摘要：雙法蘭液位計(jì)以其測(cè)量穩(wěn)定可靠、安裝維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)在石油石化工藝上應(yīng)用極為廣泛，尤其當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)為腐蝕性、易結(jié)晶、粘度高時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。結(jié)合雙法蘭液位的結(jié)構(gòu)及工作原理，從工藝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，并針對(duì)典型案例分析對(duì)雙法蘭液位計(jì)測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性不容忽視的影響因素。
引言
在化工工藝中，各種儲(chǔ)罐、容器的液位測(cè)量、控制、報(bào)警對(duì)生產(chǎn)安全運(yùn)行有至關(guān)重要的作用。差壓式液位計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、調(diào)整靈活、信號(hào)遠(yuǎn)傳、穩(wěn)定可靠等一系列優(yōu)勢(shì)使它在石油石化行業(yè)液位測(cè)量中應(yīng)用極為廣泛，尤其對(duì)于腐蝕性、易結(jié)晶、高粘度介質(zhì)容器液位的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)更加顯著。但是，再可靠的儀表，也會(huì)有影響其測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的因素。這就需要儀表維護(hù)人員在應(yīng)用差壓液位計(jì)時(shí)能夠正確判斷、分析出現(xiàn)的問(wèn)題，并能根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理找到產(chǎn)生問(wèn)題的原因從而修正或者避免問(wèn)題。
1 雙法蘭液位計(jì)結(jié)構(gòu)組成和測(cè)量原理
了解雙法蘭液位計(jì)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，是分析應(yīng)用問(wèn)題的前提。雙法蘭液位計(jì)，它是基于流體靜力學(xué)原理測(cè)量液位的，主要由法蘭式測(cè)量頭、毛細(xì)管和差壓變送器三部分組成( 如圖1 所示)。法蘭處密封隔離膜片能夠防止容器中的介質(zhì)直接進(jìn)入差壓變送器，它與變送器之間是靠充滿隔離液( 一般采用硅油) 的毛細(xì)管連接起來(lái)的，當(dāng)膜片受壓后產(chǎn)生微小變形，變形位移通過(guò)隔離液傳遞給變送器，由變送器處理后轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)[1]。
根據(jù)流體靜力學(xué)原理可得，差壓變送器輸入的差壓信號(hào)與液位成正比，而差壓信號(hào)與輸出輸電流成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，表達(dá)式如下：
pH=p+Hρ1g+h1 ρ1g
pL=p+h2 ρ2 g
Δp=pH-pL=Hρ1g-(h2-h1)ρ2 g
可見(jiàn)，當(dāng)容器液位H=0 時(shí)，變送器輸入差壓信號(hào)Δp=-(h2- h1)ρ2g，雙法蘭液位變送器在對(duì)密閉容器液位測(cè)量時(shí)shou先要對(duì)其測(cè)量范圍進(jìn)行負(fù)遷移。而遷移量對(duì)應(yīng)的高度差h2-h1 即為兩個(gè)法蘭安裝端面中心線之間的距離，因此，雙法蘭差壓液位計(jì)在兩個(gè)法蘭安裝位置確定以后，就可以根據(jù)公式計(jì)算出其負(fù)遷移量，再由遷移機(jī)構(gòu)或者手操器對(duì)差壓變送器實(shí)施負(fù)遷移。
2 實(shí)際應(yīng)用中不容忽視的問(wèn)題
為了保證雙法蘭液位計(jì)液位測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須shou先保證容器內(nèi)氣相、液相介質(zhì)對(duì)差壓變送器高、低壓側(cè)作用壓力傳遞的準(zhǔn)確性，從壓力作用的起點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)雙法蘭液位計(jì)的組成部分和工作原理來(lái)分析應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，是工藝中常用的分析應(yīng)用問(wèn)題的方法。
2.1 保持法蘭測(cè)量頭隔離膜片的完整和清潔
由于法蘭測(cè)量頭隔離膜片的隔離作用，使被測(cè)介質(zhì)不能與差壓變送器直接接觸，不會(huì)腐蝕或者堵塞儀表，使得雙法蘭液位計(jì)在腐蝕性、易結(jié)晶、高粘度介質(zhì)液位的測(cè)量中優(yōu)勢(shì)明顯。但是，法蘭隔離膜片材料的耐腐蝕可靠性會(huì)隨著使用時(shí)間的推移降低，并且法蘭隔離膜片的清潔度也會(huì)影響壓力傳感，具體表現(xiàn)為：
(1) 當(dāng)法蘭測(cè)量頭長(zhǎng)期與容器內(nèi)腐蝕性介質(zhì)氣相或者液相接觸時(shí)，可能對(duì)膜片造成一定腐蝕進(jìn)而出現(xiàn)隔離液漏液現(xiàn)象，使液位測(cè)量不準(zhǔn)。膜片腐蝕漏液導(dǎo)致測(cè)量液位不準(zhǔn)是雙法蘭液位計(jì)在應(yīng)用過(guò)程中常見(jiàn)的故障現(xiàn)象，如果膜片出現(xiàn)腐蝕，一定要及時(shí)更換法蘭。
(2) 當(dāng)其長(zhǎng)期接觸易結(jié)晶、高粘度介質(zhì)時(shí)，容易導(dǎo)致介質(zhì)結(jié)晶或者粘附在膜片上，或者當(dāng)容器底部有雜質(zhì)淤積在法蘭膜片處時(shí)，導(dǎo)致法蘭膜片壓力傳感出現(xiàn)滯后或液位變化而儀表輸出不變。因此，法蘭測(cè)量頭要定期拆開(kāi)清洗，確保感壓靈敏度、傳壓響應(yīng)速度。
2.2 保持毛細(xì)引壓管的順暢不能有折
毛細(xì)管內(nèi)充有硅油，一方面用于隔離容器內(nèi)的腐蝕性或者結(jié)晶介質(zhì)，另一方面用于傳遞法蘭測(cè)量頭感受到的容器底部的介質(zhì)壓力，引壓管不需要豎直放置，多余長(zhǎng)度的毛細(xì)引壓管可以卷起來(lái)固定，但要保證隔離液流動(dòng)的順暢，毛細(xì)管不能有折[2]，如果打折，就阻礙了壓力的傳遞。
2.3 高溫、高壓容器內(nèi)介質(zhì)密度變化大，不容忽視
一般差壓式液位計(jì)在使用中忽略了液體密度的變化，在常溫常壓下這種忽略問(wèn)題不大，但在高溫高壓條件下這種忽略將造成很大測(cè)量誤差。這是由于在高溫高壓條件下液體的密度波動(dòng)很大。因此，在測(cè)量時(shí)需結(jié)合容器內(nèi)的實(shí)際壓力和溫度，修正介質(zhì)的密度，從而得到更加準(zhǔn)確的液位高度值。
2.4 溫度對(duì)隔離液密度有影響
當(dāng)容器介質(zhì)為高溫時(shí)，靠近容器部分的毛細(xì)管內(nèi)的硅油受熱大，膨脹系數(shù)大，而院秒容器部分的毛細(xì)管內(nèi)的硅油膨脹系數(shù)小，當(dāng)環(huán)境溫度很低時(shí)，耐高溫硅油對(duì)低溫時(shí)間響應(yīng)慢，壓力傳遞不均衡，易造成液位測(cè)量的不穩(wěn)定。
(1) 需要考慮環(huán)境高溫對(duì)硅油膨脹系數(shù)的影響。夏天環(huán)境溫度高，陽(yáng)光能直接照射到?jīng)]有保溫系統(tǒng)的法蘭毛細(xì)管，使毛細(xì)管溫度急劇上升。如果儀表出廠時(shí)質(zhì)量不過(guò)關(guān)，在向膜盒內(nèi)充裝硅油前沒(méi)有將內(nèi)部空氣清除干凈( 或充裝硅油膨脹系數(shù)過(guò)大)，導(dǎo)致氣體受熱膨脹，膜盒內(nèi)壓力升高，儀表指示出現(xiàn)偏差。暫時(shí)可以將法蘭及毛細(xì)管等陽(yáng)光直射部分加裝保溫層來(lái)減小影響，長(zhǎng)遠(yuǎn)打算的話要更換雙法蘭。
(2) 需要考慮低溫對(duì)硅油密度的影響。對(duì)于北方( 尤其是東北地區(qū)) 環(huán)境來(lái)說(shuō)，冬季溫度達(dá)到零度以下( 甚至零下幾十度)，應(yīng)用雙法蘭液位計(jì)時(shí)shou先要對(duì)硅油的耐溫范圍進(jìn)行優(yōu)選，此外，為了可靠還需要對(duì)毛細(xì)管有保溫措施如用電伴熱的方式減小環(huán)境溫度對(duì)硅油密度的影響。國(guó)外也有公司使用雙填充液( 耐高溫+ 耐低溫) 來(lái)解決容器內(nèi)外溫度差異對(duì)壓力傳遞響應(yīng)速度造成影響的問(wèn)題。
2.5 負(fù)壓容器液位測(cè)量偏差大
雙法蘭變送器的工作壓力一般要求在大氣壓以上，如果需要在大氣壓以下( 負(fù)壓) 工作，工作溫度不能太高。雙法蘭液位計(jì)在負(fù)壓理論上是能夠正常工作的，但是在負(fù)壓下工作時(shí)，法蘭膜盒中的膜片因受真空而向外鼓包，于是毛細(xì)引壓管內(nèi)壓力降低，填充液的粘度也逐漸下降，并開(kāi)始蒸發(fā)。當(dāng)填充液內(nèi)出現(xiàn)氣體時(shí)，壓力的傳遞便會(huì)減慢，造成儀表測(cè)量滯后[3]。再就是，因?yàn)楦綦x液填充前需對(duì)毛細(xì)管抽真空，而這個(gè)過(guò)程往往會(huì)不可避免的產(chǎn)生一些微小的氣泡，在容器負(fù)壓下，這些小氣泡在負(fù)壓下會(huì)膨大，一些雜質(zhì)如水分會(huì)汽化形成氣泡，會(huì)影響壓力傳遞的穩(wěn)定性。因此，負(fù)壓下工作對(duì)雙法蘭液位計(jì)的質(zhì)量要求很高。要么選用高質(zhì)量的變送器，要么避免采用。
3 典型案例分析
工況描述：冬季，某北方公司工藝上使用雙法蘭液位計(jì)測(cè)量密閉儲(chǔ)罐液位，毛細(xì)管內(nèi)硅油是D 型，防凍零下45℃的。介質(zhì)溫度為10℃左右，罐外環(huán)境溫度為晚上零下20℃左右，白天零下15℃左右。上下法蘭及毛細(xì)管無(wú)伴熱，表頭( 變送器) 及多余的毛細(xì)管在保溫箱內(nèi)且保溫箱內(nèi)有電伴熱。故障現(xiàn)象：連續(xù)幾天控制室操作盤(pán)上顯示雙法蘭液位計(jì)遠(yuǎn)傳波動(dòng)較大，但有一定規(guī)律。( 地衣天觀察發(fā)現(xiàn)：從早上8% 開(kāi)始慢慢上升，到中午達(dá)到100%，下午又降到40% 多，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)翻板也就20 多%。第二天觀察發(fā)現(xiàn)：從中午的41% 上升到下午三點(diǎn)的50%，夜間十點(diǎn)發(fā)現(xiàn)又降到43% 了，次日早上八點(diǎn)又變到60%)
故障分析與排查：
(1) 確認(rèn)工藝是否有波動(dòng)，可通過(guò)放空磁翻板液位計(jì)來(lái)確認(rèn)是否存在虛假液位。排除虛假液位后，進(jìn)一步排查儀表故障。
(2) 液位不穩(wěn)，也就是差壓不穩(wěn)，shou先考慮法蘭測(cè)量頭膜片是否有漏液。如果是負(fù)壓側(cè)法蘭漏液，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果變大；正壓側(cè)法蘭漏液，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果變小。經(jīng)檢查，上法蘭負(fù)壓室滲漏，毛細(xì)管內(nèi)硅油滲漏，導(dǎo)致液位計(jì)遠(yuǎn)傳值偏高。
(3)差壓有升有降，還要考慮到隔離液受環(huán)境溫度的影響[2]。由于是冬季，溫度低且晝夜溫差大，耐低溫硅油的密度在低溫時(shí)變化也較大。負(fù)遷移量為Δp=-(h2-h1)ρ2g，硅油熱脹冷縮，溫度升高時(shí)，硅油密度降低，負(fù)遷移量變小，對(duì)應(yīng)輸入差壓增大，輸出電流增大，所測(cè)液位變大；反之，溫度下降時(shí)，硅油密度有所升高，負(fù)遷移量變大，對(duì)應(yīng)輸入差壓信號(hào)變小，輸出電流也變小，所測(cè)液位偏低。由于差壓變送器與毛細(xì)管局部在儀表箱內(nèi)( 儀表箱內(nèi)有電伴熱受熱)，負(fù)壓側(cè)裸露在外的長(zhǎng)度要大于正壓側(cè)，儀表箱外處于環(huán)境溫度下的毛細(xì)管受熱不均，也會(huì)導(dǎo)致壓力不穩(wěn)。基于以上分析，可對(duì)雙法蘭連接處和裸露在外的毛細(xì)管增加同樣的保溫措施。
4 結(jié)語(yǔ)
雙法蘭液位計(jì)以其好特的優(yōu)勢(shì)在工藝上得到廣泛的應(yīng)用，但是在使用過(guò)程中其測(cè)量準(zhǔn)確性還是難免會(huì)受到一些因素的影響，需要結(jié)合工藝、環(huán)境溫度以及其結(jié)構(gòu)組成去分析出現(xiàn)的問(wèn)題現(xiàn)象，及時(shí)調(diào)整和修正，才能更大程度的減小液位測(cè)量誤差和不穩(wěn)定性，服務(wù)于工藝生產(chǎn)自動(dòng)化控制。
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