電子差壓液位計在大型儲罐的應用

朱迎紅，任立金

（河南心連心化肥有限公司，河南 新鄉 453700）

0 引言

儲罐是石化企業儲存液體物料的主要設備，按照儲罐的結構形式不同可分拱頂罐、外浮頂罐、內浮頂罐、球罐、臥罐等。

近年來工廠實行新的設計模式，罐區布置相對集中，測量工藝參數逐步增加，例如：溫度、液位、壓力等，隨著2011年國家安全生產監督管理總局發布的第40號令，要求“涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或二級重大危險源，配備獨立的安全儀表系統（SIS）”，同時，儲罐作為成品的儲存，在公司內部，液位計也作為班產計量、分廠內部貿易核算的重要數據。所以，儲罐的液位監控逐步成為重中之重。

公司目前儲罐種類有球罐、內浮頂罐、臥式罐，其中二甲醚球罐、氨球罐、10000m3甲醇儲罐直接構成一級重大危險性。其中二甲醚球罐直徑20m、氨球罐直徑15m、10000m3甲醇罐高度在35m左右。每個儲罐均配套3個液位計，三取二進入SIS系統，同球罐的進出口切斷閥構成緊急安全切斷功能。

圖1 伺服液位計原理圖Fig.1 Servo level meter schematic

1 儲罐液位選型原則

儲罐液位儀表在一般設計規范中無明確規定，選型是根據實踐經驗總結。主要考慮儀表精度、檢測方式、穩定性、可靠性、環境要求、投資等。常用的有：雷達液位計、伺服液位計、差壓液位計等。每種儀表都有其自身的優點及適合的工況，簡單介紹兩種液位測量原理。

1）雷達液位計

發射-反射-接收尾雷達液位計的基本工作原理，其最大特點是惡劣工況條件下功效顯著，無論是有毒介質，還是腐蝕性介質，也無論是固體、液體還是粉塵性、漿狀介質，雷達液位計的典型波段為5.8GHz、10GHz、24GHz，通常稱5.8GHz（或6.3GHz）的頻率為C波段微波，10GHz的頻率為X波段微波，24GHz的頻率為K波段微波[1]，在傳輸過程中不需要傳輸媒介的傳遞。因此，幾乎不受溫度、壓力（真空）甚至粉塵的干擾，唯一需要考慮的是介質的介電常數。

介電常數對雷達電磁波的影響體現在兩個方面，一是影響介質表面對電磁波的吸收（反射）率，二是電磁波在穿過介質時波長（頻率）會發生改變。雷達電磁波的反射率受下面條件影響：衰減系數與電導率（σ）與磁導率（μ）的平方根成正比，與介電常數（ε）的平方根成反比。換言之，被測介質的介電常數越大，衰減率越小，所以介電常數大→反射率強→信號強度高；反過來，介電常數小→反射率小→信號強度弱。

2）伺服液位計

也稱作鋼帶液位計，基于浮力力平衡的原理，由微伺服電機驅動體積較小的浮子。浮子在被測液體表面上下浮動。在溫度較高，易產生揮發后冷凝物是粘性介質且震動大的場合下，不適合使用。

圖2 伺服液位計一般安裝方式Fig.2 General installation method of servo liquid level meter

伺服液位計采用波動積分電路，消除抖動，延長壽命，提高液位測量精度。現代伺服液位計的測量精度較高，已達到40m量程內小于1mm的精度，且一般都具有測量密度分布和平均密度的功能。但是其價格較高，維護量大而且備品備件的費用較高。

2 公司目前大型儲罐測量現狀

常壓氨儲罐配置伺服液位計，經過一年的運行，無法滿足使用要求，故障現象如下：

1）鋼帶經常斷裂：伺服機構安裝在儲罐EL2.0m層，鋼帶經常在彎處發生斷裂。

2）罐頂鋼帶密封處泄漏，由于鋼帶經常上下移動，導致密封處大量的氨氣泄漏。

3）隨著時間，測量誤差逐步偏大。由于存在可動部件，磨損是必然存在的，導致誤差逐步增大。

常壓氨儲罐高度為28m，采用帶引導鋼絲的浮球，在儲罐制作即將完成后，在罐底部焊接鋼絲固定紐扣。連接浮子的為扁平鋼帶，并非鋼絲等圓柱形結構，導致罐頂密封處泄漏嚴重，長期存在氨氣，密封處填料規格特殊，采購價格居高不下。

此次采用的鋼帶為304SS扁平鋼帶，厚度1mm，寬度10mm，鋼帶中心打圓孔，伺服機構的齒輪同鋼帶中心圓孔耦合，達到浮子升降的檢測，如圖2所示。鋼帶整體長度在40m左右，經過多處彎折，造成鋼帶后期斷裂情況頻發，后期維護量大。

二甲醚球罐配置一臺雷達液位計，在使用過程初期，液位波動嚴重，后期無法輸出，指示最大。從表1[2]中可以得出，在273K～308K溫度區間二甲醚液體和二甲醚蒸汽的介電常數變化非常大，足以對雷達液位計造成干擾。

投運前期，雷達液位計與球罐靜壓液位計趨勢基本一致，運行一個月后，陸續出現測量值失真的現象，故障表現為測量值恒為常數，斷電重啟后，指示恢復正常。運行后期，測量值漂移，給出假液位。當液位較低時候，雷達波可能發生穿透介質，產生的虛假回波為罐底產生的回波，導致假液位。3個月后雷達液位計指示恒值，由于球罐一直處在生產中，并且介質無法排凈置換，一直無法對雷達液位計進行拆檢，造成了維修困難。二期球罐安裝過程中，對于球罐測量儀表，均配置隔離檢修球閥。

表1 恒溫下液體二甲醚的介電常數Table 1 Dielectric constant of liquid dimethyl ether at constant temperature

經過故障總結，大致認為雷達液位計無法使用的主要原因如下：一是，二甲醚揮發性的特性，即有可能在天線部位產生凝露，或探頭粘附污物使信號發送不出去；二是，雷達安裝在球罐頂部氣相部位，溫度變化大，其介電常數造成信號弱，無法對回波進行有效地接收和處理。

3 電子遠傳差壓液位計

經過實際使用的伺服液位計和雷達液位計對易揮發性的二甲醚和液氨的實際效果，公司對新建的儲罐區域液位測量改用電子遠傳差壓液位計。

電子遠傳差壓液位計，采用兩個壓力變送器分別測量儲罐的液相側和氣相側壓力，通過專用數據線將未經調制解調的氣相側壓力數字信號傳送至液相側傳感器中，進行差壓計算，計算完成后轉換成標準的兩線制4mA～20mA信號或各種總線協議

目前生產電子遠傳差壓液位計的主流國外廠家，有使用業績的廠家有羅斯蒙特、E+H、日本橫河，其中羅斯蒙特和日本橫河是將氣相側傳感器壓力信號引至液相側傳感器直接進行差壓計算模式，而E+H采用氣相側和液相側傳感器引入一個變送器中再進行差壓計算的模式[3]。

電子遠程傳感技術的應用，使數字結構取代了機械結構，即使在大范圍變化的溫度下也可以具備更快的響應時間和一個更加穩定和可重復的測量，測量精度可以提高10倍以上，取消了模/數（A/D）轉化之間的分辨率誤差，以及轉換芯片的外圍電路的影響。數字信號傳輸的時延遠遠低于模擬量傳輸，縮短了信號響應時間，減少了測量誤差累積，消除環境溫度造成的測量偏差。通過總線協議的讀取，可以分別讀取氣相側和液相側的壓力，實現多參數的測量。

雙法蘭差壓液位系統是一個成熟可靠的技術，但是一直很難在高型容器和塔中得到應用，因為這些需要更長的毛細管以方便安裝，距離過長的毛細管使得壓力的傳輸變得誤差過大，并且在環境溫度變化較大的時候變得明顯。同時安裝過程要求較高，引壓管可能并不可靠，都是非常嚴重的困擾。

近年來數字化的技術發展，電子遠程差壓液位計逐步投運在大型的高型容器。電子差壓液位計在公司10000m3儲罐、球罐上使用兩年來，基本處于免維護狀態。通過HART總線同公司設備管理系統對接，提供每個壓力變送器讀數的實時訪問和液位或體積測量輸出；可以通過傳感器的自我診斷功能和可選配的過程報警功能，實現回路的主動維護和故障排除。整個系統為4mA～20mA兩線制回路，在現場通過手提電腦或手操器即可輕松進行參數配置、調試和故障診斷。

4 結束語

電子差壓液位計通過數字化總線傳輸數據，使得響應時間的改進超過了90%，消除了環境溫度影響，A/D轉換及外圍電路的誤差。回路接線盒LCD顯示靈活方便，遠程顯示和接口連接也比較方便，對于大型儲罐液位測量而言，其安裝、調試方便，豐富的總線技術利于智能化工廠的智能設備管理系統。經過兩年的運行效果驗證，其穩定性高，一直作為公司核算生產指標的重要儀表，降低了維護工作量，測量更加準確。