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差壓變送器
電容式液位計、投入式液位計、 微差壓變送器、 音叉開(kāi)關(guān)、 雙法蘭液位計; 擴散硅壓力變送器;遠傳法蘭變送器; 智能變送器;單法蘭液位計; 磁致伸縮液位計;料位開(kāi)關(guān);

化工生產(chǎn)中界面測量常用方案的詳細列舉

作時(shí)間:2022-03-04  來(lái)源:  作者:
   

 摘要:石油化工諸多生產(chǎn)裝置中,各類(lèi)設備會(huì )存在多種介質(zhì)混存,分層的現象。出于工藝生產(chǎn)的需求,常常需要檢測不同介質(zhì)的分層面俗稱(chēng)界面的位置。根據現場(chǎng)實(shí)際工況不同,用于界面測量的方案比較主流的分為兩大類(lèi),根據密度差異或者根據介電常數差異來(lái)檢測。列舉了兩類(lèi)測量方案中幾種常用儀表,包括差壓液位計、浮筒液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計,以及導波雷達液位計。在實(shí)際生產(chǎn)中,設計人員或工廠(chǎng)技術(shù)人員需從儀表的工作原理,被測介質(zhì)的特性和不同測量方式的優(yōu)勢、劣勢,設備的開(kāi)孔位置及尺寸等方面做出分析、比較,綜合考慮,選出#適合的界面測量方案。B7b壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
引言
在如今的化工生產(chǎn)中,有越來(lái)越多場(chǎng)合(例如分離、吸收、萃取等)需要精que測量反應釜或儲罐中兩種介質(zhì)的界面。比如,本司多次參與設計的環(huán)氧樹(shù)脂項目,在反應工序時(shí),反應后得到環(huán)氧氯丙烷與水的混合物,因環(huán)氧氯丙烷需要回用,所以需要將兩者區分,環(huán)氧氯丙烷回用至反應釜,而水將送去ECH精餾工序。此時(shí)需要用到分相器,通過(guò)測量其中環(huán)氧氯丙烷和水的界面,界面的測量與調節閥形成PID調節,以此將環(huán)氧氯丙烷和水相互分離,該界面的控制是否準確會(huì )直接影響產(chǎn)品的合格度、企業(yè)的能源消耗量、成本的核算等重要問(wèn)題。因此,這個(gè)控制回路至關(guān)重要,選擇適合的界面的測量?jì)x表,是對生產(chǎn)穩定以及產(chǎn)品質(zhì)量把控的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。
 
1測量方案分析
針對界面測量,不同物質(zhì)造成的界面分層的情況也不一樣,有的分層清晰分明,有的則不一定有鮮明的分界,會(huì )有一段混懸狀態(tài)。針對不同工況,所用的方法也不盡相同,下面主要探討在此前各個(gè)項目中使用過(guò)的各種測量界面的方案。根據檢測依據的不同,一般常用的可以分為以下兩大類(lèi):一是根據密度差來(lái)測量界面,包括差壓法測量、浮子式測量;二是根據介電常數差異來(lái)測量界面。以下將對這兩大類(lèi)中具有代表性的儀表進(jìn)行列舉分析:
 
1.1差壓法測量界面
利用差壓原理測量界面是工程項目中常見(jiàn)的一種測量方式,它其實(shí)歸根結底是利用密度差來(lái)測量界面。差壓法測量界面的原理是:利用介質(zhì)的密度差異,假設密度大的介質(zhì)密度為ρ,密度小的介質(zhì)密度為ρ1,上下法蘭間距為L(cháng),產(chǎn)生的差壓為△P,當前界面高度為L(cháng)1。通過(guò)檢測兩個(gè)取壓點(diǎn)之間的壓力差,可以計算出界面的高度,具體的測量計算公式如下:
△P=ρ1g(L-L1)+ρgL1,得出L1=(△P-ρ1gL)/(ρg-ρ1g)(1)
 
從公式(1)可以看出,如果兩介質(zhì)密度保持不變,則L1與△P形成線(xiàn)性關(guān)系,通過(guò)測量差壓即可推算出界面高度。一般定測量范圍時(shí),當全部為輕介質(zhì)時(shí),設定液位為0;當全部為重介質(zhì)時(shí),設定為滿(mǎn)量程。
 
在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)應用中,差壓法測量有一定的局限性,在某些情況下會(huì )導致測量產(chǎn)生較大誤差。shou先,這種測量方法需要輕介質(zhì)液位一定要高于上法蘭口,否則將無(wú)法測量;其次,密度是否穩定對差壓法測量的影響非常大,如果兩種介質(zhì)的密度不穩定,有波動(dòng),則測量結果會(huì )有較大誤差;再次,如果兩介質(zhì)的密度差異不大,就會(huì )造成量程太小從而無(wú)法保證原有的精度,導致測量誤差變大。因此,差壓法測量方案對輕介質(zhì)的高度和對兩介質(zhì)的密度均有要求。
 
1.2浮子式測量界面
浮子式測量同樣也是利用密度差異來(lái)測量界面的一種方式。它是通過(guò)浮子在不同密度的液體中產(chǎn)生不同的浮力來(lái)進(jìn)行界面測量的。
 
一般化工生產(chǎn)中使用較多的有傳統的浮筒液位計、伺服液位計,還有近些年逐漸發(fā)展起來(lái),得到越來(lái)越多運用的磁致伸縮液位計。
 
有些檢測場(chǎng)合對精度要求不嚴格,也會(huì )使用磁翻板液位計來(lái)測量界面,但由于該儀表本身的精度比較低,所以整個(gè)界面測量系統的精度無(wú)法得到保證。因此,一般不采用這個(gè)方案。
 
以下針對上面提到的3種常用的測量方案分別逐一進(jìn)行分析。
 
1.2.1浮筒液位計
浮筒液位計是由表頭、扭力管、外筒和內筒組成的。外筒相當于容器,內筒連接在扭力管上,扭力管又固定在表頭上。當界面變化時(shí),內筒受到的浮力也會(huì )跟著(zhù)變化,導致扭力管產(chǎn)生不同程度的形變。表頭內有霍爾傳感器,它能檢測到微小的形變,并形成讀數。因此,浮筒液位計是通過(guò)浮力來(lái)測量界面的變化。所受浮力公式為:
F浮=ρ1gSh+ρ2gS(H–h)(2)
 
其中,ρ1為重組分的密度,ρ2為輕組分的密度,h為重組分的高度,H為液位計量程。通過(guò)公式(2)可以看出,當輕組分的密度小到和空氣或系統內部氣相介質(zhì)的密度相同時(shí),界面計實(shí)際上測量的就是重組分的液位了。
 
浮筒液位計的浮子一般情況下是中空的,有時(shí)候會(huì )帶一點(diǎn)配重。檢測時(shí)把充滿(mǎn)輕組分時(shí)顯示的高度設為零位,把充滿(mǎn)重組分時(shí)顯示的高度設為滿(mǎn)量程,測得的界位其實(shí)就是重組分的高度。
外浮筒液位計測量界面
浮筒液位計根據安裝方式的不同可以分為內浮筒式和外浮筒式,在測量界面時(shí),一般盡量不會(huì )選用外浮筒液位計,因為外浮筒液位計測量的界面變化是無(wú)法及時(shí)反映容器內界面變化的。其中一種情況如圖1所示。測量界面一般需要較長(cháng)的沉淀和穩定時(shí)間,但當開(kāi)車(chē)或停車(chē)等情況時(shí),可能存在輕介質(zhì)沒(méi)有穩定覆蓋上法蘭口的場(chǎng)合。從連通上看,與設備聯(lián)通的外測量筒內可能會(huì )出現與設備內實(shí)際界面不一致的現象。主要是當輕介質(zhì)沒(méi)有足夠的液體流過(guò)測量筒時(shí),測量筒和罐內為了要保持連通平衡,受到重力的影響,重介質(zhì)會(huì )往測量筒多流一些。顯然,此時(shí)內外的界位不一致:測量筒內重介質(zhì)液位高于罐內的重介質(zhì)液位,同時(shí)輕介質(zhì)液位也略低于罐內實(shí)際液位,這時(shí)就無(wú)法展現出設備內部?jì)山橘|(zhì)的真實(shí)狀態(tài)。因此,測量界面需盡量避免開(kāi)立旁管,這也就是為何界面測量不適合使用外浮筒液位計。
 
同時(shí),浮筒液位計由于本身外形尺寸的限制,考慮到運輸等原因,一般無(wú)法做很長(cháng),所以一般測量范圍不超過(guò)3m。
 
1.2.2伺服液位計
伺服液位計同樣是根據兩種被測介質(zhì)密度差異,導致所受浮力的不同來(lái)對界面進(jìn)行測量的。同時(shí),因為伺服液位計的檢測原理是根據浮力平衡,所以它在測量界面時(shí)只受介質(zhì)密度變化影響,與其他因素無(wú)關(guān)。
 
伺服液位計的測量浮子受到其本身的重力和液體的浮力,在測量鋼絲上則表現為測量浮子所受重力和浮力之合力,即測量鋼絲上的張力。當界面變化時(shí),測量浮子所受的浮力也隨之變化,從而導致測量鋼絲上的張力變化,使伺服控制器發(fā)出指令,令伺服電動(dòng)機測量鼓轉動(dòng),伺服電機均速放下或收緊測量鋼絲。當浮子不斷地跟蹤界面上下移動(dòng)時(shí),計數器記錄伺服電機的轉動(dòng)步數,并自動(dòng)地計算出測量浮子的位移量,即界面的變化量;谶@樣的測量原理,伺服液位計對于界面檢測能夠做到系統精que度高,穩定性強,因此測量范圍很寬泛。
 
伺服液位計同樣也有不足之處,當測量黏度較大的介質(zhì),同時(shí)液面波動(dòng)也比較大時(shí),可能會(huì )發(fā)生牽引鋼絲被拉斷,導致浮球丟失情況。另外,由于伺服液位計價(jià)格相當昂貴,考慮使用經(jīng)濟性的情況下,一般只有在需要進(jìn)行貿易計量的儲罐才會(huì )采用伺服液位計。
 
1.2.3磁致伸縮液位計
磁致伸縮液位計是采用磁致伸縮原理的高精度位移測量?jì)x表,是目前界面測量運用的非常廣泛的一款儀表,它是采用不導磁的不銹鋼管(測桿)、磁致伸縮線(xiàn)(波導線(xiàn))、可移動(dòng)的磁浮子和電子部件構成的。傳感器的脈沖發(fā)生器在波導線(xiàn)上勵磁出電流脈沖,該電流沿著(zhù)波導線(xiàn)傳播時(shí)會(huì )在波導線(xiàn)的周?chē)a(chǎn)生脈沖電流磁場(chǎng)。在傳感器測桿外配有磁浮子,磁浮子沿測桿隨著(zhù)界面的變化而上下移動(dòng),在磁浮子內部有一組永久磁環(huán)。當電流脈沖產(chǎn)生的磁場(chǎng)與浮子內的磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí),矢量相加形成螺旋磁場(chǎng),產(chǎn)生瞬間扭力,使波導線(xiàn)扭動(dòng)并產(chǎn)生終止脈沖,沿波導線(xiàn)傳回并由檢出機構檢出。通過(guò)測量起始脈沖和終止脈沖之間的時(shí)間差,可以精que地確定磁浮子所在的位置,即界面的位置。磁致伸縮液位計構造如圖2所示。
磁致伸縮液位計構造圖
磁致伸縮液位計的優(yōu)點(diǎn)有:非常好可動(dòng)部件為磁浮子,維護量極低;精度高,#高可達0.01%FS(滿(mǎn)量程),其非線(xiàn)性精度能小于0.01%FS,重復精度能小于0.001%FS;測量范圍廣;耐高溫,耐高壓,穩定性好;安裝方便,不需要標定,不需要維護等,所以很多工程控制場(chǎng)合它都能夠勝任。
 
結合以上3種常用的浮子式液位計來(lái)看,用這種方式來(lái)檢測界面還是適用場(chǎng)合比較寬泛的。不過(guò)在使用浮子式液位計時(shí),也需要注意幾點(diǎn),否則可能會(huì )帶來(lái)較大的測量誤差:介質(zhì)不能太粘稠,長(cháng)期工作粘結污垢后,浮子容易被卡死;密度要穩定,并且密度差要求比較大,如果差距小,同時(shí)界面的量程又比較小,例如只有1m或更低時(shí),浮力的變化范圍就會(huì )非常小,這就需要非常高的分辨率或精度,很有可能就無(wú)法測量。
 
1.3根據介電常數差異測量界面
如果實(shí)際工況所測界面的兩種介質(zhì)密度相差無(wú)幾,那顯然用以上的差壓法測量或者浮子式測量的方式都是不合適的。這種情況下,如果兩介質(zhì)的介電常數相差很大的話(huà),就可以考慮用介電常數的差異來(lái)測量界面了。這種測量方法在工業(yè)生產(chǎn)中采用的比較多的是導波雷達液位計。導波雷達液位計的測量原理是雷達波發(fā)射出去,遇到分界面,反射出回波。接收傳感器接收到回波之后,根據TOF(timeofflight)時(shí)間距離原理,通過(guò)其速度算出距離,也就是界面位置。用導波雷達液位計測量界面時(shí),必須要保證輕介質(zhì)對雷達波反射效果差,也就是兩種介質(zhì)的介電常數差較大,通俗一點(diǎn)就是一個(gè)是絕緣體,一個(gè)是良導體。
 
與其他界面測量方案相比,導波雷達液位計的主要優(yōu)勢如下 :
1)雷達信號沿導波桿傳播,發(fā)射和反射能量比較集中,幾乎無(wú)衰減,這個(gè)特性能使導波雷達液位計的反射信號強,測量精度不受各種外界因素的影響,同時(shí)也不受溫度、壓力和介質(zhì)物性的變化而改變測量結果,這就保證了測量的準確性。 
2)抗油污粘附能力強,測量可靠。 
3)安裝簡(jiǎn)單,低維護量。但導波雷達也有一定的局限性,需要注意的是 :雷達液位計的原理要求分界面的兩種介質(zhì),上面的介電常數小,下面的介電常數大,并且介電常數差別越大越好。如果兩種介質(zhì)分層,但是介電常數區別不大,就無(wú)法測準 ;另外,如果分界處有比較多的混懸、乳濁等復雜狀況,或者是會(huì )產(chǎn)生泡沫、水汽的工況也可能會(huì )影響測量準確度 ;同時(shí),雷達液位計在安裝時(shí)需注意儀表的安裝位置,需要避開(kāi)進(jìn)料口、攪拌等位置,若安裝位置不合適,會(huì )使雷達波的回波信號受到干擾。因此,在安裝的時(shí)候,需要考慮儲罐的高度以及安裝位置與罐壁的距離,要給雷達液位計留出足夠的安裝空間。
 
導波雷達液位計在安裝時(shí)多數需使用導波管,導波管的安裝需考慮其強度,所以常在儲罐底部固定,同時(shí)導波管內壁應該光滑、無(wú)毛刺。因此,一般會(huì )采用不銹鋼材質(zhì)并且保證焊接的平整性。
 
2 結束語(yǔ)
對于界面測量可以選擇的儀表類(lèi)型很多,對同一測量對象的測量方法可以有多種選擇,本文僅僅列舉了比較常用的一部分。作為一名合格的設計人員,在確定測量方案時(shí),應該shou先確定哪種測量原理適用于目前的工況,然后結合設備開(kāi)口位置,考慮投入的成本,結合各儀表的優(yōu)缺點(diǎn),同時(shí)一并考慮客戶(hù)的喜好來(lái)#終選擇#為合適的測量方案。

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