双法兰液位计应用及工程实例分析

张海薇

(上海三鼎工程技术咨询有限公司,上海 200030)

在化工装置仪表设计中,差压式液位计是一种常见的仪表类型,其中双法兰液位计因测量稳定可靠、结构安装简单、维护量小,在化工行业中被广泛应用。但是每种仪表都有其优势和劣势,而且在工程应用中,仪表的可靠性及稳定性会受很多因素的影响,对于该类问题的了解及研究,在仪表选型设计中是十分必要的。

本文介绍了双法兰液位计的基本原理和结构特点,详细阐述了在化工装置中的应用问题及解决方案,通过实例分析,说明了双法兰液位计在化工装置中的应用效果,同时也指出了双法兰液位计应用过程中存在的一些问题和需要改进的地方。

1 双法兰液位计测量原理及组成

1.1 仪表组成及类型

双法兰液位计由带密封隔膜的法兰、毛细管以及差压变送器组成。根据毛细管的连接方式,分为高低压两侧均为毛细管连接,低压侧为毛细管连接、高压侧为直接连接(无毛细管)两种方式。目前的化工装置中,由于第二种连接方式只有一侧有毛细管,正负压响应时间不同,且会带来因环境温度变化造成的测量误差[1],所以一般选用第一种方式。

1.2 测量原理及迁移量计算

双法兰液位计测量是基于流体静力学原理,密封隔离膜片直接接触介质,从而受力产生弹性形变发生位移,然后通过毛细管中的填充液将压力传至差压液位变送器的正负压室,形成的压差通过电子放大电路转化成4～20 mA信号,从而实现液位的测量[2]。双法兰液位计典型安装如图1所示。

图1 双法兰液位计典型安装示意

双法兰液位变送器正压室压力计算如式(1)所示:

p+=p0+ρgH+ρ1gh1

(1)

式中:p0——设备中液位上方的压力;ρ——设备内介质密度;g——重力加速度;H——设备下管口至设备内液面高度;ρ1——毛细管中填充液密度;h1——设备下管口至液位变送器高度。

双法兰液位变送器负压室压力计算如式(2)所示:

p-=p0+ρ1gh2

(2)

式中:h2——上管口至液位变送器高度。

法兰液位变送器差压Δp计算如式(3)所示:

Δp=p+-p-=p0+ρgH+ρ1gh1-(p0+ρ1gh2)=ρgH-ρ1g(h2-h1)

(3)

当H为0时,Δp= -ρ1g(h2-h1),所以双法兰液位计测量范围需要进行负迁移。通常在设计阶段设计人员绘制仪表规格书时,会根据填充液密度及液位计上下法兰口间距计算出迁移量,在测量范围基础上进行设定,有助于膜盒规格的选择[3]。在工程建设仪表调试阶段,技术人员会根据迁移量的计算结果进行现场迁移,这样更为准确。

2 适用场合

根据双法兰液位计的原理及结构分析可知,由于隔膜法兰可以起到隔离被测介质的作用,所以适用腐蚀性、较黏稠、易结晶及易聚合等复杂工况,并且不受设备内外压力的影响,在高压和低压环境下均可使用。但是任何事物都会有其局限性,同样受测量原理的制约,有部分工况无法使用双法兰液位计或者使用中会出现较大的误差。不适用双法兰液位计的工况如下:

1)不适用量程特别小的液位测量。SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》[4]中明确规定: 差压值范围小于5 kPa的测量工况,一般不选用双法兰液位计;测量量程小于12 kPa时,根据工程经验可以选用DN80甚至更大规格的隔膜法兰,通过增加感压面积,提高仪表的灵敏度和准确度。

2)不适用密度变化大的液位测量。根据测量原理p=ρgh可知,差压液位计适用密度稳定的液位测量。有些介质密度会根据设备内压力和温度而改变,若使用双法兰液位计测量就会造成误差。因此,为了计量准确需要对密度进行补偿计算。

3)不适用量程过大的液位测量。由于较长的毛细管在仪表制造过程中的问题或现场安装维护不便等原因,毛细管过长可能会导致测量误差增大。一般仪表生产厂家的样本中,15 m的毛细管已是可选范围内最大的规格,如果量程超出15 m仍想选用差压类型的液位计,可以用电子远传式液位变送器替代。

4)不适用高温、高负压的工况。由于毛细管填充液物性的限制,高温、高负压工况通常会选用差压液位变送器加反吹的方案解决测量问题。

3 典型案例分析

3.1 毛细管内填充液的选择

某苯乙烯装置分离塔塔釜液位测量,该塔操作温度为265 ℃,操作压力(绝压)为35 kPa,要求测量范围为0～3.8 m,塔内介质为多乙苯。首选双法兰液位计,但是塔内温度超过普通硅油的上限范围,如果选用传统的高温硅油,则没有负温段,即当环境温度低于零,硅油就需要增加保温伴热措施[5],这无疑增加了设计的复杂度和后期仪表人员的维护工作量。如果有一款硅油既能够满足该装置所在地的极限环境温度,又能覆盖塔内侧的高温,就能够解决该问题。

因此,分析该分离塔所处的地理环境及塔釜液位测量工况,选用了适用温度范围为-40～300 ℃的Tri-Therm 300型号硅油。需要注意的是,可选填充液是否满足要求,不仅要注意硅油的使用温度范围,更要关注硅油本身的温压曲线。由于塔内是负压,硅油适用温度会随压力下降而降低。真空工况下Tri-Therm 300型号硅油温度与压力关系曲线如图2所示,在操作压力(绝压)为35 kPa的情况下,硅油适用温度为275 ℃,高于该塔操作温度,所以该型号硅油适用该工况。另外,负压工况下为避免外界空气进入毛细管,会采用全焊接式结构,保证所有的连接点都是焊接方式。

图2 真空工况下Tri-Therm 300型号硅油温度与压力关系曲线示意

3.2 环境温度变化的影响

海南某装置丙酮储罐液位量程为11 m,采用了配带15 m毛细管的双法兰液位计,自投用以来,该液位计显示周期性液位波动,当环境温度升高时,该液位计显示液位上升,午后环境温度下降,液位也逐步下降,至傍晚时处于平稳状态,液位显示一直重复波动。双法兰液位计温度和液位波动曲线如图3所示。由图3可知,液位变化与环境温度呈等幅振荡,同时由于该储罐采用稳定的氮封系统,所以罐压维持基本稳定。由此可推测是环境温度影响了该液位计的准确性。

图3 双法兰液位计温度和液位波动曲线示意

基于此,设计人员经过分析,找出两种影响液位波动的可能的原因: 一种是选用的硅油型号不合适,另一种是较长的毛细管在仪表制造过程中,可能存在抽真空不足,硅油中会含有气泡的情况。

该丙酮储罐为外保温的金属储罐,物料温度稳定,操作温度为常温,设计温度为60 ℃,海南的环境温度为1.4～45 ℃,选用的硅油满足现场使用工况。在环境温度下,硅油膨胀系数不会改变,密度基本无变化。因此,判断是毛细管在抽真空过程中含有气泡,受环境温度影响,气泡热胀冷缩,从而导致液位出现周期性波动。

为了减少环境温差对测量结果的影响,保证仪表检测的准确性,经过分析讨论,得出两种解决方案: 对双法兰液位计两侧毛细管进行保温;在设备管口不变化的情况下,更换电子远传式差压液位计。由于现场开车在即,最终选用了第一种方案,避免了更换仪表带来的损失。

3.3 易聚合工况的应用优化

某甲基丙烯酸甲酯(MMA)装置一期工程中反应器上设置了1台双法兰液位计,该反应器内介质为MMA反应混合物,介质物性为易聚合、易堵塞。设计选型时考虑到介质特性,双法兰液位计选用插入式膜片形式,插入深度为200 mm,未考虑实际法兰短管长度,因此,导致感压膜片仍在法兰短管内部,造成液位计测量管堵塞。

在该装置二期工程设计选型阶段,吸取了一期装置的经验和不足之处,经过设计人员与业主的讨论,将双法兰液位计插入深度加长,保证感压部分深入设备内壁。为了保证插入部分顺利进入法兰短管,插入部分外径要小于法兰短管内径,如此在两者之间就形成了部分空隙,该空隙也容易造成介质聚合,需要仪表人员经常清理。为了减少清理工作量,在设计时增加了冲洗环部件,再接入氮气进行在线吹扫,避免了经常性的人工维护操作[6]。另外,设备上接口法兰短管,也改为斜上45°,这样有利于介质回流至设备内,也是减少介质聚合的一种措施。插入式双法兰液位计在线吹扫安装如图4所示。需要注意的是,由于增加的冲洗环有一定厚度,可根据厂家样本数据,在计算仪表插入深度时需要加上冲洗环厚度。

图4 插入式双法兰液位计在线吹扫安装示意

4 结 论

结合双法兰液位计应用案例分析,在设计选型时需要注意如下事项:

1)测量范围。选型时应进行迁移量计算,在原有的测量范围基础上进行迁移,有利于选择合适范围的仪表产品。

2)类型选择。对于易结晶、高黏度、易聚合的液体,宜选用插入式双法兰液位计,尽量保证隔膜插入设备内壁,如必要时还可以增加在线吹扫[7]。

3)填充液选择。不仅需要考虑设备内介质的温度和压力,还要考虑环境温度对于填充液的影响[8]。

4)负压工况。仪表法兰选用全焊接方式,注意填充液在负压工况下黏度会下降,适用温度要满足工况要求,否则测量结果会出现较大的误差[9-10]。

5)毛细管长度。由于仪表厂家制造可能会存在偏差,如硅油填充量不足、毛细管抽真空不完全等情况,尽量选用10 m以内的毛细管,毛细管过长会增大测量误差[11]。

此外,在双法兰液位计选型时,需要综合考虑液体性质、环境要求、精度要求、安装方式、材质选择、维护保养等多个因素,以选出最适合实际需求的产品。同时,还需要确认仪表厂家是否具有产品的质量相关证书,并在使用前进行必要的安装和调试工作,以确保产品的安全可靠性和测量准确性。