外測液位計在純堿企業液氨球罐上的應用

　　摘要：我公司2013年投產的純堿項目采用氨堿法純堿，氨是主要原料，常態下，氨氣為無色氣體，有刺激性惡臭，容易被液化，在升溫或降低壓力時，液氨可急劇蒸發，并吸收大量的熱。氨水有一定的腐蝕作用，碳化氨水的腐蝕性更加嚴重，容易造成管道、閥門等設備的損壞，以致氨泄露。氨能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入過多，能引起肺腫脹，以至死亡。氨氣爆炸極限16～25%(zui易引燃濃度17%)。在工業領域也有大量的應用。但是隨著液氨使用的廣泛，部分企業對于液氨的監管不到位，很容易造成許多群死群傷的事故。液氨，為國家的重大危險源之一。
　　
　　由于液氨的特性，造成液氨球罐的液位測量一直是個難題，起初我們選用的是鋼帶液位計，浮子和鋼帶易卡死，使用效果不好；后來又試了壓差液位計、磁翻板液位計和伺服液位計，使用效果都不太理想。
　　
　　一個偶然的機會，我們接觸到了西安定華公司的產品——外測液位計，該液位計安裝簡單，不開孔、不動火、不停車，非接觸式測量液位非常安全，加之采用了一系列的技術，自動校準、微振動分析，保證了儀表運行可靠、測量，一舉*解決了我們液氨球罐液位測量的難題。外測液位計使用近3年，一直非常穩定的運行著。
　　
　　關鍵詞：氨堿法、液氨、球罐、液位、測量難、外測液位計、自動校準、微振動分析；安全；環保；
　　
　　1.引言
　　
　　青海五彩堿業有限公司是一家年產 110 萬噸純堿的化工企業，公司主要生產工業用重質純堿（碳酸鈉）。重質純堿在大部分的化工企業中都有廣泛的應用行業，素有“化工之母”的稱號，在國民經濟發展中有著非常重要的作用，其產量和消費量通常被作為衡量一個國家工業發展水平的標志之一。
　　
　　在自動控制過程中，氨作為主要原料，液氨的存儲設備——液氨球罐成為制堿企業內的重要一環。液氨，常態下，氨氣為無色氣體，有刺激性惡臭，容易被液化，在升溫或降低壓力時，液氨可急劇蒸發，并吸收大量的熱。氨水有一定的腐蝕作用，碳化氨水的腐蝕性更加嚴重，容易造成管道、閥門等設備的損壞，以致氨泄露。氨能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入過多，能引起肺腫脹，以至死亡。氨氣爆炸極限 16～25%(zui易引燃濃度 17%)。
　　
　　根據*安全生產委員會《關于深入開展涉氨制冷企業液氨使用專項治理的通知》（安委[2013]6
　　
　　號）以及國家安全監管總局《關于公布*重點監管的危險化學品名錄的通知》（安監總管三[2011]95
　　
　　號）和《關于公布重點監管的危險化工工藝目錄的通知》（安監總管三[2009]116 號）要求：對使用重點監管的危險化學品數量構成重大危險源的企業的生產儲存裝置，應裝備自動化控制系統，實現對氨氣濃度、溫度、壓力、液位等重要參數的實時監測。
　　
　　液氨作為國家的重大危險源之一，液氨液位的實時監測對于化工企業的安全生產是非常重要的。液氨的存儲需帶壓和低溫，因此液氨球罐的液位測量長期以來就困擾著制堿企業，常規的液位計使用效果均不夠理想。zui初我們安裝的鋼帶液位計，由于罐內液氨的強腐蝕性，用不長時間就會造成浮子和鋼帶卡死、斷裂損壞導致不能使用，維護又需停產、清罐，非常不便，現在已經停用。后來公司又選用了差壓變送器進行輔助測量，利用上下壓力差的變化測量液位，由于容器下部的壓力計無法在罐體取壓，只能裝在罐底排污管或介質排出口上，易造成堵塞或產生負壓，達不到測量液位的目的。之后我們又試用了兩種液位計，帶遠傳的磁翻板液位計和伺服液位計，使用效果也不理想。
　　
　　液氨球罐屬于比較特殊（帶壓低溫）的容器，不便進行在罐體上開孔和動火，其他投入式液位測量儀表安裝和使用也不方便，因此液氨球罐的液位測量問題一直無法*解決，不能達到令人滿意的效果。2014年公司接觸到了西安定華ELL-FI外測液位計，聽人介紹外測液位計可以實現*非接觸測量，液位測量頭安裝在容器外就能監測罐內液體的液位高度，不受罐內壓力、溫度以及介質密度的影響。如果真能這樣，就能很好地解決公司液氨球罐液位的測量問題，我們決定有機會試試外測液位計。
　　
　　2.應用狀況
　　
　　機會說來就來，2014年4月，設計院也向我們推薦，說西安定華生產的外測液位計設計在其他單位的已經很多了，使用效果挺不錯的，于是我們選用了西安定華的ELL-FI外測液位計（見圖一）。在公司三個直徑9.2m，容積407m3的液氨球罐上試用安裝了三臺外測液位計，使用至今，儀表液位跟蹤準確，運行可靠。ELL-FI外測液位計實現了隔離測量，在罐外就能實現對罐內液氨液位的監測，而且安裝方便安全、調試簡單，無需開罐、清罐，不在罐上開孔，不動火，不停車不影響正常生產，得到了現場運行人員以及儀表維護人員的一致認可。

　　　　
　　3、外測液位計和其他幾種液位計的工作原理
　　
　　3.1 外測液位計
　　
　　ELL-FI外測液位計為智能化的現場變送器式儀表，液位測量頭吸附于儲罐底部，儀表隔爆主機安裝在被測容器附近，以4-20mA/Hart協議/Modbus現場總線/工業以太網方式進行遠傳輸出（見圖二）。

　　　　
　　3.1.1、外測液位技術的發展歷程
　　
　　“外測液位”的概念在上世紀90 年代由西安定華創始人王定華教授?提出，并發明出ELL外測液位計?。它一種利用聲納測距原理，“微振動分析”技術從容器外測量液位的儀表，無需在罐壁上開孔，不用法蘭，不接觸罐內的液體和汽體，實現了在線安裝、在線維護，是一種*非接觸式，真正外測液位的儀表（如圖三）。從為世界*出*臺外測液位儀表， 至今已經二十多年了，定華公司產品的穩定性、可靠性可以信賴，我們也向其他化工企業了解了他們，他們的服務在業界的口碑也很好。

　　　　
　　3.1.2、基本原理是聲納測距原理、 “微振動分析”技術
　　
　　3.1.2.1、聲納測距原理
　　
　　聲納測距原理是ELL外測液位計?外測液位的基礎。
　　
　　由吸附于儲罐底部的液位測量頭發射聲波，穿透罐壁在罐內液體介質內傳播，到達液面反射形成回波，回波信號到達罐底，穿透罐壁，再由液位測量頭接收返回的聲波信號，傳回主機，主機根據公式
　　
　　距離（D）=速度（S）×時間（T）計算，得出液位（如圖四）。其中
　　
　　距離（D）：我們要得到的液位高度；
　　
　　速度（S）：聲納波在液體介質內的傳播速度，不同的介質內聲納波的傳播速度不同；
　　
　　時間（T）：聲納波在液體中形成回波的時間。
　　　　
　　3.1.2.2、“微振動分析”技術
　　
　　“微振動分析”技術是西安定華的核心技術，是ELL外測液位計準確測量、可靠運行的保證。
　　
　　由于不同工況的差別，例如：不同的罐型、不同的罐內沉積程度、不同的介質特性等等，會造成吸附于罐壁外的液位測量頭接收到的回波信號不僅有液面信號，還有一些其他干擾信號，例如盲區信號、遮擋物信號等等，擁有“微振動分析”技術的ELL外測液位計會自動判斷正確的液位信號，并始終跟蹤該信號顯示準確的液位。
　　
　　“微振動分析”技術是一種強大的外測聲納信號處理技術。這種*的聲納信號處理技術是基于西安定華公司外測液位計在近千家用戶的應用經驗，在近萬套外測液位計實際使用于數百種工況下的過程中，通過對工業現場數據二十余年的海量積累，深入總結，形成*的判斷方法及算法。
　　
　　3.1.2.3、自動校準功能
　　
　　ELL外測液位計擁有“自動校準功能”，也是西安定華的 技術之一，是ELL外測液位計在任何時間都能測量的保證。
　　
　　自動校準原理：當同一種液體的液體成分、密度變化較大時，液體內聲波的傳播速度也會隨之產生變化，由此可能帶來測量誤差，為了確保儀表的測量精度，可在容器內加裝校準器，用校準測量頭1測量校準器內液柱的標準長度，標準長度是1m（如圖五），由于校準測量頭和液位測量頭的工作方式相同，我們可通過 速度（S）=距離（D）/時間（T），得到聲波在校準器內液體里的傳播速度。

　　　　
　　由于校準器內液體和容器內液體連通，因此校準器內液體溫度、成分和容器內液體一致，聲波在其中的傳播速度也相同，所以可以得到當前環境下聲波在容器內介質里準確的傳播速度。儀表會自動選用修正后的聲波傳播速度進行計算。校準器內液柱長度是標準的1m，校準器這時就相當于一把標尺，校準測量頭1不斷把通過標尺得到的結果送給CPU，CPU會根據該結果計算出液面的準確高度，這樣得出的液面高度就不會受到液體溫度和成分變化的影響。
　　
　　如果容器內無條件加裝校準器，可以校準測量頭2裝在球罐赤道位置，將容器已知的確切直徑作為標尺來實現自動校準。
　　
　　3.1.3、技術優勢
　　
　　聲吶是聲音導航與測距，是一種利用聲波在水下的傳播特性，對水下目標進行探測。它是一種液體中的測距技術，在100多年前就被應用了，發展至今“聲納測距”已經是一種非常可靠的技術了。西安定華的技術優勢是在不同波強、波長及波頻的聲波系列中找到了穿透能力zui強、抗*力的那個，經過他們20多年的現場數據積累，并加以分析和改進，目前已廣泛應用在石油、化工企業，解決了很多企業的“危化品”液位測量。
　　
　　3.2、差壓液位計
　　
　　3.2、差壓液位計差壓液位計就是通過測量高、低壓力差，計算出測量容器中的液位壓力來進行液位的測量，再由轉換部件轉換成電流信號傳送到控制室的電器元件。差壓式液位計主要用于密閉有壓容器的液位測量。上、下差力壓的液位高度的變化而變化。（如圖六）。
　　　　　　
　　3.3、鋼帶液位計
　　
　　浮力原理。它是將一個浮球或浮盤放入被測罐中，浮球或浮盤浮于液體表面，隨液面的上下移動而移動，同時帶動連接其上的鋼帶，鋼帶發生位移，計數器通過記錄鋼帶上的刻度變化來顯示液位。（如圖七）
　　
　　變送器是通過鋼帶上不同液位對應的不同孔、洞（圓孔、方孔和長短不一的長方形孔）組合判斷液位高度，并進行遠傳輸出。

　　　　
　　3.4、磁翻板液位計
　　
　　磁翻板液位計它是利用連通器原理，由主體管、浮球、翻柱顯示器和電氣部分組成。主體管是容納浮球的腔體，它通過法蘭或其他接口與容器組成一個連通器，所以腔體內的浮球會隨著容器內液面的升降而升降；在腔體的外面裝了一個翻柱顯示器（由一排鐵鉻鈷永磁片組成，一面白色，一面紅色）；浮球沉入液體與浮出部分的交界處安裝了永磁磁鋼，它與浮球隨液面升降時，它的磁性透過外殼傳遞給翻柱顯示器的磁片，推動磁片翻轉 180°，兩色交界處即是液面的高度。（如圖八）

　　　　
　　3.5、伺服液位計
　　
　　浮力原理（阿基米德原理）。并采用高精度力傳感器和高精度伺服電機系統和測量磁鼓，通過測量浮子所受浮力的增減所引起的鋼絲拉力的變化，由控制器發出指令，伺服電機以一定的步幅帶動測量磁鼓轉動，并帶動浮子不斷地跟蹤液位的變化，同時，計數器記錄了伺服電機的轉動步數，并自動地計算出測量浮子的位移量，即液位的變化量。（如圖九）

　　　　
　　4、幾種液位計特點對比
　　
　　4.1?外測液位計
　　
　　外測液位計從罐外連續、地測量罐內的液位，*不接觸罐內的液體和氣體，實現了真正的隔離測量。因此特點有以下幾點：
　　
　　、可靠、安全、環保、方便經濟、耐，在線安裝、維護無需停產，不在容器上開孔、不動火。
　　
　　4.1.3、缺點外測液位計有盲區，通常在儲罐滿量程的 8-10%。
　　
　　4.2 差壓液位計
　　
　　4.2.1、優點：
　　
　　a、抗過載和抗沖擊能力強，過載可達量程的 5 倍以上；
　　
　　b、穩定性高；
　　
　　c、溫度漂移小，產品結構*、體積小、重量輕、安裝維修簡便。
　　
　　4.2.2、缺點：
　　
　　a、氣相毛細管易堵塞；
　　
　　b、需實時測出的液體密度；
　　
　　c、安裝時需要停產、清罐，罐子開孔。
　　
　　4.3 鋼帶液位計
　　
　　4.3.1、優點：
　　
　　結構簡單、讀數直觀
　　
　　4.3.2、缺點：
　　
　　a、安裝精度要求高；
　　
　　b、導向鋼繩會隨液面波動產生磨損，導致損壞；
　　
　　c、鋼帶易卡。
　　
　　4.4、磁翻板液位計
　　
　　4.4.1、優點
　　
　　a、適用范圍廣、安裝形式多樣；
　　
　　b、耐振動，能適應液位波動大， 結構簡單，安裝方便，維護費用低。
　　
　　4.4.2、、缺點
　　
　　a、磁簧開關故障會導致出現虛假液位；
　　
　　b、底部法蘭口易被雜質堵塞，導致罐內液面和液位計腔體內液面不一致；
　　
　　c、安裝時須在罐上開法蘭孔，增加泄漏隱患；
　　
　　d、不能在線安裝。
　　
　　4.5、伺服液位計
　　
　　4.5.1、優點：
　　
　　不僅可以測量介質液位，同時還具有密度測量功能、油水界面測量功能、介質的平均密度和密度分布測量功能，精度高。
　　
　　4.5.2、缺點：
　　
　　a.當測量介質粘稠度較高，存在掛壁及粘黏的特性時，伺服液位計在測量上會存在較大的測量誤差，不太適合應用在此類介質的液位測量上。
　　
　　b.斷絲，浮子丟失。
　　
　　5、安裝要求
　　
　　5.1外測液位計
　　
　　5.1.1由于安裝在罐體外部，不需要破壞罐體結構，儀表使用很安全，既無需在罐上開孔，也不需要現場動火，只需用測量頭的強力磁環吸附在罐體上。
　　
　　5.1.2儀表主機只需要固定在現場的2寸立管即可，安裝、拆卸方便，儀表達到ExdⅡBT6、CT6級防爆，WF1級防腐，IP65、IP67級防水，*可以適合液氨球罐的現場工況。
　　
　　5.2 、差壓液位計
　　
　　提前預留法蘭孔，安裝需要引壓管連接，有一定安全風險。精度較低，需頻繁對壓力表進行標定。
　　
　　5.3、鋼帶液位計
　　
　　開孔安裝，一般用于常壓容器，安裝要求高，需要專業人員現場安裝調試。
　　
　　5.4、磁翻板液位計
　　
　　需開法蘭孔安裝，量程大（大于3米）需要多個磁翻板顯示器連接，需多開法蘭孔，增加泄露隱患；
　　
　　5.5、伺服液位計
　　
　　提前預留法蘭孔，安裝前需要在罐內裝導管，每年需要重新標定一次零點。
　　
　　6、結束語
　　
　　從2013年開始使用西安定華外測液位計到現在已經使用了近3年，由于國家規范的要求，“危化品”儲罐上需同時安裝兩種或兩種以上不同原理的液位計，所以當時液氨球罐上還裝了雷達液位計，一直對比使用（如圖十）。幾年來的使用效果相比較，外測運行更穩定，測量更，維護量更小。對公司重大危險源--液氨球罐區的穩定安全運行起到了積極的作用。

　　　　
　　注：一條趨勢線為ELL外測液位計；另一條趨勢線為雷達液位計。
　　
　　參考文獻：
　　
　　(1)石油化工自動控制設計手冊 ISBN 7-5025-2696-X
　　
　　(2)自動化儀表故障處理ISBN 7-5025-4197-7
　　
　　（3）《外測式液位計使用說明書》，作者：西安定華電子股份有限公司
　　
　　（4）《外測式液位計選型樣本》，作者：西安定華電子股份有限公司
　　
　　（5）《ELL外測液位計企業標準》，作者：西安定華電子股份有限公司
　　
　　（6）國家安全監管總局《關于公布*重點監管的危險化學品名錄的通知》（安監總管三[2011]95號）
　　
　　(7) 《關于公布重點監管的危險化工工藝目錄的通知》（安監總管三[2009]116號）
　　
　　（8）《中華人民共和國安全生產法》（中華人民共和國主席令第70號）
　　
　　（9）《危險化學品安全管理條例》（*令第344號）
　　
　　（10）《危險化學品生產企業安全生產許可證實施辦法》（國家安全監管局令第10號）