探討石油化工裝置深冷介質液位測量儀表的選型及應用

王杰亮

（連云港石化有限公司，江蘇 連云港 222000）

在石油化工裝置中，流體介質可以大致分為高溫、中溫、低溫、深冷（超低溫）等4個溫度范圍，其中深冷一般指工作溫度低于-100℃的流體介質。本文將結合筆者所在乙烯裝置深冷工況的塔、罐等容器的幾種液位測量方式選型及安裝方式進行介紹并討論，并就在裝置實際運行過程中由于安裝方式問題導致液位測量指示失真進行分析并技術改造，以解決深冷工況容器液位測量不正常的問題。

1 深冷介質容器液位儀表選型及安裝方式

1.1 浮筒液位變送器

對于測量范圍在2000mm或以內，比密度為0.5～1.5的液位連續測量或位式測量，比密度差為0.2或以上的界面連續測量或位式測量，宜選用浮筒液位計或開關。浮筒液位變送器屬于變浮力式液位計，浮筒變送器由智能液位控制器和浮筒測量室、測量機構、浮筒、扭力管等組成，浮筒浸沒在測量室內的液體中，與扭力管系統剛性連接。扭力管系統承受的力是浮筒自重減去浮筒所受的液體浮力的凈值，在這種合力作用下的扭力管扭轉一定角度。被測液體的位置、密度或界位高低的變化引起浮筒位置的變化，該變化被傳遞到扭力管組件，使其產生旋轉。扭力管的旋轉運動傳遞到智能液位控制器杠桿組件上，使固定在杠桿組件上的磁鐵發生位移，改變了由霍爾效應傳感器檢測的磁場。該傳感器將磁場信號轉換為電信號。智能液位控制器采用微控制器與相關的電子線路測量過程變量，提供電流輸出并提供4mA～20mA電流輸出信號，以達到液位測量的目的。

圖1 某品牌浮筒液位變送器外觀及結構示意圖Fig.1 Appearance and structural schematic diagram of a certain brand of float level transmitter

表1 浮筒變送器測量室材質允許使用的過程溫度Table 1 Allowable process temperatures for the material of the measurement chamber of the float transmitter

浮筒液位變送器測量介質溫度的適用范圍可達-198℃～+400℃，在選型過程中要根據測量介質的設計問題選用測量室材質。

如上所述，石油化工裝置深冷工況的塔、罐等容器工藝介質若滿足上述條件，一般情況下優選浮筒液位變送器。

浮筒液位變送器的安裝注意事項：

圖2 裝置現場深冷工況浮筒變送器安裝效果圖Fig.2 Installation effect diagram of float transmitter under deep cold working conditions on site

1）浮筒液位變送器安裝后，浮筒應上、下活動靈活，無卡澀現象。

2）石油化工裝置多為側-側型法蘭連接方式，工藝容器上焊接的法蘭短管，其上、下法蘭之間的中心間距，法蘭連接螺栓孔的方位必須與浮筒外殼法蘭一致，上、下兩法蘭密封面必須處于同一垂直平面，且法蘭的中心處在同一垂直線上。

3）外浮筒式液位變送器的浮筒頂部應設1/2"螺帽或絲堵，以備現場校準用，其底部應設排水閥短節。

4）浮筒液位變送器所用閥門必須經試壓、檢漏合格后方可適用。

5）低溫介質的放凈閥門應為低溫長頸閥。

6）低溫介質的放凈閥閥體材質應首選316SS，閥芯材質316SS/FHF。

1.2 差壓液位變送器

對于測量范圍超出2000mm或比密度差過小等無法選用浮筒液位變送器時，一般多選用差壓液位變送器。差壓液位變送器是利用容器內的液位改變時，液柱產生的靜壓也相應變化的原理而工作的。差壓液位變送器是石油、化工和石化生產過程中應用十分關鍵的液位測量儀表，其特點是結構簡單、精確度高、線性，便于安裝與維護，易于組合成控制系統，用于連續或間歇生產的塔、罐、槽等容器的液位的連續測量和界位測量。差壓變送器分為普通差壓變送器、單法蘭差壓變送器、雙法蘭差壓變送器等，由于單法蘭差壓變送器和雙法蘭差壓變送器測量部件（即膜盒）是直接與測量接觸，而法蘭式差壓變送器膜盒內是根據測量介質的不同溫度進行填充液的填充，見表2。

圖3 某品牌普通差壓變送器外觀示意圖Fig.3 Appearance diagram of a certain brand of ordinary Differential pressure transmitter

表2 某品牌法蘭式差壓變送器密封填充液參數Fig.2 Sealing and filling fluid parameters of a certain brand of flange differential pressure transmitter

通過表2填充液溫度范圍可知，法蘭式差壓變送器膜盒填充最低耐溫為-105℃，因此深冷工況的塔、罐等容器液位測量一般不能選用法蘭式差壓變送器，而是選用普通差壓式變送器。

普通差壓變送器測量液位一般為Tube引壓管+差壓變送器安裝方式，通過Tube引壓管將測量介質引導至差壓變送器，根據流體靜力學原理完成對液位的檢測。

差壓液位變送器的安裝注意事項：

1）差壓液位變送器測量液位時，儀表安裝高度通常不應高于被測容器液位取壓接口的下接口標高。安裝位置應易于維護，便于觀察，且靠近取壓部件的位置。

圖4 差壓變送器測量液位Tube引壓管配管安裝圖Fig.4 Installation diagram of differential pressure transmitter measuring liquid level Tube pressure pipe piping

2）差壓液位變送器應垂直安裝，保持“＋”“-”壓室標高一致。

3）差壓液位變送器的“+”壓室應與工藝容器的下接口相連，“-”壓室應與容器的上接口相連。

4）差壓液位變送器Tube引壓管應根據測量介質特性做好絕熱或保溫措施。

5）差壓液位變送器應具備正、負遷移功能。

2 深冷介質容器差壓液位變送器不同安裝方式及問題

2.1 安裝方式一

深冷介質容器差壓液位變送器安裝及配管方式一如圖6所示，Tube引壓管保冷，現場差壓液位變送器測量范圍按照儀表規格書提供校準量程設置（如測量范圍：0 KPa～5.5KPa）。

圖5 裝置現場深冷工況差壓變送器安裝效果圖Fig.5 Installation effect diagram of differential pressure transmitter under deep cold working conditions on site

圖6 差壓液位變送器安裝方式一示意圖Fig.6 Schematic diagram of installation method 1 for differential pressure liquid level transmitter

液位正常測量狀態為設備下法蘭至變送器正壓側引壓管內介質相態為氣態，設備上法蘭至變送器負壓側引壓管內介質相態為氣態（因此無需考慮變送器遷移），容器內液位變化使差壓變送器測量靜差壓發生變化，最終實現液位測量。

2.1.1 可能存在的問題

1）液位指示偏高，設備下法蘭至變送器正壓側引壓管內介質相態為液態（或氣、液混合），設備上法蘭至變送器負壓側引壓管內介質相態為氣態。

2）液位指示偏低，設備下法蘭至變送器正壓側引壓管內介質相態為液態（或氣、液混合），設備上法蘭至變送器負壓側引壓管內介質相態為液態（或氣、液混合），當容器內介質高度超過上法蘭口時，將會有介質進入變送器負壓側Tube引壓管。

2.1.2 可能存在的風險

1）造成工藝監盤人員對容器真實液位的誤判斷，做出錯誤的操作，可能導致裝置生產波動。

2）液位指示偏高，若液位存在高高報警聯鎖，則可能存在聯鎖誤動作造成裝置非停。

3）液位指示偏低，若液位存在高高報警聯鎖，則可能存在無法觸發液位高高聯鎖保護動作，造成裝置無法聯鎖停車導致人員或設備損壞。

2.2 安裝方式二

經過實際運行發現深冷介質容器差壓液位變送器按照安裝方式一無法正常測量液位，后經過改造，采取新的安裝及配管方式如圖7所示。將差壓液位變送器的安裝高度與容器下法蘭口平行，Tube引壓管正壓側和負壓側進行保冷絕熱，現場差壓液位變送器測量范圍按照儀表規格書提供校準量程設置（如測量范圍：0KPa～5.5KPa）。

圖7 差壓液位變送器安裝方式二示意圖Fig.7 Schematic diagram of installation method 2 for differential pressure liquid level transmitter

液位正常測量狀態為設備下法蘭至變送器正壓側引壓管內介質相態為氣態或液態或氣液混合態（但變送器安裝高度與法蘭口平齊，因此不論介質相態如何不會對差壓變送器產生靜壓差的變化），設備上法蘭至變送器負壓側引壓管內介質相態為氣態（因此無需考慮變送器遷移），容器內液位變化使差壓變送器測量靜差壓發生變化，最終實現液位測量。

2.2.1 可能存在的問題

液位指示偏低，設備下法蘭至變送器正壓側引壓管內介質相態為液態（或氣、液混合），設備上法蘭至變送器負壓側引壓管內介質相態為液態（或氣、液混合），當容器內介質高度超過上法蘭口時，將會有介質進入變送器負壓側Tube引壓管。

2.2.2 可能存在的風險

1）造成工藝監盤人員對容器真實液位的誤判斷，做出錯誤的操作，可能導致裝置生產波動。

2）液位指示偏低，若液位存在高高報警聯鎖，則可能存在無法觸發液位高高聯鎖保護動作，造成裝置無法聯鎖停車導致人員或設備損壞。

2.3 安裝方式三

經過實際運行發現深冷介質容器差壓液位變送器按照安裝方式一或安裝方式二都存在無法正常測量液位的情況，后經過討論及技術改造，采取新的安裝及配管方式如圖8所示。將差壓液位變送器的安裝高度與容器下法蘭口平行，Tube引壓管正壓側進行保冷絕熱，Tube引壓管負壓側進行伴熱加保溫，現場差壓液位變送器測量范圍按照儀表規格書提供校準量程設置（如測量范圍：0KPa～5.5KPa）。

圖8 差壓液位變送器安裝方式三示意圖Fig.8 Schematic diagram of installation method three for differential pressure liquid level transmitter

液位正常測量狀態為設備下法蘭至變送器正壓側引壓管內介質相態為氣態或液態或氣液混合態（但變送器安裝高度與法蘭口平齊，因此不論介質相態如何不會對差壓變送器產生靜壓差的變化），設備上法蘭至變送器負壓側Tube引壓管由于增加伴熱加保溫，因此會保證負壓側Tube內介質相態一直為氣態，容器內液位變化使差壓變送器測量靜差壓發生變化，最終實現液位測量。

2.3.1 可能存在的問題

變送器負壓側Tube管伴熱失效，設備上法蘭至變送器負壓側引壓管內介質相態為液態（或氣、液混合），當容器內介質高度超過上法蘭口時，將會有介質進入變送器負壓側Tube引壓管，可能造成液位指示偏低。

2.3.2 可能存在的風險

1）造成工藝監盤人員對容器真實液位的誤判斷，做出錯誤的操作，可能導致裝置生產波動。

2）液位指示偏低，若液位存在高高報警聯鎖，則可能存在無法觸發液位高高聯鎖保護動作，造成裝置無法聯鎖停車導致人員或設備損壞。

3 結語

為了保證深冷介質容器液位測量的準確性和穩定性，滿足浮筒液位變送器選型技術要求以及現場具備浮筒液位變送器安裝條件的情況下，建議優先選用浮筒液位變送器。此種選型和安裝方式環境溫度及外部因素對其測量影響較小，儀表專業的維護量相對也較小。也可采用差壓變送器測量液位，若采用差壓變送器測量深冷介質容器液位，建議選用“安裝方式三”，且在裝置運行過程中，應定期對差壓液位變送器負壓側Tube管伴熱進行巡檢，保證伴熱的正常，進而保證差壓液位變送器測量的準確性和穩定性。