chǎn)生反射，使雷達(dá)不能正確判斷液面，致使雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量效果不佳。此外，瀝青煙氣會(huì)在雷達(dá)喇叭口處凝結(jié)，日久凝結(jié)成了油狀物質(zhì)，而這類油狀物質(zhì)又很難擦除干凈，影響了雷達(dá)液位計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量。

3 伺服液位計(jì)

伺服液位計(jì)是基于阿基米德原理，柔軟的鋼絲繩纏繞在帶有凹槽的測(cè)量磁鼓上，另一端懸掛浮子。液位下降時(shí)，浮子所受浮力減小，而測(cè)量鋼絲上的張力增加，張力的改變立即傳達(dá)到力傳感器的張力絲上，使其拉緊，檢震器檢測(cè)到張力絲的變化，伺服控制器隨即發(fā)出命令，令伺服電機(jī)帶動(dòng)測(cè)量鼓逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)放下測(cè)量鋼絲，浮子不斷地跟蹤液位下降的同時(shí)，伺服電機(jī)上的碼盤計(jì)數(shù)器記錄了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，并自動(dòng)計(jì)算出測(cè)量浮子的位移量，即液位的變化量。當(dāng)液位上升時(shí)，這個(gè)過程相反。

由于與介質(zhì)氣相接觸的磁鼓與步進(jìn)馬達(dá)之間通過磁耦合傳遞，所以伺服液位計(jì)外殼的耐壓力決定了它能安裝在多大的壓力儲(chǔ)罐上。連接浮子的鋼絲繩非常細(xì)(直徑小于1mm)，浮子安裝在靜波管里可以防止儲(chǔ)罐進(jìn)料時(shí)液面波動(dòng)大而造成鋼絲繩受到大的作用力而斷掉。

由于儲(chǔ)罐底部受到油壓力而產(chǎn)生變形，會(huì)使液位計(jì)和手工檢尺出現(xiàn)非線性誤差，這個(gè)誤差可以通過計(jì)算出的每米偏差量來修正，但是需要用戶積累一定的數(shù)據(jù)。以恩拉福伺服液位計(jì)為例，說明誤差的修正方法，儲(chǔ)罐液位的人工檢尺和伺服測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。修正值HF=(伺服測(cè)量液位H-人工檢尺液位H′)÷(伺服液位-液位轉(zhuǎn)折點(diǎn))。從表2可以看出，罐的偏差是從7m開始的，每米偏差量=4mm÷(14m-7m)=0.571mm。計(jì)算出的每米偏差量即為液位計(jì)的修正值。

表2 人工檢尺和伺服測(cè)量數(shù)據(jù) m

伺服液位計(jì)的測(cè)量方式屬于接觸式，在測(cè)量腐蝕性介質(zhì)時(shí)，需要考慮浮子和鋼絲繩的耐腐蝕性。當(dāng)測(cè)量粘稠度較高或易結(jié)晶介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)會(huì)在罐頂部凝結(jié)，使裝在磁鼓上的鋼絲繩粘結(jié)，鋼絲繩不能下放和上升，造成液位計(jì)失靈。這類介質(zhì)就不適合使用伺服液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

4 光導(dǎo)液位計(jì)

光導(dǎo)液位計(jì)由安裝在現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)部分和安裝在室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理器兩部分組成。檢測(cè)部分主要由碼盤、光電開關(guān)、測(cè)量輪、盤簧和浮子構(gòu)成。盤簧小輪同箱體相連，盤簧大輪和盤簧小輪之間由盤簧連接，用盤簧來調(diào)節(jié)整個(gè)浮子和碼盤系統(tǒng)的平衡。隨著液位的升降，使測(cè)量輪、碼盤和浮子達(dá)到新的平衡，光電開關(guān)就會(huì)利用碼盤分別輸出一組上升和下降的數(shù)字脈沖信號(hào)，這個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)經(jīng)過安裝在室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理器轉(zhuǎn)換并顯示為液位高度。

數(shù)據(jù)處理器外形尺寸160mm×80mm×260mm，盤裝安裝方式，可與上位機(jī)進(jìn)行RS485通信，也可以輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在第一次使用光導(dǎo)液位計(jì)時(shí)，需要對(duì)罐的液位進(jìn)行人工檢尺，然后在數(shù)據(jù)處理器里輸入檢尺的液位數(shù)，此后光導(dǎo)液位計(jì)測(cè)量的液位值才會(huì)與罐的實(shí)際液位一致。如果數(shù)據(jù)處理器發(fā)生斷電，輸入到處理器的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，需要再次進(jìn)行人工檢尺，把檢尺數(shù)據(jù)輸至處理器，處理器才會(huì)正常顯示液位變化。

由于盤簧和測(cè)量輸出部分沒有隔離措施，介質(zhì)的氣相與檢測(cè)元件直接接觸，所以光導(dǎo)液位計(jì)只能用在介質(zhì)對(duì)測(cè)量元件沒有腐蝕的常壓儲(chǔ)罐中。

5 液位計(jì)的對(duì)比

表3列出了4種液位計(jì)的精度、安裝、工作壓力環(huán)境、測(cè)量類型與安裝位置的對(duì)比。

表3 4種液位計(jì)的特點(diǎn)對(duì)比

6 結(jié)束語

筆者所述的4種液位計(jì)都有各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、適用范圍和局限性。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，要根據(jù)具體的工藝狀況和液位計(jì)的特點(diǎn)與適用性進(jìn)行選型，才能使液位計(jì)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行相關(guān)液位的準(zhǔn)確測(cè)量，保證裝置的正常、安全生產(chǎn)。

[1] 吳彥紅,艾宏圖.雷達(dá)液位計(jì)在液化烴球罐上的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2003,39(5):65～67.

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2016-03-24(修改稿)