二甲醚球罐液位計(jì)的改進(jìn)

程書全，王永志

（中國平煤神馬集團(tuán)許昌首山化工科技有限公司，河南 許昌 471000）

0 引言

中國平煤神馬集團(tuán)許昌首山化工科技有限公司20萬噸/年二甲醚裝置，2010年底投入運(yùn)行，作為配套設(shè)施的2臺4000m3二甲醚球罐（V202A/B）同時投入使用。球罐的遠(yuǎn)傳液位（LT202A/B）原設(shè)計(jì)為導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，生產(chǎn)初期，球罐投入使用后遠(yuǎn)傳液位計(jì)不能正常工作，后通過對現(xiàn)場磁翻板液位計(jì)增加干簧管進(jìn)行液位信號的傳送。隨著各級安全管理部門對重大危險源的監(jiān)管力度的加大及分廠精細(xì)化管理，2016年10月利用省安檢部門對球罐進(jìn)行全面檢測的機(jī)會，對遠(yuǎn)傳液位計(jì)進(jìn)行了改造，改造后液位計(jì)運(yùn)行安全平穩(wěn)，取得了較好的效果。

圖1 原設(shè)計(jì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝圖Fig.1 Original design wave guide radar level meter installation diagram

1 存在的問題

1.1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在二甲醚球罐上的測量及問題

導(dǎo)波雷達(dá)物位測量技術(shù)是基于 TDR（時域反射）原理產(chǎn)生的。微波脈沖信號沿著導(dǎo)波管以光速傳播，一旦抵達(dá)被測介質(zhì)表面，立即反射回電子接收器。光在空氣或其他氣體介質(zhì)中的傳播速度是恒定不變的常數(shù)，通過時間和光速相乘便可得出通過的物位距離。導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)（LT202A/B）安裝如圖1所示。安裝投入運(yùn)行，通過液位計(jì)生產(chǎn)廠家現(xiàn)場調(diào)試后，仍不能正常工作，通過分析可能存在以下問題：

1）二甲醚液介電常數(shù)較低，與纜式探頭導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)要求的最低介電常數(shù)接近以及罐直徑較大導(dǎo)致回波信號不穩(wěn)。

2）球罐直徑較大，纜式探頭與導(dǎo)波管很難達(dá)到同心，也易產(chǎn)生很強(qiáng)的虛假回波。

3）18m長的導(dǎo)波管，由于是現(xiàn)場制作，管內(nèi)的光滑度及安裝的垂直度也可能對測量有影響。

4）由于球罐體積較大，儲存的是壓力較高的易燃易爆液化氣體，雷達(dá)液位變送器很少有機(jī)會拆下進(jìn)行檢查和維護(hù)。

5）由于導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器進(jìn)行調(diào)試也需專用的軟件，對用戶來說調(diào)試較困難，也不利于液位計(jì)的正常運(yùn)行。

1.2 現(xiàn)場液位計(jì)加裝遠(yuǎn)傳變送器在二甲醚球罐上的測量及問題

圖2 現(xiàn)場液位計(jì)加裝遠(yuǎn)傳變送器安裝圖Fig.2 Installation drawing of remote transmitter installed on site liquid level gauge

干簧管遠(yuǎn)傳變送器工作原理是利用電阻進(jìn)行分壓，通過吸合的干簧管連接至輸出端。隨著磁性浮子跟隨液位的變化，與其接近的干簧管被接通，輸出的電壓反映出相對應(yīng)的液位高度。由于2臺二甲醚球罐隨生產(chǎn)正常而儲存一定量的二甲醚產(chǎn)品，但導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)又不能準(zhǔn)確的對球罐的液位進(jìn)行監(jiān)測，為了穩(wěn)定生產(chǎn)的繼續(xù)和球罐液位的實(shí)時監(jiān)測，經(jīng)過與生產(chǎn)管理領(lǐng)導(dǎo)溝通，對現(xiàn)場磁翻板液位計(jì)（LI202）測量管上進(jìn)行加裝干簧管遠(yuǎn)傳變送器（LT202）進(jìn)行改造，如圖2所示。通過幾年的運(yùn)行存在以下問題：

1）由于二甲醚球罐的直徑是18m，現(xiàn)場液位計(jì)是由2臺9m長液位計(jì)組裝的，每臺球罐也需加2臺干簧管變送器。當(dāng)液位低于9m時，上面的液位變送器的零點(diǎn)信號有誤差時，易使操作人員進(jìn)行誤判，特別是上面1臺翻板液位計(jì)磁浮子低于干簧管變送器零點(diǎn)時，顯示為斷線狀態(tài)。

2）由于干簧管較長，與磁翻板液位計(jì)測量管之間是固定的，長時間的風(fēng)吹日曬，易使它們之間有間隙，對測量信號有影響。

3）二甲醚罐區(qū)是重點(diǎn)監(jiān)管的防爆區(qū)域，上面1臺干簧管液位變送器的接線安裝位置較高，不易對防爆接頭的檢查。

4）購買的干簧管變送器是國產(chǎn)品牌，故障率較高，有問題時不易檢查和更換。

2 改造方案

2.1 二甲醚球罐遠(yuǎn)傳液位計(jì)現(xiàn)場部分改進(jìn)

現(xiàn)國內(nèi)二甲醚球罐的液位檢測儀表多選用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、放射性液位計(jì)或干簧管遠(yuǎn)傳變送器液位計(jì)等。

二甲醚球罐已使用過導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和干簧管遠(yuǎn)傳液位計(jì)，效果都不理想，而超聲波液位計(jì)調(diào)試需專用軟件，有故障時不易調(diào)試，且價格較高，且放射性液位計(jì)對放射源的防護(hù)要求較高。因此，從穩(wěn)定性、性價比和維護(hù)方便等因素綜合考慮，改進(jìn)方案是：利用二甲醚球罐（V202A/B）上的備用口b1和b2改造成差壓式液位計(jì)（LT202）如圖3所示。

圖3 改造后的液位計(jì)安裝圖Fig.3 The installed figure of the liquid gauge after the transformation

將b1口用DN18 PN25的導(dǎo)壓管引入到球罐底部差壓變送器（LT202）的負(fù)壓端，在進(jìn)入負(fù)壓端前加裝1個冷凝罐（儲存氣相管內(nèi)的冷凝液，減少冷凝液柱對氣相壓力的影響）。冷凝罐低于差壓變送器（LT202），并在下部加裝兩個截止閥便于排放冷凝液。b2口用DN18 PN25的導(dǎo)壓管引入到球罐底部差壓變送器（LT202）的正壓端，使LT202與b2取壓口等高。b1和b2是差壓液位計(jì)的氣相和液相取壓口，氣相取壓點(diǎn)處壓力為球罐內(nèi)氣相壓力；液相取壓點(diǎn)處壓力除受氣相壓力作用外，還受液柱靜壓力的作用，液相和氣相壓力之差，就是液柱所產(chǎn)生的靜力。根據(jù)流體靜力學(xué)原理，有

式（1）中，H—二甲醚液體高度；ρ—二甲醚密度；g—當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

由式（1）可得，ΔP=Pb2-Pb1= Hρg。通過查二甲醚密度與溫度對照表，溫度變化對液態(tài)二甲醚的密度影響不大，這樣可以把二甲醚密度和重力加速度作為已知量。因此，差壓變送器（LT202）測得的差壓與二甲醚液體高度成正比，通過LT202測量得到取壓口b2和b1的差壓就能計(jì)算出二甲醚液位的高度。

2.2 差壓變送器的選型與設(shè)置

差壓變送器的選型通常根據(jù)安裝條件、環(huán)境條件、儀表性能、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用介質(zhì)等方面考慮，選型原則如下：

1）主要依據(jù)以被測介質(zhì)的性質(zhì)指標(biāo)為準(zhǔn)，以節(jié)約資金、便于安裝和維護(hù)為參考。

2）要考慮介質(zhì)對膜盒金屬的腐蝕。一定要選好膜盒材質(zhì)，否則使用后很短時間就會將外膜片腐蝕壞，法蘭也會被腐蝕壞造成設(shè)備和人身事故，所以材質(zhì)選擇非常重要。變送器的膜盒材質(zhì)有普通不銹鋼、304不銹鋼、316L不銹鋼、鉭膜盒材質(zhì)等。

3）要考慮被測介質(zhì)的溫度。如果溫度一般為200℃～400℃，要選用高溫型，否則硅油會產(chǎn)生汽化膨脹，使測量不準(zhǔn)。

4）要考慮設(shè)備工作壓力等級，變送器的壓力等級必須與應(yīng)用場合相符合。從經(jīng)濟(jì)角度上講，外膜盒及插入部分材質(zhì)比較合適，但連接法蘭可以選用碳鋼、鍍鉻，這樣會節(jié)約很多資金。

5）從經(jīng)濟(jì)角度上來講，選用變送器時，只要不是易結(jié)晶介質(zhì)都可以采用普通型變送器，而且對于低壓易結(jié)晶介質(zhì)也可以加吹掃介質(zhì)來間接測量（只要工藝允許用吹掃液或氣），應(yīng)用普通型變送器要求維護(hù)人員多次進(jìn)行定時檢查，包括各種導(dǎo)壓管是否泄漏、吹掃介質(zhì)是否正常、保溫是否良好等。只要維護(hù)做得好，大量使用普通型變送器一次性投資會節(jié)約很多。

根據(jù)以上原則綜合考慮，通過查找EJA智能變送器選型樣本，結(jié)合ΔP= Hρg可以計(jì)算出液位變送器（LT202）的量程為：ΔP= Hρg=18×0.661×9.8=116.6（KPa），2臺二甲醚球罐液位計(jì)變送器選擇的型號為：EJA110A-EHS3B-87DD，用HART協(xié)議通信器將差壓變送器的量程范圍設(shè)為：0KPa～116.6KPa。

2.3 二甲醚球罐遠(yuǎn)傳液位計(jì)DCS部分改進(jìn)

二甲醚球罐的液位是一項(xiàng)重要的控制參數(shù)，由于二甲醚裝置生產(chǎn)負(fù)荷發(fā)生變化以及對外灌裝，二甲醚球罐的庫存多少會引起球罐內(nèi)二甲醚液位的波動，特別是近幾年來國家各級安管部門對重大危險源的監(jiān)管力度越來越大。二甲醚球罐是球體，液位的高度與儲存的體積不成正比，通過液位的高度不能反映球罐實(shí)時儲存的實(shí)際噸數(shù)。原DCS中只顯示球罐高度，不能滿足生產(chǎn)管理和操作的需求，后對DCS程序進(jìn)行修改來增加儲存體積、噸數(shù)的顯示及控制。利用牛頓第一定律、質(zhì)量計(jì)算公式和球缺的體積公式

式（2）中，R—二甲醚球罐的半徑；H—二甲醚液位高度；ρ—二甲醚密度；g—當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

在DCS程序組態(tài)中，修改模擬量輸入信號LT202對應(yīng)的量程范圍為：0m～18m。式（2）中π、R、ρ和g都是定值，H是變量。啟動組態(tài)操作界面中二次計(jì)算功能，算出二甲醚的實(shí)時重量G。為了便于操作及考核的需要，在流程圖畫面上分別添加二甲醚液體積V和二甲醚液重量G顯示，最后對組態(tài)程序進(jìn)行保存、編譯、下裝及傳送。

3 改造后的優(yōu)點(diǎn)

改造后的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）維護(hù)方面，比改造前更簡單方便。關(guān)掉截止閥后，能直接拆除液位變松器進(jìn)行維護(hù)和更換等檢修，而雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)需置換球罐后才能拆除維護(hù)，對于干簧管變送器液位則需登高進(jìn)行維護(hù)。

2）價格方面，1臺知名合資品牌的差壓變送器只需5000元左右，而雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)國產(chǎn)的就需幾萬元，知名合資品牌更貴。

3）穩(wěn)定性，差壓變送器測量值受干擾比雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)要少，不易受外界干擾而波動。

4）通信方面，差壓變送器只需HART協(xié)議的通信器就能調(diào)試，而雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)等需專用的通信軟件。

4 結(jié)語

通過對2臺4000m3二甲醚球罐遠(yuǎn)傳液位計(jì)進(jìn)行改造，達(dá)到了改造目的，相比改造前的故障率有所降低，DCS畫面上的顯示更準(zhǔn)確具體，實(shí)現(xiàn)了對2臺二甲醚球罐二甲醚儲量的實(shí)時監(jiān)測，減少了人工計(jì)算和誤差，對于確保二甲醚球罐安全平穩(wěn)長周期運(yùn)行具有重要意義。