淺析伺服液位計在乙烯丙烯球罐的應用

張志峰（北京燕化正邦設備檢修有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014010）

0 引言

罐區(qū)的運行正常與否直接影響生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)負荷，是化工生產(chǎn)企業(yè)的重中之重。由于化工生產(chǎn)裝置罐區(qū)的特殊性、危險性，對儀表的穩(wěn)定性和可靠性比其他裝置有了更高的要求。在正常生產(chǎn)過程中，設備專業(yè)對罐體檢定周期為6年，所以儀表在運行周期內(nèi)不具備更換更新條件，運行時間必須大于罐體檢定周期。罐區(qū)的生產(chǎn)過程不復雜，但液位監(jiān)測參數(shù)非常重要，國內(nèi)外罐區(qū)液位測量主要使用雷達液位計、磁致伸縮液位計、伺服液位計、差壓式液位計等不通測量類型液位計，根據(jù)不同的測量原理和方法，每種液位計都有其自身的優(yōu)缺點和適用工況。

本文以E+H伺服液位計測量乙烯丙烯介質(zhì)為例，總結E+H伺服液位計在乙烯丙烯球罐應用情況和維護過程中出現(xiàn)的問題，分析原因及如何預防性保養(yǎng)伺服液位計，以便充分發(fā)揮伺服液位計測量過程中高精度、高安全性的優(yōu)點，確保烯烴罐區(qū)安全可靠運行。

圖1 E+H伺服液位計原理圖Fig.1 E+H Servo level gauge schematic diagram

1 伺服液位計工作原理

伺服液位計的測量原理是基于阿基米德原理、力平衡和力矩平衡原理進行測量液位變化。本文以E+H伺服液位計工作原理為例，詳細說明其工作原理及結構。

E+H伺服液位計由浮子、鋼絲、外輪轂、步進電機、CPU等組成，如圖1所示。浮子（直徑30mm～70mm）懸掛安裝在測量鋼絲上，測量鋼絲纏繞在細槽外輪轂上，浮子升降過程中，平衡浮子重量變化使線轂中磁耦力矩發(fā)生變化，線轂徑向力矩發(fā)生變化，計算輪轂的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，從而計算測量鋼絲的移動距離，由此得出液位變化量與輪轂外殼完全隔離的耦合磁鐵驅(qū)動輪轂旋轉(zhuǎn)；外磁鐵連接至輪轂，內(nèi)磁鐵連接至驅(qū)動電機，內(nèi)磁鐵旋轉(zhuǎn)磁吸引力驅(qū)動外磁鐵旋轉(zhuǎn)，帶動輪轂旋轉(zhuǎn)；測量鋼絲上懸掛的浮子重量在外磁鐵上產(chǎn)生力矩，導致磁通量發(fā)生變化。內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器檢測輪轂中的磁通量變化，傳感器將重量信號傳輸至CPU驅(qū)動電機動作，使得重量信號始終保持為操作命令確定的設定值，浮子下降并接觸液體時，在浮力作用下浮子重量減小，磁力傳感器測量重量變化從而導致耦合磁鐵上的扭矩發(fā)生變化，并通過霍爾傳感器測量其扭矩的變化量發(fā)送至電機控制回路，隨著液位上升或下降，驅(qū)動電機調(diào)節(jié)浮子位置，使用磁旋轉(zhuǎn)編碼器連續(xù)計算輪轂旋轉(zhuǎn)，準確測量介質(zhì)液位，這種徑向力矩的檢測對浮子浮力的檢測非常靈敏，測量精度非常高，所以伺服液位計通過這樣的原理測量乙烯丙烯球罐的液位等相關參數(shù)[1]。

2 伺服液位計特點

1）伺服液位計具有雙通道輸出模式，可在球罐底部或安全區(qū)域安裝二次顯示儀，方便操作人員對球罐內(nèi)乙烯丙烯儲量監(jiān)視。

2）伺服液位計是一種多功能檢測儀表，采用模塊化設計，可測量液位、界位、介質(zhì)比重等參數(shù)，具有非常強的數(shù)據(jù)處理能力。

3）伺服液位計是一種高精度罐裝測量儀表，其液位精度可達到±0.7mm，可用于計量，在球罐液位測量中得到了廣泛的應用。

4）機械傳動部件少，維修量少，以E+H廠家生產(chǎn)NMS53為例，具有LCD屏幕預警顯示功能，可靠性高。

5）參數(shù)設置中具有觸點輸出功能，可用于高低液位報警開關，參與聯(lián)鎖。

6）具有維護觀測腔，出現(xiàn)故障可在觀測腔觀測浮子與測量鋼絲連接狀態(tài)及浮子運行情況。

7）3個光敏式按鍵按鈕設置參數(shù)，無需打開接線盒蓋連接手操器。

8）具有預診斷功能，對現(xiàn)場維護人員具有維護預提示功能，如浮子、測量鋼絲、CPU出現(xiàn)故障，可快速反映故障點，方便維護人員查找故障。

3 伺服液位計的選型及安裝注意事項

伺服液位計在建設初期選型和安裝非常重要，如選型不當或安裝錯誤在后續(xù)生產(chǎn)維護過程中會導致測量不準，嚴重可導致伺服液位計損壞；石油化工乙烯丙烯球罐液位測量一般使用E+H生產(chǎn)的NMS 5型伺服液位計和霍尼韋爾生產(chǎn)的Enraf型伺服液位計測量液體乙烯丙烯液位，最近幾年也有部分國產(chǎn)及其他品牌伺服液位計在乙烯丙烯球罐得到應用，本文以E+H生產(chǎn)NMS5型伺服液位計為例詳細闡述其選型及安裝注意事項，盡可能避免伺服液位計因安裝導致測量不準的問題。

3.1 伺服液位計的選型

1）伺服液位計選用時，首先考慮其工藝工況和介質(zhì)特性，測量介質(zhì)密度宜大于或等于0.45g/cm3；界面測量時，兩種液體的密度應恒定，且密度差應大于或等于0.15g/cm3。

2）根據(jù)伺服液位計的工作原理可知，伺服液位計由浮子探測液面后，拉力、重力、浮力形成平衡，而液態(tài)乙烯丙烯進入球罐后會產(chǎn)生波動或湍流，浮子會隨著液面晃動，影響液位的測量，所以設計選型時宜選擇安裝導向管。

3）液位是罐區(qū)重要監(jiān)控參數(shù)之一，精度需滿足使用要求，一般情況監(jiān)視使用精確度不宜低于±5mm；計量級精確度不宜低于±3mm[2]。

4）儲存乙烯丙烯罐區(qū)全都屬于易燃易爆區(qū)域，因此防爆等級必須滿足現(xiàn)場使用要求。一般情況伺服液位計使用隔爆型，防爆等級按照設計要求選用dIIBT4-6均可。

5）乙烯丙烯球罐安裝的伺服液位計需在縮徑腔和觀測腔之間安裝維修切斷球閥或閘閥。

6）伺服液位計宜選用220V AC供電電壓，輸出4mA～20mA帶HART協(xié)議輸出信號。

圖2 E+H伺服液位計菜單矩陣結構圖Fig.2 Menu matrix structure of E+H servo level gauge

3.2 伺服液位計的安裝

1）伺服液位計安裝正確與否直接影響伺服液位計的測量精度，如導向管和測量鋼絲的不垂直將直接影響伺服液位計的測量精度；導向管的安裝過程中，使用鉛錘檢查垂直度是否滿足要求。

2） 導向管安裝過程中要保證導向管焊縫平滑，導向管上鉆孔時需雙面開孔，均勻?qū)ΨQ，開孔直徑不小于15mm，并檢查孔的內(nèi)表面無渣和毛刺。

3）伺服液位計一般通過法蘭與球罐進行連接安裝，球罐與法蘭間通過短管焊接安裝。在焊接安裝過程中，其法蘭傾斜偏角不應超過1°，以免浮子在升降過程中碰到短管內(nèi)壁，造成浮子脫落[3]。

4）初次安裝伺服液位計或者更新設備時，需要先計量浮子的重量和體積，然后打開輪轂腔外殼，從輪轂腔內(nèi)取出輪轂，去除輪轂上保護鋼絲的膠帶，將測量鋼絲放一段到輪轂腔內(nèi)，將浮子掛到測量鋼絲的小環(huán)上，注意固定輪轂并保護好測量鋼絲，轉(zhuǎn)動輪轂直到標定腔可以看到鋼絲上的小環(huán)，關閉輪轂腔外殼。

5）安裝過程中，伺服液位計法蘭與管壁短管至少500mm，這樣可以保證乙烯丙烯液位測量不受環(huán)境溫度變化的影響，最小測量液位應設置浮子下停止位，停止位至少位于進料口500mm以上，這樣可以防止乙烯丙烯進料時直接沖向浮子。

6）伺服液位計因在罐頂安裝，為便于維護和觀測應安裝在罐頂平臺附近或者扶梯所及之處。

7）伺服液位計安裝過程中外殼必須就地接地，穿線管與防爆撓性管之間必須正確使用Y型密封接頭[4]。

4 伺服液位計在烯烴罐區(qū)應用中出現(xiàn)的故障和處理方法

E+H公司生產(chǎn)NMS53伺服液位計帶有LCD指示面板，出現(xiàn)故障在面板顯示當前故障和歷史故障，維護過程中根據(jù)故障代碼進行判斷伺服液位計出現(xiàn)故障的類型及處理方法，在乙烯丙烯球罐維護過程中，主要出現(xiàn)以下幾類故障：

故障分析處理：E+H伺服液位計NMS53型具有較強的自診斷能力，故障信息一般情況每秒進行一次交替顯示，通過矩陣菜單進行訪問故障信息[4]，但故障信息只做為處理過程的參考，維護過程中出現(xiàn)幾次張力過大過小故障，主要原因分析及故障處理如下：

4.1 LCD面板報警鋼絲張力過大

現(xiàn)場分析認為浮子與導向管內(nèi)壁間距小，在初期安裝過程中導向孔內(nèi)有毛刺，造成卡浮子的故障。處理過程中，先釋放過載張力，然后使用光敏式按鈕進行下降浮子再上升至觀測腔后，重新測量液位，消除故障。

4.2 LCD面板報警鋼絲張力過大，浮子標定錯誤故障

現(xiàn)場分析伺服液位計在運行一段時間后，被測介質(zhì)黏附在浮子表面或者鋼絲輪轂上，導致測量誤差和鋼絲張力浮子報警。處理方法：先將浮子提升至觀測腔內(nèi)，觀測浮子情況后，聯(lián)系工藝人員關閉切斷閥門，泄壓后檢查鋼絲及輪轂情況。必要情況下，拆下伺服液位計清除黏附物后，在校驗室進行重新標定，消除報警檢查正常后，回裝投用。

4.3 LCD面板報警鋼絲張力過小

出現(xiàn)此類故障多數(shù)原因為浮子脫落造成，處理需將鋼絲提升至外輪轂。工藝人員關閉切斷閥后，拆下檢查測量鋼絲余量和測量鋼絲完好情況。若測量鋼絲余量大于測量量程，鋼絲無破損情況下，更換浮子進行重量標定后即可回裝投入使用。重量標定過程中，按照圖2伺服液位計矩陣式菜單進行浮子和測量鋼絲標定。維護過程中，因浮子采購周期長，無備件情況下，使用Φ50mm不銹鋼管制作浮子，浮子重量控制在（250±5）g范圍內(nèi)，重新標定后滿足液位測量要求，制作浮子已使用10年，運行正常。

故障分析處理：一般情況下出現(xiàn)該類故障較少，出現(xiàn)此類故障時首先查看并詢問工藝人員是否可以斷電重新啟動，如果斷電重啟后故障未消除，可初步斷定為CPU單元老化故障或測量鋼絲超出圖2G1VH63位置處設定的張力下限，更換CPU單元和LCD單元即可恢復正常。

5 結論

通過對E+H伺服液位計的結構和故障分析研究，E+H伺服液位計只要滿足安裝要求和選型正確，則在乙烯丙烯球罐使用中的故障率非常低，日常維護量很小。故障原因多數(shù)為運行周期較長、鋼絲繩老化斷裂、浮子卡澀、CPU單元電子元件老化導致測量不準。所以，在伺服液位計壽命期內(nèi)進行定期檢查維護輪轂和測量鋼絲，可有效降低伺服液位計的故障，保證伺服液位計長周期準確可靠穩(wěn)定運行，滿足乙烯丙烯罐區(qū)工藝運行要求。