隔膜式差压液位变送器的选型应用

胡健,沙海亮

(中建安装集团有限公司,江苏 南京 210046)

隔膜式差压液位变送器是一种广泛应用于石油化工行业的液位测量仪表。然而,在某些特定工况,如高温高压、真空、强腐蚀性、高黏稠等工况下测量液位是一项非常具有挑战性的任务。不当的选型和安装方式可能会对液位测量的准确性和稳定性产生重大影响。

1 差压液位变送器的原理及引压方式

差压液位变送器通过检测容器内被测液体的液相或气相差压值来换算被测液体的液位。需要注意的是,差压液位变送器不适用于量程差压值小于5 kPa,介质密度变化超过设计值±5%的工况[1]。

差压液位变送器按引压安装方式可分为引压管式和法兰隔膜式。法兰隔膜式又可分为法兰隔膜直连式、法兰隔膜带毛细管式。引压管式测量方式有很多局限性,例如引压管需要排气或排液,以保证引压管路的纯净。受制于其测量特点及管线材质,对于高黏度、强腐蚀性介质并不适用。而法兰隔膜式差压液位变送器可以更好地应用于各种复杂且恶劣工况。本文主要探讨双法兰隔膜式差压液位变送器的选型及应用。

2 双法兰隔膜式差压液位变送器的安装

2.1 安装方式及量程迁移

双法兰隔膜式差压液位变送器根据安装位置分为以下三种: 变送器安装于下法兰口的上方、变送器安装于下法兰口的同一高度、变送器安装于下法兰口的下方,如图1所示。

如图1 a)所示,当变送器安装于下法兰口的上方时:

p+=ρpgh-ρfgdH+po

p-=ρfgdL+po

Δp=p+-p-=ρpgh-ρfg(dH+dL) =ρpgh-ρfgL

(1)

式中:ρp——容器内被测介质的密度;ρf——毛细管填充液的密度;h——被测液位的高度;g——重力加速度;dL——变送器距离上法兰的距离;dH——变送器距离下法兰的距离;po——容器的气相压力;p+——变送器正压侧压力;p-——变送器负压侧压力;L——上法兰与下法兰的间距。

因此,图1 a)对应工况下,差压液位变送器需要负迁移,迁移量为-ρfgL。

如图1 b)和c)所示,变送器安装于下法兰口同一高度时:

p+=ρpgh+po

p-=ρfgdL+po

(2)

Δp=p+-p-=ρpgh-ρfgdL=ρpgh-ρfgL

因此,在式(2)对应工况下,差压液位变送器需要负迁移,迁移量为-ρfgdL。

如图1 d)所示,变送器安装于下法兰口的下方时:

p+=ρpgh+ρfgdH+po

p-=ρfgdL+po

Δp=p+-p-=ρpgh-ρfg(dL-dH) =ρpgh-ρfgL

(3)

在图1 d)对应工况下,变送器需要负迁移,迁移量为-ρfgL。

根据以上三种安装方式迁移计算结果可以得出,差压液位变送器的迁移量与安装位置、安装方式无关。迁移量仅取决于上下管口的间距及填充液的密度。

2.2 静压限制

静压限制的含义和计算如下:

1)静压限制的含义。差压变送器都有静压限制,分为低静压及高静压限制。

高真空环境下的差压变送器静压(绝压)限制值大约为5 kPa,因此需合理设计差压变送器的安装位置,使得工况下差压变送器的静压大于变送器的低静压限制值。以罗斯蒙特3051差压变送器为例,该变送器静压(绝压)限制值为3.4 kPa。当无液位时,差压变送器正负测量端膜盒的静压值最低。需保证差压变送器的高、低压侧的压力值(绝压)均要大于3.4 kPa。一旦忽略低静压的限制,可能会导致液位显示的跳变。这也是为什么真空工况下,压力变送器的安装高度建议要低于或等于下法兰的安装高度。

2)计算案例。容器中的真空绝压正常值为1 kPa,被测液体密度为1 136 kg/m3,温度为198 ℃,法兰间距为2.4 m。应根据填充液饱和蒸气压曲线选用硅油200,密度为1 070 kg/m3,计算得出差压液位变送器的安装高度低于下法兰取压口距离至少0.23 m。在高真空工况中,保守建议差压变送器的安装高度低于下法兰取压口0.5 m。

差压变送器高静压虽然在变送器的过压范围以内,即在该工况下不会造成差压变送器损坏,但过高的静压对差压变送器的精度会造成影响。

2.3 差压液位变送器在内浮盘储罐的应用

内浮盘储罐的浮盘随着储罐液位上下浮动。差压液位变送器的负压侧安装位置应高于浮盘最高位置,正压侧安装位置低于浮盘落底高度,差压液位变送器的差压值包含了内浮盘对液体的压强。

Δp=p+-p-=ρpgh+mg/S-ρfgL

(4)

式中:m——浮盘的质量;S——浮盘的截面积。

在式(4)对应工况下,差压液位变送器需要迁移,迁移量为mg/S-ρfgL。

储罐底部至浮盘落底高度的液位为差压液位变送器的测量盲区。

3 毛细管填充液的选择

填充液选择主要根据以下几点考虑:

1)温度稳定性。在高温工况下,填充液需要具有良好的温度稳定性。选择适用于高温范围的填充液,以确保在整个温度范围内不会出现显著的黏度变化、膨胀或收缩,从而影响测量精度。

2)真空性能。在高真空工况下,填充液需要具有较低的蒸气压,以减少在真空条件下的气泡生成或沸腾。选择具有低蒸气压的液体,以降低在高真空条件下的气泡产生风险。

3)化学稳定性。填充液应具有良好的化学稳定性,且填充液不与被测介质发生反应。如强氧化性介质不要使用硅油作为填充液。

4)黏度影响。填充液的黏度应适中,以保证毛细管内的液体在温度变化时能够快速传递压力信号。

毛细管的填充液需要根据被测介质的温度、介质特性、使用压力工况、环境温度进行正确的选择。而针对真空工况,需要同时考虑真空度及操作温度,参考真空工况常用填充液温压曲线选择合适的填充液,如图2所示,不要过度设计。如硅油705虽然工况使用范围较大,但是其动力黏度为175 Pa·s,较大的黏度导致填充液传递压力响应慢,不适用于液位变化速率快,需要快速响应的场景。

3.1 填充液体积温度效应

填充液随着温度的变化而膨胀或收缩,填充液体积变化作用在变送器膜盒处产生背压,这种背压使得变送器的测量读数产生偏差。背压影响因素主要有被测介质的温度、膜片的尺寸、毛细管的长度、填充液温度膨胀系数等。对于平衡式双毛细管系统,即长度和内外径一致的2根毛细管,这种误差是最小的,因为温度的变化造成的差压变送器两端膜头的背压是相等的。

温度效应在不同尺寸膜片上造成的背压误差影响如图3所示。

图3 不同尺寸膜片造成的背压影响示意

由图3可以看出,较大尺寸的膜片可以降低温度效应所引起的背压误差影响。

3.2 填充液密度温度效应

填充液密度温度效应是指由于环境温度变化引起填充液体密度的变化而产生的。安装时,填充液体的质量产生一个初始压力读数,等于高低连接点之间的高度乘以填充液体的密度。随着环境温度的变化,填充液体密度也将发生变化,导致填充液体质量发生变化,从而造成传感器读数的偏差。

需要注意的是: 毛细管的长度和内径,以及填充液的黏度影响了差压变送器的响应时间。毛细管内径对毛细管系统的时间响应和温度影响有反作用,随着毛细管内径的增大,变送器响应时间缩短,而填充液密度温度效应增加。

在某些场合还可能存在介质温度很高需要使用耐高温的填充液,同时环境温度可能会低至-40 ℃的情况。此时,毛细管优先采用热水或电伴热来维持填充液的正常使用温度。慎用蒸汽伴热,过高的蒸汽温度同样可能汽化填充液。另一种解决方案则是选用宽温型填充液,即毛细管密封系统内采用两种不同的填充液。

3.3 双法兰差压量程的选择

选型设计中通常只将ρpgh作为差压液位变送器的量程,而未考虑本文2.1及2.3节中所述迁移量对于量程范围的影响。计算出差压液位变送器迁移量后的量程,需根据厂家样本选择合适的使用范围。较大的迁移量可能导致超出可用范围的档位。

建议不要选用量程大的差压变送器,应根据迁移后的量程值选用最小量程的差压变送器。过大的量程会使差压液位变送器的测量精度变差。

3.4 平衡式毛细管与不平衡毛细管

温度的变化不仅影响了填充液的热膨胀,还影响了填充液的密度。随着温度的升高,填充液的密度下降,因此填充液密度变化也是影响差压计算的重点。

以图1中b),c)安装方式为例,容器的上下法兰处温差超过28 ℃,法兰间距3 m,差压液位变送器采用法兰隔膜密封,填充液使用硅油。

平衡式毛细管当采用图1中b)安装方式,根据软件计算,填充液体积温度效应消除了,而填充液密度温度效应造成了0.9 kPa的压力误差。

不平衡式毛细管当采用图1中c)安装方式,经计算,填充液体积温度效应造成-0.42 kPa压力误差,而填充液密度温度效应造成了0.9 kPa的压力误差,因此总的压力误差为0.48 kPa。

根据上例可以看出,不平衡远程密封系统由于2根毛细管不等长,会产生密度温度效应。然而,这种密度温度效应与毛细管填充液体积温度效应压力相抵消,因此减少了对整个系统的总温度影响。

建议设计人员在仪表规格书上附差压液位变送器安装位置示意图,通过厂家计算来确认更好的方案,得出最优精度。

4 隔膜密封件的选择

隔膜密封件需要根据介质的使用工况选择合适的规格。隔膜密封件的尺寸建议不小于DN50,在低压工况下,隔膜密封件的尺寸宜选用DN80,较大尺寸的膜片可以提供更大的形变;真空工况下隔膜密封件需特殊处理来避免吸入空气。

4.1 隔膜密封件的材质

隔膜密封材质的选择需考虑介质的化学腐蚀性、温度和压力等因素,常见的隔膜密封材质包括不锈钢316SS、哈氏合金、钽、钛等。在具体选择过程中,还可以考虑使用耐腐蚀的涂层或特殊合金材料。不合适的隔膜密封件材质可能会导致腐蚀性介质泄漏,严重时可造成人员伤亡和设备损坏,破损的膜片、填充液还可能混入介质中。

4.2 隔膜密封件的结构

通常,变送器的毛细管可拆卸,方便更换被腐蚀膜片,但高真空工况下需要采用全焊接密封系统结构。

全焊接密封系统结构中的毛细管与传感器直接焊接,形成一个密封的整体结构,从而避免空气在高真空条件下进入密封系统。

5 电子配对式隔膜差压变送器

不同于常规的隔膜差压式液位变送器,电子配对式隔膜差压液位变送器由2台压力变送器组成,分别为高压侧的一级变送器和低压侧的二级变送器。二级变送器通过信号电缆将气相压力值传输至一级变送器,2台变送器之间的信号进行计算处理,以获得准确的差压值。

电子配对式隔膜差压液位变送器直接安装于上下2个法兰管口上,由于没有毛细管连接,差压液位变送器消除了填充液所引起的差压迁移。

该方案消除了毛细管长度、填充液密度变化等不利影响,测量精度主要取决于2台压力变送器的组合精度。由于高压侧压力变送器测压范围较大,故整体精度主要取决于高压侧压力变送器。

电子配对式隔膜差压液位变送器通常用于法兰间距大于10 m的工况,因为在该工况下,双法兰毛细管的差压液位变送器精度较差。然而,电子配对式隔膜差压液位变送器也存在一些缺点。例如,由于变送器直接安装在法兰管口,介质热传递显著影响变送器。为确保变送器电子元器件的正常工作,需要保证其受热范围为-40～80 ℃。另外,该型变送器价格也偏高。

6 结束语

采用隔膜差压式液位变送器测量液位时,需要关注诸多事项,如介质强腐蚀性、温度范围、气液相变化等。因此,在选择合适的测量方案时,需要充分考虑实际工况的影响。此外,隔膜密封件的材质和结构也至关重要,以确保系统的可靠性和安全性。在某些应用中,电子配对式隔膜差压变送器可以提供更好的测量精度,但其价格较高,因此需根据实际需求进行评估。

总之,差压液位测量涉及多方面的因素,应根据具体情况综合分析,选择适合的差压测量范围、隔膜材质、膜片结构和变送器形式。通过对各种因素的充分考虑和合理选择,可以确保测量结果的准确性和可靠性,为工程应用提供有效的数据支持。