淺析伺服液位計(jì)在乙烯丙烯球罐的應(yīng)用

張志峰（北京燕化正邦設(shè)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(yùn)行正常與否直接影響生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)負(fù)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(xiǎn)性，對(duì)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(guò)程中，設(shè)備專業(yè)對(duì)罐體檢定周期為6年，所以儀表在運(yùn)行周期內(nèi)不具備更換更新條件，運(yùn)行時(shí)間必須大于罐體檢定周期。罐區(qū)的生產(chǎn)過(guò)程不復(fù)雜，但液位監(jiān)測(cè)參數(shù)非常重要，國(guó)內(nèi)外罐區(qū)液位測(cè)量主要使用雷達(dá)液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、伺服液位計(jì)、差壓式液位計(jì)等不通測(cè)量類型液位計(jì)，根據(jù)不同的測(cè)量原理和方法，每種液位計(jì)都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用工況。

本文以E+H伺服液位計(jì)測(cè)量乙烯丙烯介質(zhì)為例，總結(jié)E+H伺服液位計(jì)在乙烯丙烯球罐應(yīng)用情況和維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，分析原因及如何預(yù)防性保養(yǎng)伺服液位計(jì)，以便充分發(fā)揮伺服液位計(jì)測(cè)量過(guò)程中高精度、高安全性的優(yōu)點(diǎn)，確保烯烴罐區(qū)安全可靠運(yùn)行。

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

1 伺服液位計(jì)工作原理

伺服液位計(jì)的測(cè)量原理是基于阿基米德原理、力平衡和力矩平衡原理進(jìn)行測(cè)量液位變化。本文以E+H伺服液位計(jì)工作原理為例，詳細(xì)說(shuō)明其工作原理及結(jié)構(gòu)。

E+H伺服液位計(jì)由浮子、鋼絲、外輪轂、步進(jìn)電機(jī)、CPU等組成，如圖1所示。浮子（直徑30mm～70mm）懸掛安裝在測(cè)量鋼絲上，測(cè)量鋼絲纏繞在細(xì)槽外輪轂上，浮子升降過(guò)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(jì)算輪轂的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，從而計(jì)算測(cè)量鋼絲的移動(dòng)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(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)；外磁鐵連接至輪轂，內(nèi)磁鐵連接至驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)磁鐵旋轉(zhuǎn)磁吸引力驅(qū)動(dòng)外磁鐵旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)；測(cè)量鋼絲上懸掛的浮子重量在外磁鐵上產(chǎn)生力矩，導(dǎo)致磁通量發(fā)生變化。內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器檢測(cè)輪轂中的磁通量變化，傳感器將重量信號(hào)傳輸至CPU驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，使得重量信號(hào)始終保持為操作命令確定的設(shè)定值，浮子下降并接觸液體時(shí)，在浮力作用下浮子重量減小，磁力傳感器測(cè)量重量變化從而導(dǎo)致耦合磁鐵上的扭矩發(fā)生變化，并通過(guò)霍爾傳感器測(cè)量其扭矩的變化量發(fā)送至電機(jī)控制回路，隨著液位上升或下降，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)浮子位置，使用磁旋轉(zhuǎn)編碼器連續(xù)計(jì)算輪轂旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確測(cè)量介質(zhì)液位，這種徑向力矩的檢測(cè)對(duì)浮子浮力的檢測(cè)非常靈敏，測(cè)量精度非常高，所以伺服液位計(jì)通過(guò)這樣的原理測(cè)量乙烯丙烯球罐的液位等相關(guān)參數(shù)[1]。

2 伺服液位計(jì)特點(diǎn)

1）伺服液位計(jì)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(duì)球罐內(nèi)乙烯丙烯儲(chǔ)量監(jiān)視。

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

3）伺服液位計(jì)是一種高精度罐裝測(cè)量?jī)x表，其液位精度可達(dá)到±0.7mm，可用于計(jì)量，在球罐液位測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。

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

5）參數(shù)設(shè)置中具有觸點(diǎn)輸出功能，可用于高低液位報(bào)警開(kāi)關(guān)，參與聯(lián)鎖。

6）具有維護(hù)觀測(cè)腔，出現(xiàn)故障可在觀測(cè)腔觀測(cè)浮子與測(cè)量鋼絲連接狀態(tài)及浮子運(yùn)行情況。

7）3個(gè)光敏式按鍵按鈕設(shè)置參數(shù)，無(wú)需打開(kāi)接線盒蓋連接手操器。

8）具有預(yù)診斷功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員具有維護(hù)預(yù)提示功能，如浮子、測(cè)量鋼絲、CPU出現(xiàn)故障，可快速反映故障點(diǎn)，方便維護(hù)人員查找故障。

3 伺服液位計(jì)的選型及安裝注意事項(xiàng)

伺服液位計(jì)在建設(shè)初期選型和安裝非常重要，如選型不當(dāng)或安裝錯(cuò)誤在后續(xù)生產(chǎn)維護(hù)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)，嚴(yán)重可導(dǎo)致伺服液位計(jì)損壞；石油化工乙烯丙烯球罐液位測(cè)量一般使用E+H生產(chǎn)的NMS 5型伺服液位計(jì)和霍尼韋爾生產(chǎn)的Enraf型伺服液位計(jì)測(cè)量液體乙烯丙烯液位，最近幾年也有部分國(guó)產(chǎn)及其他品牌伺服液位計(jì)在乙烯丙烯球罐得到應(yīng)用，本文以E+H生產(chǎn)NMS5型伺服液位計(jì)為例詳細(xì)闡述其選型及安裝注意事項(xiàng)，盡可能避免伺服液位計(jì)因安裝導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題。

3.1 伺服液位計(jì)的選型

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

2）根據(jù)伺服液位計(jì)的工作原理可知，伺服液位計(jì)由浮子探測(cè)液面后，拉力、重力、浮力形成平衡，而液態(tài)乙烯丙烯進(jìn)入球罐后會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)或湍流，浮子會(huì)隨著液面晃動(dòng)，影響液位的測(cè)量，所以設(shè)計(jì)選型時(shí)宜選擇安裝導(dǎo)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(jì)量級(jí)精確度不宜低于±3mm[2]。

4）儲(chǔ)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(jí)必須滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。一般情況伺服液位計(jì)使用隔爆型，防爆等級(jí)按照設(shè)計(jì)要求選用dIIBT4-6均可。

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

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

圖2 E+H伺服液位計(jì)菜單矩陣結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Menu matrix structure of E+H servo level gauge

3.2 伺服液位計(jì)的安裝

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

2） 導(dǎo)向管安裝過(guò)程中要保證導(dǎo)向管焊縫平滑，導(dǎo)向管上鉆孔時(shí)需雙面開(kāi)孔，均勻?qū)ΨQ，開(kāi)孔直徑不小于15mm，并檢查孔的內(nèi)表面無(wú)渣和毛刺。

3）伺服液位計(jì)一般通過(guò)法蘭與球罐進(jìn)行連接安裝，球罐與法蘭間通過(guò)短管焊接安裝。在焊接安裝過(guò)程中，其法蘭傾斜偏角不應(yīng)超過(guò)1°，以免浮子在升降過(guò)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(jì)或者更新設(shè)備時(shí)，需要先計(jì)量浮子的重量和體積，然后打開(kāi)輪轂腔外殼，從輪轂腔內(nèi)取出輪轂，去除輪轂上保護(hù)鋼絲的膠帶，將測(cè)量鋼絲放一段到輪轂腔內(nèi)，將浮子掛到測(cè)量鋼絲的小環(huán)上，注意固定輪轂并保護(hù)好測(cè)量鋼絲，轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂直到標(biāo)定腔可以看到鋼絲上的小環(huán)，關(guān)閉輪轂腔外殼。

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

6）伺服液位計(jì)因在罐頂安裝，為便于維護(hù)和觀測(cè)應(yīng)安裝在罐頂平臺(tái)附近或者扶梯所及之處。

7）伺服液位計(jì)安裝過(guò)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(jì)在烯烴罐區(qū)應(yīng)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(jì)帶有LCD指示面板，出現(xiàn)故障在面板顯示當(dāng)前故障和歷史故障，維護(hù)過(guò)程中根據(jù)故障代碼進(jìn)行判斷伺服液位計(jì)出現(xiàn)故障的類型及處理方法，在乙烯丙烯球罐維護(hù)過(guò)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(jì)NMS53型具有較強(qiáng)的自診斷能力，故障信息一般情況每秒進(jìn)行一次交替顯示，通過(guò)矩陣菜單進(jìn)行訪問(wèn)故障信息[4]，但故障信息只做為處理過(guò)程的參考，維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)幾次張力過(guò)大過(guò)小故障，主要原因分析及故障處理如下：

4.1 LCD面板報(bào)警鋼絲張力過(guò)大

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

4.2 LCD面板報(bào)警鋼絲張力過(guò)大，浮子標(biāo)定錯(cuò)誤故障

現(xiàn)場(chǎng)分析伺服液位計(jì)在運(yùn)行一段時(shí)間后，被測(cè)介質(zhì)黏附在浮子表面或者鋼絲輪轂上，導(dǎo)致測(cè)量誤差和鋼絲張力浮子報(bào)警。處理方法：先將浮子提升至觀測(cè)腔內(nèi)，觀測(cè)浮子情況后，聯(lián)系工藝人員關(guān)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(jì)清除黏附物后，在校驗(yàn)室進(jìn)行重新標(biāo)定，消除報(bào)警檢查正常后，回裝投用。

4.3 LCD面板報(bào)警鋼絲張力過(guò)小

出現(xiàn)此類故障多數(shù)原因?yàn)楦∽用撀湓斐桑幚硇鑼摻z提升至外輪轂。工藝人員關(guān)閉切斷閥后，拆下檢查測(cè)量鋼絲余量和測(cè)量鋼絲完好情況。若測(cè)量鋼絲余量大于測(cè)量量程，鋼絲無(wú)破損情況下，更換浮子進(jìn)行重量標(biāo)定后即可回裝投入使用。重量標(biāo)定過(guò)程中，按照?qǐng)D2伺服液位計(jì)矩陣式菜單進(jìn)行浮子和測(cè)量鋼絲標(biāo)定。維護(hù)過(guò)程中，因浮子采購(gòu)周期長(zhǎng)，無(wú)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(biāo)定后滿足液位測(cè)量要求，制作浮子已使用10年，運(yùn)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(shí)首先查看并詢問(wèn)工藝人員是否可以斷電重新啟動(dòng)，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(cè)量鋼絲超出圖2G1VH63位置處設(shè)定的張力下限，更換CPU單元和LCD單元即可恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)E+H伺服液位計(jì)的結(jié)構(gòu)和故障分析研究，E+H伺服液位計(jì)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(hù)量很小。故障原因多數(shù)為運(yùn)行周期較長(zhǎng)、鋼絲繩老化斷裂、浮子卡澀、CPU單元電子元件老化導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。所以，在伺服液位計(jì)壽命期內(nèi)進(jìn)行定期檢查維護(hù)輪轂和測(cè)量鋼絲，可有效降低伺服液位計(jì)的故障，保證伺服液位計(jì)長(zhǎng)周期準(zhǔn)確可靠穩(wěn)定運(yùn)行，滿足乙烯丙烯罐區(qū)工藝運(yùn)行要求。