電子遠傳(ERS)在化工BDO裝置上的應用

姚煒國 姚帆(新疆藍山屯河能源有限公司，新疆 奇臺 831800)

0 引言

化工企業(yè)中，生產(chǎn)BDO產(chǎn)品的裝置，具有高溫，高壓，有毒，危險性的特點，儀表的選擇上，要考慮到各項參數(shù)，滿足這些參數(shù)下，才能使儀表在裝置中的穩(wěn)定運行。本次重點討論液位的測量，在工藝操作上的可靠性與準確性。突出液位測量儀表的選型，對影響工藝操作的穩(wěn)定性，安全性的一般性討論與研究。

1 液位測量和存在問題

1.1 現(xiàn)場液位測量現(xiàn)狀

在化工企業(yè)中，對裝置的液位測量，絕大多數(shù)地使用差壓式液位變送器、某些企業(yè)采用了雷達液位計、在罐裝設備上使用了射頻導納液位計、密封罐中使用的是磁致伸縮液位計。但它們因環(huán)境或測量媒質(zhì)的不同，因自身的測量相一致的原理，存在著不一致的偏差。

1.1.1 差壓式液位變送器

單法蘭，在底部使用，雙法蘭(或單法蘭)差壓式變送器在密封罐中經(jīng)常使用，它是利用罐內(nèi)液位改變時，因液位產(chǎn)生的靜壓，對壓力隔膜的壓力轉(zhuǎn)變成電子信號的原理工作的。

它有以下的優(yōu)點：不受溫差的變化，穩(wěn)定性強，性價比較高，在密封罐中可以忽略其內(nèi)在的影響。在使用中，也存在著一些缺點：如對介質(zhì)的要求，強酸強堿的介質(zhì)就不適用。對密度大的測量，精度也有影響，環(huán)境溫度的劇變，也出現(xiàn)一定的偏差。尤其是上引的細管過長，也存在著的測量波動。

1.1.2 雷達液位計

常用的雷達液位計，主要分為非接觸式雷達，導波雷達，主要的原理是利用雷達波的向液面發(fā)射超高頻電磁脈沖，波長在幾米，頻率在4GHz以上，(在結(jié)構(gòu)上主要有導波雷達沿鋼纜和探棒這兩種)，由于測量發(fā)射波和回波存在著時間差，經(jīng)過時間差的計算，再經(jīng)一定的算法，就可以折算出液面高度。

雷達波液位計，其具有不受溫度、環(huán)境中有蒸汽、周圍有粉塵、或者在泡沫包圍的情況下，其影響度比其他的液位計有獨特的優(yōu)勢。但是，它也出現(xiàn)了一定的缺點：由于導波雷達波到達以接觸介質(zhì)后，因為不同的介質(zhì)，都有不同的介電常數(shù)，反射波的一部分被介質(zhì)干擾掉后，剩余的回波就極大地削弱了，在時間差的測量上，就有了新的要求，回波就越大，精度越高，反之，精度就下降。對于某些使用鋼纜、還有探棒的導波桿，其易掛料的現(xiàn)象不易消除。給其帶來了不良影響。

相反，非接觸式雷達就具有了明顯的優(yōu)點：它不接觸介質(zhì)，只與傳輸中的空氣或渾發(fā)性的氣體接觸，影響只是這些，但其影響微乎其微，一般地，都忽略不計。但是，如果這些傳輸經(jīng)過的空氣中有汽化介質(zhì)，或者帶有泡沫的介質(zhì)，影響就比較突出了，因此，其有以下的要求，對空間有汽化、空間有帶泡沫介質(zhì)，其測量會有較大的偏差，因此，不適用于這方面的應用。

綜合以上可以看出，雙法蘭差壓液位變送器是石油、化工和石化生產(chǎn)過程中應用十分廣泛的液位測量儀表，主要用于測量具有腐蝕性、黏度大、不易結(jié)晶、低凝固點液位的被測介質(zhì)。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、線性好、便于安裝與維護、易于組合成控制系統(tǒng)，用于連續(xù)或間歇生產(chǎn)過程的塔、罐、槽等容器的液位連續(xù)測量和界位測量。

常規(guī)的差壓變送器通過測量容器中的液位壓力來進行液位測量，直接采用引壓管安裝。雙法蘭采用了毛細管柱和密封系統(tǒng)解決了引壓管的許多安裝問題。這些系統(tǒng)包括通過充油毛細管柱連接到差壓變送器的外部傳感膜片。壓力的變化引起了膜片的位移，這樣壓力就通過充油毛細管傳送到變送器。充油毛細管系統(tǒng)都經(jīng)過精心的焊接和制造，因此它是一個性能可靠的密封系統(tǒng)。這種類型的結(jié)構(gòu)消除了可能在引壓管中產(chǎn)生的泄漏點和堵塞。

1.2 傳統(tǒng)差壓液位技術(shù)的問題

液位測量上，雙法蘭差壓液位系統(tǒng)仍然是一種成熟可靠的技術(shù)，它廣泛應用于高型容器和塔中。它的特點，就是有了毛細管，在安裝上，較為困難，不能打折，否則就造成一次性的損壞。因為它的距離過長，毛細管在傳輸壓力上，就會將誤差傳輸過去。在環(huán)境溫度變化較大的時候變得更為明顯了。毛細管的位置，其安裝位置，是經(jīng)常檢查的目標。

使用雙法蘭膜片變送器測液位時，因為在高度上，其取壓間距很大，毛細管的長度帶來了儲多問題。這個問題，較為常見的問題如：毛細管的溫度變化對測量精度影響較大，在實際中，其響應速度也會變慢，其中的高溫油在環(huán)境溫度過低時需要伴熱等。

本裝置中，25%以上的差壓液位都存在著法蘭間距過大，毛細管過長，測量滯后；還有部分測量點介質(zhì)溫度過高，充填液采用高溫硅油，需要對毛細管伴熱，尤其是在新疆地區(qū)，冬季時間接近5個多月，儀表使用很不穩(wěn)定。因此需要對部分關鍵點測量部位進行改造，來保證測量的準確性，以確保工藝操作的穩(wěn)定性。

2 新型差壓液位測量技術(shù)-電子遠傳ERS

艾默生過程控制有限公司于2011年發(fā)布了羅斯蒙特?ERS(electronic remote sensor)電子遠程傳感器系統(tǒng)，一時造成了行業(yè)中的震動，它是世界上第一個數(shù)字差壓液位系統(tǒng)。從此，壓差測量技術(shù)，進入到了數(shù)字時代。艾默生宣稱，它擁有十項以上的專利技術(shù)，在3051S ERSTM系統(tǒng)上，是劃時代的進步。它使用了兩個以數(shù)字方式連接在一起的3051S壓力傳感器，機械毛細管的方式看不到了。原理簡單地描述為，它通過兩個傳感器中的一個，進行差壓值的計算，再通過一個標準HART位號牽制，進行兩線制的傳輸，對現(xiàn)場的4～20Ma信號要求，就得以滿足。

2.1 ERS電子遠傳傳感技術(shù)原理

電子遠程傳感技術(shù)，是電子信號傳輸?shù)囊环N方式，在ERS中，必須采用有線進行傳輸，這樣就可以保證數(shù)據(jù)不受干擾，失真度接近為零。ERS與其他的信號相比，它有自身的專利技術(shù)，在高型容器和塔上進行液位的測量，有其準度高，安裝方便，維護方便的特點。在表面上看，羅斯蒙特3051S ERS系統(tǒng)僅僅使用了兩個直接安裝的3051S壓力變送器，它與差壓變送器相比，沒有毛細管應用。RES使用的兩個傳感器，其中的一個計算差壓，另外的一個測量靜壓，通過標準的兩線制4～20mA HART信號傳輸回主機，主機的系統(tǒng)經(jīng)過軟件的運算，直觀地表現(xiàn)出液位數(shù)值。

ERS是在差壓液位技術(shù)上的較大改進，是對差壓測量技術(shù)的重要提升。ERS技術(shù)在目前來看，仍然屬于最先進，技術(shù)成熟的技術(shù)，在3051S壓力變送器平臺上，獨放風采。它使用了兩個壓力變送器，其中一個測量低位裝置的高壓測量數(shù)據(jù)，另外一個在高位置測量低壓側(cè)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)使用了一個的電子功能模塊由軟件計算出高低壓側(cè)的差壓來，再進而通過4～20Ma線路，向系統(tǒng)中輸出對應的數(shù)據(jù)信息。資料顯示，ERS擁有多項專利技術(shù)，它解決了信號的同步，電源配及的管理，在隔離防爆要求的場所，其本安認證的措施，也做得相當出色。ERS沒有了毛細管，這在壓差測量方面，具有獨特的優(yōu)勢，因此，在10m以上的罐中，得以廣泛應用，原來的壓差上的負遷移，需要專業(yè)知識才能搞懂的知識，在ERS上幾乎看不到，它巧妙地經(jīng)過軟件計算，僅僅在高位或低位提出實際的數(shù)據(jù)，就解決了其他測量技術(shù)的專業(yè)性，因此，其測量的數(shù)據(jù)響應速度變得很快，精度就更高了。在環(huán)境溫度變化比較巨大的地區(qū)，它的優(yōu)勢就更加突出，因為它沒有了毛細管。

與傳統(tǒng)的兩臺壓力變送器測量壓力計算差壓的方式相比，ERS系統(tǒng)需要一個4～20mA回路，這個回路是無源線，僅要在原來的線路中，切斷后再連接到主表，另外，在副表供電上，只要接原來的供電源即可：不需要到DCS系統(tǒng)中計算差壓，主表輸出的差壓信號是電信號，它經(jīng)過數(shù)字化處理后，通過同步技術(shù)傳到主線路中，在軟件的優(yōu)化作用下，直接差壓零點進行調(diào)整，這樣就保證了差壓信號的正常傳輸，從而有效地保證了其可靠的同步性。環(huán)境溫度的影響，兩個壓差變送器在同一環(huán)境中，因溫度的變化，是一致性的，從而互利抵消了存在的干擾因素。

2.2 ERS電子遠傳系統(tǒng)的優(yōu)點

3051S ERS系統(tǒng)獨特的數(shù)字架構(gòu)，其原理已經(jīng)很明顯，它在高型容器，還有高裁體的塔上使用較為突出，這是它的明顯優(yōu)點：

(1)因為它采用的數(shù)字化架構(gòu)，其性能加以改善了，3051S ERS系統(tǒng)的優(yōu)上是沒有了機械部件，大大地減少了機械磨損，因此，在大范圍變化的溫度下，數(shù)字化架構(gòu)的性能就表現(xiàn)出其優(yōu)勢，在響應時間上得以提供，在傳輸信號上，就更加穩(wěn)定，測量上的反復性就能很好地得以保證。有人經(jīng)過測量數(shù)據(jù)的對比，它的測量精度相對于傳統(tǒng)的機械式的測量，精度大幅度地提高了。

(2)它的另一個特點，就是安裝的簡單化，凡是學過儀表基礎知識的人，都可以方便地安裝，并且對其出現(xiàn)的問題，按照說明的指南，很容易地解決出現(xiàn)的問題：在某些地上，尤其是北方，有長期的寒冷天氣，這些裝置會有伴熱或保溫的裝置。這僅僅需要認真地檢查信號的脈沖信號，檢查線路的漏水點，發(fā)現(xiàn)漏點，要及時地處理，這樣，對冷凝水就能好地解決。3051S ERS系統(tǒng)的數(shù)字架構(gòu)恰恰地沒有了這些環(huán)節(jié)，從而避免了人為地工作，降低了勞動強度，減少了大量維護工作和設備保養(yǎng)工作。

(3)由于其是數(shù)架式結(jié)構(gòu)，其特點就具備了現(xiàn)代通信的功能，有著較多的過程數(shù)據(jù)診斷，因此3051S ERS系統(tǒng)是一個多參數(shù)?系統(tǒng)，它提供了較多的數(shù)據(jù)內(nèi)容，能有效地對額外的過程優(yōu)化，進行有效地控制，數(shù)據(jù)信息量的處理可以方便地得以處理。經(jīng)常的液位計算，3051S ERS提供了諸多的數(shù)據(jù)信息，對來自每個壓力傳感器讀數(shù)都有唯一的數(shù)據(jù)地址，傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，訪問的實時數(shù)據(jù)，對液位或體積的測量，可以進行比例的輸出，從而方便地與其他的數(shù)據(jù)接口，可以方便地匹配。

綜上，ERS是基于傳統(tǒng)差壓液位技術(shù)原理，在3051S平臺上開發(fā)的新一代產(chǎn)品，在高塔液位測量，惡劣環(huán)境溫度的條件下獨具優(yōu)勢。

3 現(xiàn)場應用和改造

針對ERS的技術(shù)特點和現(xiàn)場的實際情況，首先選擇BDO裝置區(qū)域內(nèi)的高塔液位，球罐液位測量點，主要解決液位測量距離在10m以上以及塔內(nèi)介質(zhì)溫度高于200℃需要保溫伴熱的關鍵測量點進行更換。

3.1 改造方案1—精制塔液位測量

主要問題：差壓150kPa。15m的法蘭間距，傳統(tǒng)方案誤差很大，受環(huán)境溫度影響大，介質(zhì)溫度高，冬季需要伴熱。

解決方案：ERS電子遠傳替換原雙法蘭式方案。

測量結(jié)果：使用ERS電子遠傳后，測量穩(wěn)定性大大提高，無需伴熱，維護方便。

測量數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)對比表

通過對比，雙法蘭差壓測量在準確值的偏離度上有45mm以上的誤差，隨著高度的增加，誤差也隨之增大。ERS電子遠傳測量測量的數(shù)據(jù)，誤差值在5mm以內(nèi)，在高度測量上，其誤差幾乎可以忽略不計。

3.2 改造方案2—塔液位測量

主要問題：靜壓 600kPa差壓 50kPa。20m的法蘭間距，傳統(tǒng)方案誤差很大。受環(huán)境溫度影響大。維護成本高

解決方案：ERS電子遠傳替換原雙法蘭式方案。

測量結(jié)果：使用ERS電子遠傳后，精度由原方案的5%變?yōu)?.5%，提升了10倍；響應時間由3s縮短為0.5s，提升了6倍；環(huán)境溫度變化不對測量結(jié)果產(chǎn)生影響；安裝與維護變得更加方便。

通過對以上兩種工況改造后，使用效果極佳，完全達到了預期的目的，確保了工藝測量的準確度和操作的穩(wěn)定性，這對我廠后期繼續(xù)改造和優(yōu)化提供了很好的案例和經(jīng)驗。

4 推廣和應用

ERS 適用于以下工況，尤其是應用過雙法蘭但測量效果不是很好的情況下，可以考慮ERS 系統(tǒng)。

(1)適用于10m以上的罐，或化工企業(yè)的沸騰塔等?；て髽I(yè)經(jīng)常有蒸餾塔、干燥塔，洗滌塔，還有儲罐液位的罐等。在這種設施中，由于其取壓間距比較大，典型的6m以上的設施，其間距會遠遠地大于6m，在選擇雙法蘭測量的時候，需要使用較長的毛細管。而 ERS 系統(tǒng)是通過 CAN 總線連接主副表，消除了外界環(huán)境溫度變化對毛細管系統(tǒng)的誤差影響，提高整體測量性能，同時縮短了響應時間。

(2)適用于10m以上的罐裝置。由于10m以上的罐，其測量的壓力相對要大些，這樣得到的差壓值就會更明顯，精度得以提高。10m以上的罐內(nèi)介質(zhì)的測量，就可以保證差壓信號的精度，假設其中的靜壓為 SP，它與差為DP的比值，就大于1，這樣的結(jié)果，對提高精度是至關重要的，這也是為什么要在10m以上的罐中，得以廣泛應用的原因。

(3)它可以存在較大的跨度的溫差設施中應用，也可以在需伴熱的場合的設施中得以應用。環(huán)境溫度變化跨度大易引起雙法蘭的產(chǎn)生較大的溫度影響，而 ERS 因為沒有毛細管可以完全消除了這種影響，大大提高測量精度及穩(wěn)定性。對于高溫油應用場合，在環(huán)境低溫時需做伴熱，而ERS沒有毛細管不需要做伴熱，降低維護及設備成本。

(4)適用于安裝位置上有其他附件，其他測量儀表無法測量的工況。ERS整體在安裝時，單獨固定好變送器，在接線端連接電纜，做好密封，在確?？煽啃韵?，需要監(jiān)督方進行核對，在確定完全正確時，即可投入使用。所以對現(xiàn)場安裝條件復雜，不便于安裝雙法蘭或是其他測量形式，可采用ERS系統(tǒng)簡化安裝工作。

5 結(jié)語

綜上所述，在化工企業(yè)中，雙法蘭差壓液位變送器普遍地使用，在價格上占據(jù)優(yōu)勢，測量上存在的誤差比較明顯，對小型企業(yè)，仍然是主要液位測量的解決方案。對于測量要求較高，影響工藝生產(chǎn)，控制要求嚴格的企業(yè)，采用艾默生公司推出的電子遠傳-ERS系統(tǒng)，在高塔和大罐液位測量，惡劣環(huán)境溫度的條件下獨具優(yōu)勢，在精度要求較高的工況下，應當是首選方案。

我廠在應用改造后，說明ERS在特殊工況的應用是成功的，又增加了幾套改造，取得的效果是令人滿意的。由于其性價比較高，并不是所有的差壓液位測量都適合使用ERS電子遠傳系統(tǒng)。各企業(yè)可以根據(jù)自己的實際情況，建議對影響工藝操作的關鍵設備上的關鍵點進行改造使用，來保證工藝生產(chǎn)的安全性，滿足裝置的安穩(wěn)運行，從而提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。