雙法蘭差壓液位變送器的應(yīng)用

文/王云 范詠峰

本文作者王云供職于山東濟(jì)煉石化工程有限公司，范詠峰供職于中科合成油工程有限公司。

本文就雙法蘭差壓液位變送器在工程應(yīng)用中的注意要點進(jìn)行闡述——石油化工裝置通常具有易燃、易爆、有毒以及有害的特點，為保障生產(chǎn)過程的安全平穩(wěn)運行，及時準(zhǔn)確地監(jiān)控裝置中的工藝參數(shù)尤為重要。液位是生產(chǎn)過程重要的參數(shù)之一，具有遠(yuǎn)傳功能的液位儀表種類繁多，比如雷達(dá)液位計、伺服液位計、超聲波液位計、差壓液位計、浮球液位計、浮筒液位計以及核液位計等，而雙法蘭差壓液位變送器是應(yīng)用較普遍的一種液位儀表。

雙法蘭差壓液位變送器結(jié)構(gòu)及測量原理

雙法蘭差壓液位變送器由差壓變送器、密封膜片法蘭和帶填充液的毛細(xì)管組成。根據(jù)使用要求密封膜片可采用平膜片或插入式膜片，另還可配帶沖洗環(huán)等附件。根據(jù)使用要求可選用雙邊帶毛細(xì)管，如圖1所示，也可選用單邊帶毛細(xì)管，如圖2所示。

式中

H1—液位高度，單位m；

H2—界位高度，單位m；

△p—測得差壓，單位Pa；

ρ—介質(zhì)密度，單位kg/m3；

g—重力加速度，單位m/s2。

使用式（1）和式（2）計算液位、界位測量范圍時，還應(yīng)根據(jù)實際選型和安裝情況做正、負(fù)遷移。

從雙法蘭差壓液位變送器的組成結(jié)構(gòu)和測量原理來看，此類型儀表非常適用于易結(jié)晶、易沉淀、高黏度、易結(jié)焦、易聚合液體以及臟污介質(zhì)，且密度變化范圍不大的液位和界位測量。

選型及使用

膜片材質(zhì)的選擇

常見膜片材質(zhì)有316LSS、哈氏合金、蒙乃爾、鉭等，無特殊要求時，綜合考慮適用性、耐用性和經(jīng)濟(jì)性，通常膜片材質(zhì)可以選擇316LSS。特殊工況及介質(zhì)需特別對待。

比如濕硫化氫工況，接液材質(zhì)符合NACE MR 0103要求，減緩腐蝕速率；高溫臨氫工況，由于氫分子很小，在合適溫度、壓力、濃度環(huán)境下，極容易快速進(jìn)入和穿透接觸金屬材料的晶格中，工程中可以在膜片表面鍍金處理，原因是金具有很好的致密性和很強(qiáng)的耐腐蝕性，可以有效減緩氫滲透速率，延長儀表使用壽命；磨損性介質(zhì)選用加厚膜片或金剛膜片；含氯腐蝕介質(zhì)選用鉭膜片；堿性腐蝕介質(zhì)選用蒙乃爾膜片；此外還有陶瓷膜工藝、襯氟工藝等。

膜片規(guī)格的選擇

膜片常見規(guī)格為DN50、DN80以及DN1003種。

某品牌不帶毛細(xì)管的單側(cè)法蘭膜片受溫度影響見表1、表2。

表1 膜片規(guī)格受環(huán)境溫度影響

表2 膜片規(guī)格受過程溫度影響

膜片尺寸適當(dāng)加大可以提供更好的測量靈敏度，特別是對于低量程的差壓測量，建議使用較大的膜片尺寸。DN80的膜片尺寸兼顧了靈敏度和安裝便利性，實際工程中通常采用DN50和DN80規(guī)格。

填充液的選擇

不同的填充液有不同的溫度—壓力適用范圍，表3是常用填充液的部分特性。填充液的選擇應(yīng)結(jié)合工藝極限溫度、環(huán)境極限溫度（即最低溫和最高溫）。比如工藝極限最高溫280℃，需選用高溫硅油，而在國內(nèi)北方寒冷地區(qū)，填充液為高溫硅油的變送器無法直接使用，需對毛細(xì)管做適當(dāng)伴熱和絕熱處理，同時也應(yīng)注意變送器正常工作的適用溫度范圍。

表3 常用填充液特性（25℃）

填充液的選用，不僅需要重視適用溫度，填充液的黏度、熱膨脹系數(shù)也是不可忽視的考慮因素，尤其在選用較長毛細(xì)管的場合、極端環(huán)境溫差大的場合。選用熱膨脹系數(shù)小的填充液，有利于減小環(huán)境溫度變化帶來的測量誤差。

毛細(xì)管長度越長，毛細(xì)管內(nèi)徑越大，則填充液體積越大，其熱脹冷縮的影響也越大，同時毛細(xì)管長度越長，測量響應(yīng)時間也越長，因此毛細(xì)管長度不宜過長，毛細(xì)管內(nèi)徑不宜過大，有利于減小溫度變化造成附加誤差，此處與為提高響應(yīng)時間選用較大內(nèi)徑要求又是矛盾的，實際工程中宜選擇合適的內(nèi)徑，通常普通硅油可以選擇毛細(xì)管內(nèi)徑1.1 mm，高溫硅油（適用溫度上限≥300℃）可以選擇毛細(xì)管內(nèi)徑1.9 mm。選用黏度較小的填充液，有利于提高響應(yīng)時間。

毛細(xì)管規(guī)格的選擇

雙法蘭差壓液位變送器的毛細(xì)管通常有多種長度及內(nèi)徑規(guī)格可選，儀表的響應(yīng)時間和測量精度很大程度上受毛細(xì)管長度、毛細(xì)管內(nèi)徑和填充液特性影響。顯然毛細(xì)管越長時，壓力傳導(dǎo)距離就越長，即增加了響應(yīng)時間。毛細(xì)管內(nèi)徑越小，節(jié)流效應(yīng)越顯著，壓力傳導(dǎo)阻力越大，即增加了響應(yīng)時間。

填充液黏度越大，響應(yīng)時間就越大。對于測量對象為直徑較大的容器，比如大型成品油儲罐，由于液位變化率比較小，通常對雙法蘭差壓液位變送器的響應(yīng)時間可忽略。對于測量對象為直徑較小的容器，液位變化率較快的工況，可能需要關(guān)注儀表的響應(yīng)時間造成的影響。

毛細(xì)管內(nèi)密封的填充液由于熱脹冷縮效應(yīng)，會隨著環(huán)境溫度變化而膨脹和收縮，膨脹和收縮均會作用在法蘭膜片和變送器傳感元件上。

理論上，通常選型中宜采用雙等邊、同內(nèi)徑的毛細(xì)管，且填充液類型應(yīng)一樣，有利于抵消或減小因環(huán)境溫度造成填充液的熱脹冷縮而引起的測量誤差。當(dāng)選用雙邊不等長毛細(xì)管或單邊帶毛細(xì)管時，填充液因溫度而出現(xiàn)的熱脹冷縮會引起測量誤差。特殊需求應(yīng)尋求制造商提供建議。

毛細(xì)管長度的選擇根據(jù)測量對象的上/下法蘭距、儀表可安裝條件、工況場合選取，要求既滿足測量要求，又應(yīng)盡可能短。

值得注意的，在使用雙法蘭差變測量液位或界位時，盡管選用了雙等邊同內(nèi)徑同填充液的毛細(xì)管，且膜片形式也相同的雙法蘭差壓液位變送器，抵消了因環(huán)境溫度造成填充液熱脹冷縮的作用力，但無法抵消上、下法蘭口之間毛細(xì)管填充液密度因溫度變化而改變，致使此段毛細(xì)管填充液的靜壓也相應(yīng)改變的影響。

比如，在環(huán)境溫度35℃時雙法蘭差壓液位變送器調(diào)零，在冬季環(huán)境溫度-15℃時，因溫度變化造成上、下法蘭口之間的毛細(xì)管內(nèi)填充液密度改變，由p=ρgh可知，其調(diào)零的遷移量也發(fā)生改變，引起零點漂移。

選型設(shè)計規(guī)范的要求

現(xiàn)行SH/T3005—2016《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》對雙法蘭差壓液/界位變送器有以下主要要求：

第8.2.1條正文a）對于界面測量，可選用差壓液位變送器，但應(yīng)確保上部液面始終高于上部取壓口；b）對于量程（差壓）小于5 kPa、密度變化超過設(shè)計值±5%時，不宜選用差壓液位變送器；c）對于含易燃易爆、有毒性、氣相在環(huán)境溫度下易冷凝等場合，宜選用毛細(xì)管遠(yuǎn)傳雙法蘭差壓液位變送器，兩根毛細(xì)管長度宜相同；d）對于腐蝕性、較黏稠、易氣化、含懸浮物等液體，宜選用平法蘭式差壓液位變送器；e）對于易結(jié)晶、易沉淀、高黏度、易結(jié)焦、易聚合等液體，宜選用插入式法蘭差壓液位變送器。

其中SH/T3005—2016第6章節(jié)部分內(nèi)容也適用于雙法蘭差壓液/界位變送器：

第6.3.7條正文：當(dāng)選用膜片密封帶毛細(xì)管遠(yuǎn)傳式壓力（差壓）變送器時，毛細(xì)管應(yīng)選用316SS不銹鋼，鎧裝層宜選用300系列不銹鋼且長度不宜超過15 m。密封膜片的最低材質(zhì)應(yīng)為316LSS。

第6.3.8條正文：所選擇的填充液應(yīng)符合6.2.4條f）項的規(guī)定，膜片密封差壓變送器兩端的毛細(xì)管宜具有同樣的長度，還應(yīng)考慮下列因素：a）工藝極限溫度；b）填充液的溫度范圍；c）環(huán)境極限溫度；d）毛細(xì)管的長度和內(nèi)徑對響應(yīng)時間的影響。

現(xiàn)行HG/T20507—2014《自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》也有上述類似條款，不再贅述。

由上述兩本現(xiàn)行規(guī)范相關(guān)內(nèi)容可見，規(guī)范要求的條款與本文上述章節(jié)分析及闡述的內(nèi)容要點是一致的。

工程常見應(yīng)用

如圖3所示容器上、下法蘭口連接規(guī)格DN50/PN50/RF，法蘭距為2 000 mm。介質(zhì)為減二線油，溫度120℃，操作壓力1.4 MPa（G），極端環(huán)境低溫-17℃。

根據(jù)以上條件，可選用雙法蘭差壓液位變送器，選用平膜片，膜片材質(zhì)選用316SS，填充液選用DC200，連接規(guī)格DN50/PN50/RF，配帶雙等邊毛細(xì)管，如圖3左側(cè)所示，毛細(xì)管長度選用可根據(jù)容器現(xiàn)場可安裝條件選擇，通常盡可能短。通常考慮變送器低于下法蘭口安裝，毛細(xì)管內(nèi)徑一般根據(jù)供貨商推薦選用。

安裝時，兩條毛細(xì)管應(yīng)捆扎在一起并固定，必要時采用電伴熱帶對毛細(xì)管進(jìn)行恒溫伴熱并做絕熱處理。如國內(nèi)東北地區(qū)，夏季與冬季極端環(huán)境溫度差可達(dá)60～70℃，出于填充液的正常工作溫度需求，以及減小環(huán)境溫度造成的附加誤差，均應(yīng)考慮采取伴熱和絕熱措施。

也可選用單邊毛細(xì)管配置，如圖3右側(cè)所示，此配置建議與供貨商進(jìn)一步取得技術(shù)確認(rèn)。特別是對于現(xiàn)場環(huán)境溫度變化范圍大的場合，應(yīng)充分考慮因單側(cè)毛細(xì)管內(nèi)填充液熱脹冷縮而帶來的測量誤差。

若工況特殊，如加氫工藝的熱高分罐，介質(zhì)為熱高分油，高溫高壓臨氫，則膜片選用316LSS鍍金，填充液選用高溫硅油。高溫臨氫工況，實際工程中可以選擇設(shè)計溫度≥230℃作為選擇鍍金膜片的臨界溫度。

對于易結(jié)晶和黏稠度高的介質(zhì)，可以選用插入式膜片形式，但選用插入式膜片的缺點是無法安裝取壓口的工藝手閥，當(dāng)膜片破損或儀表故障時，無法在線拆除維護(hù)。

對于高真空工況，應(yīng)選用真空適用型儀表，此類儀表的密封膜片及填充液在真空條件下充裝，且組件還可以采用全焊接結(jié)構(gòu)，同時應(yīng)注意選用的填充液種類要避免工況條件下氣化。

以下是在真空條件下常見保護(hù)密封系統(tǒng)的幾種方式：

1）使用高溫填充液。

2）對于41.4 kPa（A）以下的真空，使用100%全焊接結(jié)構(gòu)。

3）使用真空脫氣油。

因為隨著壓力接近全真空，若儀表產(chǎn)品質(zhì)量不合格，填充液一般都含有微量截留的空氣和氣體，當(dāng)接近絕對零壓力時，這些氣體往往會顯著膨脹造成測量誤差，甚至是膜片破損。

筆者遇見項目中選用非真空適用型的雙法蘭差壓液位變送器用于接近絕對真空的場合，在試開工時膜片就破損漏油的現(xiàn)象，后期選用真空適用型儀表后，運行3年使用良好。

對于一些長型塔器、大罐容儲罐，可能需要測量大量程的液位，通常需要10～15 m甚至更大的量程需求。這種情況下，不宜選用雙法蘭差壓液位變送器，因為毛細(xì)管長度過長，通過上述的分析可知附加的測量誤差會非常大，響應(yīng)時間也會增大。

總結(jié)

雙法蘭差壓液位變送器由于工作原理簡單且維護(hù)量小，互換使用程度高且經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點而使用廣泛，但其測量技術(shù)指標(biāo)受多方面影響，包括膜片材質(zhì)、規(guī)格、厚度，填充液種類，毛細(xì)管長度和內(nèi)徑等影響，選用時應(yīng)綜合考慮各種因素。

但不可忽視的是工程中的設(shè)計密度與工況密度還是有差別的，而且可能是不定期變化的。比如一種物料設(shè)計密度1 000 kg/m3，正常液位高度1 m，則此時測得差壓值△p=10 kPa，而當(dāng)由于某種原因物料實際工況密度為1 050 kg/m3，正常液位高度1 m，則此時測得差壓值△p=10.5 kPa。

若使用時還以密度為1 000 kg/m3計算，則顯示液位高度為1.05 m，與實際液位高度相差0.05 m，因此對于一些液/界位控制要求不高的場合，使用雙法蘭差壓液位變送器測量液/界位的各種附加誤差，在一定范圍內(nèi)其實是可以接受的。 ●