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雙法蘭液位計在現場應用中不容忽視的問題探討

來源: 作者: 發布日期:2020-05-25 09:03:33

        摘要:雙法蘭液位計以其測量穩定可靠、安裝維護方便的優勢在石油石化工藝上應用極為廣泛,尤其當容器內介質為腐蝕性、易結晶、粘度高時更具優勢。結合雙法蘭液位的結構及工作原理,從工藝現場實際應用出發,并針對典型案例分析對雙法蘭液位計測量穩定性和準確性不容忽視的影響因素。

 
引言
       在化工工藝中,各種儲罐、容器的液位測量、控制、報警對生產安全運行有至關重要的作用。差壓式液位計以其結構簡單、安裝方便、調整靈活、信號遠傳、穩定可靠等一系列優勢使它在石油石化行業液位測量中應用極為廣泛,尤其對于腐蝕性、易結晶、高粘度介質容器液位的測量優勢更加顯著。但是,再可靠的儀表,也會有影響其測量穩定性和準確度的因素。這就需要儀表維護人員在應用差壓液位計時能夠正確判斷、分析出現的問題,并能根據其結構和工作原理找到產生問題的原因從而修正或者避免問題。
 
1 雙法蘭液位計結構組成和測量原理
       了解雙法蘭液位計的結構組成和工作原理,是分析應用問題的前提。雙法蘭液位計,它是基于流體靜力學原理測量液位的,主要由法蘭式測量頭、毛細管和差壓變送器三部分組成( 如圖1 所示)。法蘭處密封隔離膜片能夠防止容器中的介質直接進入差壓變送器,它與變送器之間是靠充滿隔離液( 一般采用硅油) 的毛細管連接起來的,當膜片受壓后產生微小變形,變形位移通過隔離液傳遞給變送器,由變送器處理后轉換成輸出信號[1]。
 雙法蘭液位計的組成及原理示意圖
       根據流體靜力學原理可得,差壓變送器輸入的差壓信號與液位成正比,而差壓信號與輸出輸電流成線性對應關系,表達式如下:
pH=p+Hρ1g+h1 ρ1g 
pL=p+h2 ρ2 g 
Δp=pH-pL=Hρ1g-(h2-h1)ρ2 g
       可見,當容器液位H=0 時,變送器輸入差壓信號Δp=-(h2- h1)ρ2g,雙法蘭液位變送器在對密閉容器液位測量時首先要對其測量范圍進行負遷移。而遷移量對應的高度差h2-h1 即為兩個法蘭安裝端面中心線之間的距離,因此,雙法蘭差壓液位計在兩個法蘭安裝位置確定以后,就可以根據公式計算出其負遷移量,再由遷移機構或者手操器對差壓變送器實施負遷移。
 
2 實際應用中不容忽視的問題
       為了保證雙法蘭液位計液位測量的準確性,必須首先保證容器內氣相、液相介質對差壓變送器高、低壓側作用壓力傳遞的準確性,從壓力作用的起點出發,根據雙法蘭液位計的組成部分和工作原理來分析應用中出現的問題,是工藝中常用的分析應用問題的方法。
 
2.1 保持法蘭測量頭隔離膜片的完整和清潔
       由于法蘭測量頭隔離膜片的隔離作用,使被測介質不能與差壓變送器直接接觸,不會腐蝕或者堵塞儀表,使得雙法蘭液位計在腐蝕性、易結晶、高粘度介質液位的測量中優勢明顯。但是,法蘭隔離膜片材料的耐腐蝕可靠性會隨著使用時間的推移降低,并且法蘭隔離膜片的清潔度也會影響壓力傳感,具體表現為:
       (1) 當法蘭測量頭長期與容器內腐蝕性介質氣相或者液相接觸時,可能對膜片造成一定腐蝕進而出現隔離液漏液現象,使液位測量不準。膜片腐蝕漏液導致測量液位不準是雙法蘭液位計在應用過程中常見的故障現象,如果膜片出現腐蝕,一定要及時更換法蘭。
       (2) 當其長期接觸易結晶、高粘度介質時,容易導致介質結晶或者粘附在膜片上,或者當容器底部有雜質淤積在法蘭膜片處時,導致法蘭膜片壓力傳感出現滯后或液位變化而儀表輸出不變。因此,法蘭測量頭要定期拆開清洗,確保感壓靈敏度、傳壓響應速度。
 
2.2 保持毛細引壓管的順暢不能有折
       毛細管內充有硅油,一方面用于隔離容器內的腐蝕性或者結晶介質,另一方面用于傳遞法蘭測量頭感受到的容器底部的介質壓力,引壓管不需要豎直放置,多余長度的毛細引壓管可以卷起來固定,但要保證隔離液流動的順暢,毛細管不能有折[2],如果打折,就阻礙了壓力的傳遞。
 
2.3 高溫、高壓容器內介質密度變化大,不容忽視
       一般差壓式液位計在使用中忽略了液體密度的變化,在常溫常壓下這種忽略問題不大,但在高溫高壓條件下這種忽略將造成很大測量誤差。這是由于在高溫高壓條件下液體的密度波動很大。因此,在測量時需結合容器內的實際壓力和溫度,修正介質的密度,從而得到更加準確的液位高度值。
 
2.4 溫度對隔離液密度有影響
       當容器介質為高溫時,靠近容器部分的毛細管內的硅油受熱大,膨脹系數大,而遠離容器部分的毛細管內的硅油膨脹系數小,當環境溫度很低時,耐高溫硅油對低溫時間響應慢,壓力傳遞不均衡,易造成液位測量的不穩定。
       (1) 需要考慮環境高溫對硅油膨脹系數的影響。夏天環境溫度高,陽光能直接照射到沒有保溫系統的法蘭毛細管,使毛細管溫度急劇上升。如果儀表出廠時質量不過關,在向膜盒內充裝硅油前沒有將內部空氣清除干凈( 或充裝硅油膨脹系數過大),導致氣體受熱膨脹,膜盒內壓力升高,儀表指示出現偏差。暫時可以將法蘭及毛細管等陽光直射部分加裝保溫層來減小影響,長遠打算的話要更換雙法蘭。
       (2) 需要考慮低溫對硅油密度的影響。對于北方( 尤其是東北地區) 環境來說,冬季溫度達到零度以下( 甚至零下幾十度),應用雙法蘭液位計時首先要對硅油的耐溫范圍進行優選,此外,為了可靠還需要對毛細管有保溫措施如用電伴熱的方式減小環境溫度對硅油密度的影響。國外也有公司使用雙填充液( 耐高溫+ 耐低溫) 來解決容器內外溫度差異對壓力傳遞響應速度造成影響的問題。
 
2.5 負壓容器液位測量偏差大
       雙法蘭變送器的工作壓力一般要求在大氣壓以上,如果需要在大氣壓以下( 負壓) 工作,工作溫度不能太高。雙法蘭液位計在負壓理論上是能夠正常工作的,但是在負壓下工作時,法蘭膜盒中的膜片因受真空而向外鼓包,于是毛細引壓管內壓力降低,填充液的粘度也逐漸下降,并開始蒸發。當填充液內出現氣體時,壓力的傳遞便會減慢,造成儀表測量滯后[3]。再就是,因為隔離液填充前需對毛細管抽真空,而這個過程往往會不可避免的產生一些微小的氣泡,在容器負壓下,這些小氣泡在負壓下會膨大,一些雜質如水分會汽化形成氣泡,會影響壓力傳遞的穩定性。因此,負壓下工作對雙法蘭液位計的質量要求很
高。要么選用高質量的變送器,要么避免采用。
 
3 典型案例分析
       工況描述:冬季,某北方公司工藝上使用雙法蘭液位計測量密閉儲罐液位,毛細管內硅油是D 型,防凍零下45℃的。介質溫度為10℃左右,罐外環境溫度為晚上零下20℃左右,白天零下15℃左右。上下法蘭及毛細管無伴熱,表頭( 變送器) 及多余的毛細管在保溫箱內且保溫箱內有電伴熱。故障現象:連續幾天控制室操作盤上顯示雙法蘭液位計遠傳波動較大,但有一定規律。( 非常好天觀察發現:從早上8% 開始慢慢上升,到中午達到100%,下午又降到40% 多,實際現場翻板也就20 多%。第二天觀察發現:從中午的41% 上升到下午三點的50%,夜間十點發現又降到43% 了,次日早上八點又變到60%)
 
故障分析與排查:
       (1) 確認工藝是否有波動,可通過放空磁翻板液位計來確認是否存在虛假液位。排除虛假液位后,進一步排查儀表故障。
       (2) 液位不穩,也就是差壓不穩,首先考慮法蘭測量頭膜片是否有漏液。如果是負壓側法蘭漏液,會導致測量結果變大;正壓側法蘭漏液,會導致測量結果變小。經檢查,上法蘭負壓室滲漏,毛細管內硅油滲漏,導致液位計遠傳值偏高。
       (3)差壓有升有降,還要考慮到隔離液受環境溫度的影響[2]。由于是冬季,溫度低且晝夜溫差大,耐低溫硅油的密度在低溫時變化也較大。負遷移量為Δp=-(h2-h1)ρ2g,硅油熱脹冷縮,溫度升高時,硅油密度降低,負遷移量變小,對應輸入差壓增大,輸出電流增大,所測液位變大;反之,溫度下降時,硅油密度有所升高,負遷移量變大,對應輸入差壓信號變小,輸出電流也變小,所測液位偏低。由于差壓變送器與毛細管局部在儀表箱內( 儀表箱內有電伴熱受熱),負壓側裸露在外的長度要大于正壓側,儀表箱外處于環境溫度下的毛細管受熱不均,也會導致壓力不穩。基于以上分析,可對雙法蘭連接處和裸露在外的毛細管增加同樣的保溫措施。
 
4 結語
       雙法蘭液位計以其獨特的優勢在工藝上得到廣泛的應用,但是在使用過程中其測量準確性還是難免會受到一些因素的影響,需要結合工藝、環境溫度以及其結構組成去分析出現的問題現象,及時調整和修正,才能更大程度的減小液位測量誤差和不穩定性,服務于工藝生產自動化控制。

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