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雙法蘭差壓液位變送器在化工BDO裝置上的應用

來源: 作者: 發布日期:2020-12-25

 摘要:差壓液位計在化工企業裝置中廣泛應用,但是在使用中存在的許多問題。文章提出使用艾默生公司的新型ERS電子遠傳液位測量的技術,在實際的裝置中,進行了特殊應用改造,經一段時間的使用,能很好地滿足工藝生產。尤其是大量程差壓液位的測量,提供了一種高精度測量的方法。

 
 引言
化工企業中,生產BDO產品的裝置,具有高溫,高壓,有毒,危險性的特點,儀表的選擇上,要考慮到各項參數,滿足這些參數下,才能使儀表在裝置中的穩定運行。本次重點討論液位的測量,在工藝操作上的可靠性與準確性。突出液位測量儀表的選型,對影響工藝操作的穩定性,安全性的一般性討論與研究。
 
1 液位測量和存在問題
1.1 現場液位測量現狀
在化工企業中,對裝置的液位測量,絕大多數地使用差壓式液位變送器、某些企業采用了雷達液位計、在罐裝設備上使用了射頻導納液位計、密封罐中使用的是磁致伸縮液位計。但它們因環境或測量媒質的不同,因自身的測量相一致的原理,存在著不一致的偏差。
 
1.1.1 差壓式液位變送器
單法蘭,在底部使用,雙法蘭(或單法蘭) 差壓式變送器在密封罐中經常使用,它是利用罐內液位改變時,因液位產生的靜壓,對壓力隔膜的壓力轉變成電子信號的原理工作的。它有以下的優點:不受溫差的變化,穩定性強,性價比較高,在密封罐中可以忽略其內在的影響。在使用中,也存在著一些缺點:如對介質的要求,強酸強堿的介質就不適用。對密度大的測量,精度也有影響,環境溫度的劇變,也出現一定的偏差。尤其是上引的細管過長,也存在著的測量波動。
 
1.1.2 雷達液位計
常用的雷達液位計,主要分為非接觸式雷達,導波雷達,主要的原理是利用雷達波的向液面發射超高頻電磁脈沖,波長在幾米,頻率在4GHz以上,(在結構上主要有導波雷達沿鋼纜和探棒這兩種),由于測量發射波和回波存在著時間差,經過時間差的計算,再經一定的算法,就可以折算出液面高度。
 
雷達波液位計,其具有不受溫度、環境中有蒸汽、周圍有粉塵、或者在泡沫包圍的情況下,其影響度比其他的液位計有獨特的優勢。但是,它也出現了一定的缺點:由于導波雷達波到達以接觸介質后,因為不同的介質,都有不同的介電常數,反射波的一部分被介質干擾掉后,剩余的回波就極大地削弱了,在時間差的測量上,就有了新的要求,回波就越大,精度越高,反之,精度就下降。對于某些使用鋼纜、還有探棒的導波桿,其易掛料的現象不易消除。給其帶來了不良影響。
 
相反,非接觸式雷達就具有了明顯的優點:它不接觸介質,只與傳輸中的空氣或渾發性的氣體接觸,影響只是這些,但其影響微乎其微,一般地,都忽略不計。但是,如果這些傳輸經過的空氣中有汽化介質,或者帶有泡沫的介質,影響就比較突出了,因此,其有以下的要求,對空間有汽化、空間有帶泡沫介質,其測量會有較大的偏差,因此,不適用于這方面的應用。
 
綜合以上可以看出,雙法蘭差壓液位變送器是石油、化工和石化生產過程中應用十分廣泛的液位測量儀表,主要用于測量具有腐蝕性、黏度大、不易結晶、低凝固點液位的被測介質。其特點是結構簡單、精確度高、線性好、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過程的塔、罐、槽等容器的液位連續測量和界位測量。
 
常規的差壓變送器通過測量容器中的液位壓力來進行液位測量,直接采用引壓管安裝。雙法蘭采用了毛細管柱和密封系統解決了引壓管的許多安裝問題。這些系統包括通過充油毛細管柱連接到差壓變送器的外部傳感膜片。壓力的變化引起了膜片的位移,這樣壓力就通過充油毛細管傳送到變送器。充油毛細管系統都經過精心的焊接和制造,因此它是一個性能可靠的密封系統。這種類型的結構消除了可能在引壓管中產生的泄漏點和堵塞。
 
1.2 傳統差壓液位技術的問題
液位測量上,雙法蘭差壓液位系統仍然是一種成熟可靠的技術,它廣泛應用于高型容器和塔中。它的特點,就是有了毛細管,在安裝上,較為困難,不能打折,否則就造成一次性的損壞。因為它的距離過長,毛細管在傳輸壓力上,就會將誤差傳輸過去。在環境溫度變化較大的時候變得更為明顯了。毛細管的位置,其安裝位置,是經常檢查的目標。
 
使用雙法蘭膜片變送器測液位時,因為在高度上,其取壓間距很大,毛細管的長度帶來了儲多問題。這個問題,較為常見的問題如:毛細管的溫度變化對測量精度影響較大,在實際中,其響應速度也會變慢,其中的高溫油在環境溫度過低時需要伴熱等。本裝置中,25% 以上的差壓液位都存在著法蘭間距過大,毛細管過長,測量滯后;還有部分測量點介質溫度過高,充填液采用高溫硅油,需要對毛細管伴熱,尤其是在新疆地區,冬季時間接近5個多月,儀表使用很不穩定。因此需要對部分關鍵點測量部位進行改造,來保證測量的準確性,以確保工藝操作的穩定性。
 
2 新型差壓液位測量技術-電子遠傳ERS
艾默生過程控制有限公司于2011年發布了羅斯蒙特®ERS (electronic remote sensor) 電子遠程傳感器系統,一時造成了行業中的震動,它是世界上非常好個數字差壓液位系統。從此,壓差測量技術,進入到了數字時代。艾默生宣稱,它擁有十項以上的專利技術,在3051S ERSTM 系統上,是劃時代的進步。它使用了兩個以數字方式連接在一起的3051S壓力傳感器,機械毛細管的方式看不到了。原理簡單地描述為,它通過兩個傳感器中的一個,進行差壓值的計算,再通過一個標準HART位號牽制,進行兩線制的傳輸,對現場的4~20Ma信號要求,就得以滿足。
 
2.1 ERS電子遠傳傳感技術原理
 電子遠程傳感技術,是電子信號傳輸的一種方式,在ERS中,必須采用有線進行傳輸,這樣就可以保證數據不受干擾,失真度接近為零。ERS與其他的信號相比,它有自身的專利技術,在高型容器和塔上進行液位的測量,有其準度高,安裝方便,維護方便的特點。在表面上看,羅斯蒙特3051S ERS系統僅僅使用了兩個直接安裝的3051S壓力變送器,它與差壓變送器相比,沒有毛細管應用。RES使用的兩個傳感器,其中的一個計算差壓,另外的一個測量靜壓,通過標準的兩線制4~20mA HART信號傳輸回主機,主機的系統經過軟件的運算,直觀地表現出液位數值。
 
ERS是在差壓液位技術上的較大改進,是對差壓測量技術的重要提升。ERS技術在目前來看,仍然屬于非常先進,技術成熟的技術,在3051S壓力變送器平臺上,獨放風采。它使用了兩個壓力變送器,其中一個測量低位裝置的高壓測量數據,另外一個在高位置測量低壓側數據,其數據使用了一個的電子功能模塊由軟件計算出高低壓側的差壓來,再進而通過4~20Ma線路,向系統中輸出對應的數據信息。資料顯示,ERS擁有多項專利技術,它解決了信號的同步,電源配及的管理,在隔離防爆要求的場所,其本安認證的措施,也做得相當出色。ERS沒有了毛細管,這在壓差測量方面,具有獨特的優勢,因此,在10m以上的罐中,得以廣泛應用,原來的壓差上的負遷移,需要專業知識才能搞懂的知識,在ERS上幾乎看不到,它巧妙地經過軟件計算,僅僅在高位或低位提出實際的數據,就解決了其他測量技術的專業性,因此,其測量的數據響應速度變得很快,精度就更高了。在環境溫度變化比較巨大的地區,它的優勢就更加突出,因為它沒有了毛細管。
 
與傳統的兩臺壓力變送器測量壓力計算差壓的方式相比,ERS系統需要一個4~20mA回路,這個回路是無源線,僅要在原來的線路中,切斷后再連接到主表,另外,在副表供電上,只要接原來的供電源即可:不需要到DCS系統中計算差壓,主表輸出的差壓信號是電信號,它經過數字化處理后,通過同步技術傳到主線路中,在軟件的優化作用下,直接差壓零點進行調整,這樣就保證了差壓信號的正常傳輸,從而有效地保證了其可靠的同步性。環境溫度的影響,兩個壓差變送器在同一環境中,因溫度的變化,是一致性的,從而互利抵消了存在的干擾因素。
 
2.2 ERS電子遠傳系統的優點
3051S ERS系統獨特的數字架構,其原理已經很明顯,它在高型容器,還有高裁體的塔上使用較為突出,這是它的明顯優點:
(1) 因為它采用的數字化架構,其性能加以改善了,3051S ERS系統的優上是沒有了機械部件,大大地減少了機械磨損,因此,在大范圍變化的溫度下,數字化架構的性能就表現出其優勢,在響應時間上得以提供,在傳輸信號上,就更加穩定,測量上的反復性就能很好地得以保證。有人經過測量數據的對比,它的測量精度相對于傳統的機械式的測量,精度大幅度地提高了。
 
(2) 它的另一個特點,就是安裝的簡單化,凡是學過儀表基礎知識的人,都可以方便地安裝,并且對其出現的問題,按照說明的指南,很容易地解決出現的問題:在某些地上,尤其是北方,有長期的寒冷天氣,這些裝置會有伴熱或保溫的裝置。這僅僅需要認真地檢查信號的脈沖信號,檢查線路的漏水點,發現漏點,要及時地處理,這樣,對冷凝水就能好地解決。3051S ERS系統的數字架構恰恰地沒有了這些環節,從而避免了人為地工作,降低了勞動強度,減少了大量維護工作和設備保養工作。
 
(3) 由于其是數架式結構,其特點就具備了現代通信的功能,有著較多的過程數據診斷,因此3051S ERS系統是一個多參數™系統,它提供了較多的數據內容,能有效地對額外的過程優化,進行有效地控制,數據信息量的處理可以方便地得以處理。經常的液位計算,3051S ERS提供了諸多的數據信息,對來自每個壓力傳感器讀數都有唯一的數據地址,傳輸的實時數據,訪問的實時數據,對液位或體積的測量,可以進行比例的輸出,從而方便地與其他的數據接口,可以方便地匹配。
 
綜上,ERS是基于傳統差壓液位技術原理,在3051S平臺上開發的新一代產品,在高塔液位測量,惡劣環境溫度的條件下獨具優勢。
 
3 現場應用和改造
針對ERS的技術特點和現場的實際情況,首先選擇BDO裝置區域內的高塔液位,球罐液位測量點,主要解決液位測量距離在10m以上以及塔內介質溫度高于200℃需要保溫伴熱的關鍵測量點進行更換。
 
3.1 改造方案1—精制塔液位測量
主要問題:差壓150kPa。15m的法蘭間距,傳統方案誤差很大,受環境溫度影響大,介質溫度高,冬季需要伴熱。
解決方案:ERS電子遠傳替換原雙法蘭式方案。
測量結果:使用ERS電子遠傳后,測量穩定性大大提高,無需伴熱,維護方便。
 
測量數據對比如表1所示。
測量數據對比表
通過對比,雙法蘭差壓測量在準確值的偏離度上有45mm以上的誤差,隨著高度的增加,誤差也隨之增大。ERS電子遠傳測量測量的數據,誤差值在5mm以內,在高度測量上,其誤差幾乎可以忽略不計。
 
3.2 改造方案2—塔液位測量
主要問題:靜壓 600kPa差壓 50kPa。20m的法蘭間距,傳統方案誤差很大。受環境溫度影響大。維護成本高
解決方案:ERS電子遠傳替換原雙法蘭式方案。
測量結果:使用ERS電子遠傳后,精度由原方案的5% 變為0.5%,提升了10倍;響應時間由3s縮短為0.5s,提升了6倍;環境溫度變化不對測量結果產生影響;安裝與維護變得更加方便。
 
通過對以上兩種工況改造后,使用效果極佳,完全達到了預期的目的,確保了工藝測量的準確度和操作的穩定性,這對我廠后期繼續改造和優化提供了很好的案例和經驗。
 
4 推廣和應用
ERS 適用于以下工況,尤其是應用過雙法蘭但測量效果不是很好的情況下,可以考慮ERS 系統。 
(1) 適用于10m以上的罐,或化工企業的沸騰塔等。化工企業經常有蒸餾塔、干燥塔,洗滌塔,還有儲罐液位的罐等。在這種設施中,由于其取壓間距比較大,典型的6m以上的設施,其間距會遠遠地大于6m,在選擇雙法蘭測量的時候,需要使用較長的毛細管。而 ERS 系統是通過 CAN 總線連接主副表,消除了外界環境溫度變化對毛細管系統的誤差影響,提高整體測量性能,同時縮短了響應時間。
(2) 適用于10m以上的罐裝置。由于10m以上的罐,其測量的壓力相對要大些,這樣得到的差壓值就會更明顯,精度得以提高。10m以上的罐內介質的測量,就可以保證差壓信號的精度,假設其中的靜壓為 SP,它與差為DP的比值,就大于1,這樣的結果,對提高精度是至關重要的,這也是為什么要在10m以上的罐中,得以廣泛應用的原因。
(3) 它可以存在較大的跨度的溫差設施中應用,也可以在需伴熱的場合的設施中得以應用。環境溫度變化跨度大易引起雙法蘭的產生較大的溫度影響,而 ERS 因為沒有毛細管可以完全消除了這種影響,大大提高測量精度及穩定性。對于高溫油應用場合,在環境低溫時需做伴熱,而ERS沒有毛細管不需要做伴熱,降低維護及設備成本。
(4) 適用于安裝位置上有其他附件,其他測量儀表無法測量的工況。ERS整體在安裝時,單獨固定好變送器,在接線端連接電纜,做好密封,在確保可靠性下,需要監督方進行核對,在確定完全正確時,即可投入使用。所以對現場安裝條件復雜,不便于安裝雙法蘭或是其他測量形式,可采用ERS系統簡化安裝工作。
 
5 結語
綜上所述,在化工企業中,雙法蘭差壓液位變送器普遍地使用,在價格上占據優勢,測量上存在的誤差比較明顯,對小型企業,仍然是主要液位測量的解決方案。對于測量要求較高,影響工藝生產,控制要求嚴格的企業,采用艾默生公司推出的電子遠傳-ERS系統,在高塔和大罐液位測量,惡劣環境溫度的條件下獨具優勢,在精度要求較高的工況下,應當是首選方案。我廠在應用改造后,說明ERS在特殊工況的應用是成功的,又增加了幾套改造,取得的效果是令人滿意的。由于其性價比較高,并不是所有的差壓液位測量都適合使用ERS電子遠傳系統。各企業可以根據自己的實際情況,建議對影響工藝操作的關鍵設備上的關鍵點進行改造使用,來保證工藝生產的安全性,滿足裝置的安穩運行,從而提高了企業經濟效益。

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