探討石油化工裝置深冷介質(zhì)液位測量儀表的選型及應(yīng)用

王杰亮

（連云港石化有限公司，江蘇 連云港 222000）

在石油化工裝置中，流體介質(zhì)可以大致分為高溫、中溫、低溫、深冷（超低溫）等4個(gè)溫度范圍，其中深冷一般指工作溫度低于-100℃的流體介質(zhì)。本文將結(jié)合筆者所在乙烯裝置深冷工況的塔、罐等容器的幾種液位測量方式選型及安裝方式進(jìn)行介紹并討論，并就在裝置實(shí)際運(yùn)行過程中由于安裝方式問題導(dǎo)致液位測量指示失真進(jìn)行分析并技術(shù)改造，以解決深冷工況容器液位測量不正常的問題。

1 深冷介質(zhì)容器液位儀表選型及安裝方式

1.1 浮筒液位變送器

對于測量范圍在2000mm或以內(nèi)，比密度為0.5～1.5的液位連續(xù)測量或位式測量，比密度差為0.2或以上的界面連續(xù)測量或位式測量，宜選用浮筒液位計(jì)或開關(guān)。浮筒液位變送器屬于變浮力式液位計(jì)，浮筒變送器由智能液位控制器和浮筒測量室、測量機(jī)構(gòu)、浮筒、扭力管等組成，浮筒浸沒在測量室內(nèi)的液體中，與扭力管系統(tǒng)剛性連接。扭力管系統(tǒng)承受的力是浮筒自重減去浮筒所受的液體浮力的凈值，在這種合力作用下的扭力管扭轉(zhuǎn)一定角度。被測液體的位置、密度或界位高低的變化引起浮筒位置的變化，該變化被傳遞到扭力管組件，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。扭力管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到智能液位控制器杠桿組件上，使固定在杠桿組件上的磁鐵發(fā)生位移，改變了由霍爾效應(yīng)傳感器檢測的磁場。該傳感器將磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號。智能液位控制器采用微控制器與相關(guān)的電子線路測量過程變量，提供電流輸出并提供4mA～20mA電流輸出信號，以達(dá)到液位測量的目的。

圖1 某品牌浮筒液位變送器外觀及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Appearance and structural schematic diagram of a certain brand of float level transmitter

表1 浮筒變送器測量室材質(zhì)允許使用的過程溫度Table 1 Allowable process temperatures for the material of the measurement chamber of the float transmitter

浮筒液位變送器測量介質(zhì)溫度的適用范圍可達(dá)-198℃～+400℃，在選型過程中要根據(jù)測量介質(zhì)的設(shè)計(jì)問題選用測量室材質(zhì)。

如上所述，石油化工裝置深冷工況的塔、罐等容器工藝介質(zhì)若滿足上述條件，一般情況下優(yōu)選浮筒液位變送器。

浮筒液位變送器的安裝注意事項(xiàng)：

圖2 裝置現(xiàn)場深冷工況浮筒變送器安裝效果圖Fig.2 Installation effect diagram of float transmitter under deep cold working conditions on site

1）浮筒液位變送器安裝后，浮筒應(yīng)上、下活動(dòng)靈活，無卡澀現(xiàn)象。

2）石油化工裝置多為側(cè)-側(cè)型法蘭連接方式，工藝容器上焊接的法蘭短管，其上、下法蘭之間的中心間距，法蘭連接螺栓孔的方位必須與浮筒外殼法蘭一致，上、下兩法蘭密封面必須處于同一垂直平面，且法蘭的中心處在同一垂直線上。

3）外浮筒式液位變送器的浮筒頂部應(yīng)設(shè)1/2"螺帽或絲堵，以備現(xiàn)場校準(zhǔn)用，其底部應(yīng)設(shè)排水閥短節(jié)。

4）浮筒液位變送器所用閥門必須經(jīng)試壓、檢漏合格后方可適用。

5）低溫介質(zhì)的放凈閥門應(yīng)為低溫長頸閥。

6）低溫介質(zhì)的放凈閥閥體材質(zhì)應(yīng)首選316SS，閥芯材質(zhì)316SS/FHF。

1.2 差壓液位變送器

對于測量范圍超出2000mm或比密度差過小等無法選用浮筒液位變送器時(shí)，一般多選用差壓液位變送器。差壓液位變送器是利用容器內(nèi)的液位改變時(shí)，液柱產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的。差壓液位變送器是石油、化工和石化生產(chǎn)過程中應(yīng)用十分關(guān)鍵的液位測量儀表，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、線性，便于安裝與維護(hù)，易于組合成控制系統(tǒng)，用于連續(xù)或間歇生產(chǎn)的塔、罐、槽等容器的液位的連續(xù)測量和界位測量。差壓變送器分為普通差壓變送器、單法蘭差壓變送器、雙法蘭差壓變送器等，由于單法蘭差壓變送器和雙法蘭差壓變送器測量部件（即膜盒）是直接與測量接觸，而法蘭式差壓變送器膜盒內(nèi)是根據(jù)測量介質(zhì)的不同溫度進(jìn)行填充液的填充，見表2。

圖3 某品牌普通差壓變送器外觀示意圖Fig.3 Appearance diagram of a certain brand of ordinary Differential pressure transmitter

表2 某品牌法蘭式差壓變送器密封填充液參數(shù)Fig.2 Sealing and filling fluid parameters of a certain brand of flange differential pressure transmitter

通過表2填充液溫度范圍可知，法蘭式差壓變送器膜盒填充最低耐溫為-105℃，因此深冷工況的塔、罐等容器液位測量一般不能選用法蘭式差壓變送器，而是選用普通差壓式變送器。

普通差壓變送器測量液位一般為Tube引壓管+差壓變送器安裝方式，通過Tube引壓管將測量介質(zhì)引導(dǎo)至差壓變送器，根據(jù)流體靜力學(xué)原理完成對液位的檢測。

差壓液位變送器的安裝注意事項(xiàng)：

1）差壓液位變送器測量液位時(shí)，儀表安裝高度通常不應(yīng)高于被測容器液位取壓接口的下接口標(biāo)高。安裝位置應(yīng)易于維護(hù)，便于觀察，且靠近取壓部件的位置。

圖4 差壓變送器測量液位Tube引壓管配管安裝圖Fig.4 Installation diagram of differential pressure transmitter measuring liquid level Tube pressure pipe piping

2）差壓液位變送器應(yīng)垂直安裝，保持“＋”“-”壓室標(biāo)高一致。

3）差壓液位變送器的“+”壓室應(yīng)與工藝容器的下接口相連，“-”壓室應(yīng)與容器的上接口相連。

4）差壓液位變送器Tube引壓管應(yīng)根據(jù)測量介質(zhì)特性做好絕熱或保溫措施。

5）差壓液位變送器應(yīng)具備正、負(fù)遷移功能。

2 深冷介質(zhì)容器差壓液位變送器不同安裝方式及問題

2.1 安裝方式一

深冷介質(zhì)容器差壓液位變送器安裝及配管方式一如圖6所示，Tube引壓管保冷，現(xiàn)場差壓液位變送器測量范圍按照儀表規(guī)格書提供校準(zhǔn)量程設(shè)置（如測量范圍：0 KPa～5.5KPa）。

圖5 裝置現(xiàn)場深冷工況差壓變送器安裝效果圖Fig.5 Installation effect diagram of differential pressure transmitter under deep cold working conditions on site

圖6 差壓液位變送器安裝方式一示意圖Fig.6 Schematic diagram of installation method 1 for differential pressure liquid level transmitter

液位正常測量狀態(tài)為設(shè)備下法蘭至變送器正壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為氣態(tài)，設(shè)備上法蘭至變送器負(fù)壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為氣態(tài)（因此無需考慮變送器遷移），容器內(nèi)液位變化使差壓變送器測量靜差壓發(fā)生變化，最終實(shí)現(xiàn)液位測量。

2.1.1 可能存在的問題

1）液位指示偏高，設(shè)備下法蘭至變送器正壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為液態(tài)（或氣、液混合），設(shè)備上法蘭至變送器負(fù)壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為氣態(tài)。

2）液位指示偏低，設(shè)備下法蘭至變送器正壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為液態(tài)（或氣、液混合），設(shè)備上法蘭至變送器負(fù)壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為液態(tài)（或氣、液混合），當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)高度超過上法蘭口時(shí)，將會(huì)有介質(zhì)進(jìn)入變送器負(fù)壓側(cè)Tube引壓管。

2.1.2 可能存在的風(fēng)險(xiǎn)

1）造成工藝監(jiān)盤人員對容器真實(shí)液位的誤判斷，做出錯(cuò)誤的操作，可能導(dǎo)致裝置生產(chǎn)波動(dòng)。

2）液位指示偏高，若液位存在高高報(bào)警聯(lián)鎖，則可能存在聯(lián)鎖誤動(dòng)作造成裝置非停。

3）液位指示偏低，若液位存在高高報(bào)警聯(lián)鎖，則可能存在無法觸發(fā)液位高高聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作，造成裝置無法聯(lián)鎖停車導(dǎo)致人員或設(shè)備損壞。

2.2 安裝方式二

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)深冷介質(zhì)容器差壓液位變送器按照安裝方式一無法正常測量液位，后經(jīng)過改造，采取新的安裝及配管方式如圖7所示。將差壓液位變送器的安裝高度與容器下法蘭口平行，Tube引壓管正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)進(jìn)行保冷絕熱，現(xiàn)場差壓液位變送器測量范圍按照儀表規(guī)格書提供校準(zhǔn)量程設(shè)置（如測量范圍：0KPa～5.5KPa）。

圖7 差壓液位變送器安裝方式二示意圖Fig.7 Schematic diagram of installation method 2 for differential pressure liquid level transmitter

液位正常測量狀態(tài)為設(shè)備下法蘭至變送器正壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為氣態(tài)或液態(tài)或氣液混合態(tài)（但變送器安裝高度與法蘭口平齊，因此不論介質(zhì)相態(tài)如何不會(huì)對差壓變送器產(chǎn)生靜壓差的變化），設(shè)備上法蘭至變送器負(fù)壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為氣態(tài)（因此無需考慮變送器遷移），容器內(nèi)液位變化使差壓變送器測量靜差壓發(fā)生變化，最終實(shí)現(xiàn)液位測量。

2.2.1 可能存在的問題

液位指示偏低，設(shè)備下法蘭至變送器正壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為液態(tài)（或氣、液混合），設(shè)備上法蘭至變送器負(fù)壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為液態(tài)（或氣、液混合），當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)高度超過上法蘭口時(shí)，將會(huì)有介質(zhì)進(jìn)入變送器負(fù)壓側(cè)Tube引壓管。

2.2.2 可能存在的風(fēng)險(xiǎn)

1）造成工藝監(jiān)盤人員對容器真實(shí)液位的誤判斷，做出錯(cuò)誤的操作，可能導(dǎo)致裝置生產(chǎn)波動(dòng)。

2）液位指示偏低，若液位存在高高報(bào)警聯(lián)鎖，則可能存在無法觸發(fā)液位高高聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作，造成裝置無法聯(lián)鎖停車導(dǎo)致人員或設(shè)備損壞。

2.3 安裝方式三

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)深冷介質(zhì)容器差壓液位變送器按照安裝方式一或安裝方式二都存在無法正常測量液位的情況，后經(jīng)過討論及技術(shù)改造，采取新的安裝及配管方式如圖8所示。將差壓液位變送器的安裝高度與容器下法蘭口平行，Tube引壓管正壓側(cè)進(jìn)行保冷絕熱，Tube引壓管負(fù)壓側(cè)進(jìn)行伴熱加保溫，現(xiàn)場差壓液位變送器測量范圍按照儀表規(guī)格書提供校準(zhǔn)量程設(shè)置（如測量范圍：0KPa～5.5KPa）。

圖8 差壓液位變送器安裝方式三示意圖Fig.8 Schematic diagram of installation method three for differential pressure liquid level transmitter

液位正常測量狀態(tài)為設(shè)備下法蘭至變送器正壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為氣態(tài)或液態(tài)或氣液混合態(tài)（但變送器安裝高度與法蘭口平齊，因此不論介質(zhì)相態(tài)如何不會(huì)對差壓變送器產(chǎn)生靜壓差的變化），設(shè)備上法蘭至變送器負(fù)壓側(cè)Tube引壓管由于增加伴熱加保溫，因此會(huì)保證負(fù)壓側(cè)Tube內(nèi)介質(zhì)相態(tài)一直為氣態(tài)，容器內(nèi)液位變化使差壓變送器測量靜差壓發(fā)生變化，最終實(shí)現(xiàn)液位測量。

2.3.1 可能存在的問題

變送器負(fù)壓側(cè)Tube管伴熱失效，設(shè)備上法蘭至變送器負(fù)壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)為液態(tài)（或氣、液混合），當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)高度超過上法蘭口時(shí)，將會(huì)有介質(zhì)進(jìn)入變送器負(fù)壓側(cè)Tube引壓管，可能造成液位指示偏低。

2.3.2 可能存在的風(fēng)險(xiǎn)

1）造成工藝監(jiān)盤人員對容器真實(shí)液位的誤判斷，做出錯(cuò)誤的操作，可能導(dǎo)致裝置生產(chǎn)波動(dòng)。

2）液位指示偏低，若液位存在高高報(bào)警聯(lián)鎖，則可能存在無法觸發(fā)液位高高聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作，造成裝置無法聯(lián)鎖停車導(dǎo)致人員或設(shè)備損壞。

3 結(jié)語

為了保證深冷介質(zhì)容器液位測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，滿足浮筒液位變送器選型技術(shù)要求以及現(xiàn)場具備浮筒液位變送器安裝條件的情況下，建議優(yōu)先選用浮筒液位變送器。此種選型和安裝方式環(huán)境溫度及外部因素對其測量影響較小，儀表專業(yè)的維護(hù)量相對也較小。也可采用差壓變送器測量液位，若采用差壓變送器測量深冷介質(zhì)容器液位，建議選用“安裝方式三”，且在裝置運(yùn)行過程中，應(yīng)定期對差壓液位變送器負(fù)壓側(cè)Tube管伴熱進(jìn)行巡檢，保證伴熱的正常，進(jìn)而保證差壓液位變送器測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。