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煙氣脫硝工藝中利用差壓變送器進行液氨儲罐液位測量的介紹
發表時間：2018-11-23 ??點擊次數：1071? 技術支持：1560-1403-222
作為一種重要的化工原料，液氨的生產與儲存過程中對于液位的測量與控制是一項重要工作，液氨本身是一種有毒物質，同時在常溫常壓下極易溶于水。為了運輸及儲存便利，通常將氣態氨通過加壓或冷卻的方式得到液態氨，儲存于耐壓鋼瓶或儲罐中，儲罐內的液氨用量可通過液位檢測來監控。液氨在許多行業上應用**，比如火力發電廠、鋼鐵廠等煙氣脫硝工藝中較為常見的氨法脫硝工藝所用到的氨就可通過液氨蒸發來制備。為了幫助用戶在生產中更合理更有效更**地進行液位計的測量，結合煙氣脫硝工藝中液氨儲罐的工藝特點及液氨特性，針對液氨儲罐液位計選型，通過分析差壓式測液位原理，討論了法蘭式差壓變送器在液氨儲罐液位檢測上的應用，注意事項以及存在的問題。
1 液氨站簡介
在煙氣脫硝處理工藝中液氨站的目的是為了生產制備氣態氨，主要設備有液氨卸料壓縮機、液氨儲罐、液氨蒸發器、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋槽、廢水池及配套的泵、閥門、管路等附件（圖1）。液氨的供應由液氨槽車運送，槽車與氨儲存系統之間用鶴管卸料臂連接，利用卸料壓縮機將液氨由槽車輸入液氨儲罐內；利用液氨儲罐和液氨蒸發器之間壓差和液氨自身的重力勢能將液氨輸送到液氨蒸發器內進行蒸發產生氨氣。
圖1 液氨站工藝流程
從上述流程可以看出液氨儲罐作為液氨站的存儲設備，在液氨站中相當于一個原料中心，負責生產氣氨的原料儲存庫。按照《火力發電廠煙氣脫硝設計技術規程》規定，液氨站按火災危險乙類等級來設計，故該區域內電控設備都需要考慮防爆[1]。參考《固定式壓力容器安全技術監察規程》[3] 來選擇設備的防爆類型：液氨站的爆炸介質成分為氨，液位計的防爆型式無論是選擇本安型還是隔爆型，原則上都可以。按照規范，防爆類別為Ⅱ類（工廠用電氣設備），防爆級別為A 級，溫度組別為T1。
2 選型方案
液氨儲罐作為壓力容器，在防火、防爆和防毒上都有許多要求。按照《火力發電廠煙氣脫硝設計技術規程》，液氨儲罐通常采用的是常溫全壓力、臥式鋼結構，儲罐的設計壓力2.16 MPa，儲罐材質為低合金鋼。儲罐設有人孔、進出料管、氣體放空管、氣相平衡管、排污管以及安全釋放閥等設備，并且還需配備壓力表、測溫儀表以及液位計等安全檢測裝置。在工業過程控制中，關于液位檢測選型時一般需要考慮以下因素：1）根據測量范圍，需要考慮測量精度及測量功能選擇；2）被測介質的物理化學性質和狀態，如酸堿度、粘稠度，是否易凝固結晶和氣化等；3）操作條件的變化，如介質溫度、壓力、濃度、密度等變化；4）被測對象容器的結構、形狀、尺寸，容器內的設備附件及各種進出料管口都要考慮；5）測量儀表面對的環境，如是否存在可燃、有毒和爆炸危險，以及環境溫度高低等。
2.1 液氨儲罐特點分析
某鋼鐵廠煙氣脫硝處理工段已投入運行的液氨站建設有3 個液氨儲罐，每個儲罐的大儲存量為107 m3，結構形式均為臥式儲罐（圖2）。
圖2 液氨儲罐單體示意
本工程液氨儲罐為靜置的臥式儲罐，分析其工況可以看到：1）儲罐中液氨工作壓力為1.5 MPa，溫度為25℃，介質相對干凈，儲罐內部以氣液兩相形式存在，上部以氣相形式存在，液氨本身無腐蝕性及粘附性問題，但如遇水則會迅速吸收生成氨水，則具有腐蝕性。2）儲罐液面范圍波動不大，在測量區域內液體介質也不存在其他設備的擾動。
2.2 選型方案
根據上述液氨儲罐的工況特點，常見的幾種物位檢測儀表都能適用，如差壓式液位計、磁翻板液位計、電容式液位計以及雷達液位計（包括導波雷達液位計等）。但是液氨儲罐是壓力容器，在液位檢測上有其特別要求。根據《固定式壓力容器安全技術監察規程》中的規定：用于易爆、毒性程度為極度、高度危害介質的液化氣體壓力容器上，有防止泄漏的保護裝置。要符合這一要求的液位檢測方案就相對有限。由于本工程儲罐體積較大，采用了2 種方案來檢測其液位：針對現場顯示用的液位采用了磁翻板液位計（現場液位計口），而需要信號遠傳控制室的液位檢測采用了法蘭式差壓變送器來測量（遠傳液位計口）。這兩種方案都有防止泄漏的隔離保護裝置，詳見圖3。
圖3 磁翻板液位計及法蘭式差壓變送器
從圖3 中可以看到如果要檢修維護液位計，可以通過關斷一次閥門，保證檢修維護的時候不會有液氨泄漏。
由圖2 中所示，右側兩個液位計開孔，安裝為磁翻板液位計，現場指示用。而圖中在左側設置2 孔，安裝為法蘭式差壓變送器。但安裝位置并不是**的，磁翻板液位計以及法蘭式差壓變送器安裝位置是根據現場工況布置來決定。磁翻板液位計作為現場指示液位用，是要安裝在朝向卸氨區現場操作人員能直接觀察到的位置。
本工程之所以選擇法蘭式差壓變送器作為液氨儲罐集中控制的液位計，主要是考慮到出法蘭式差壓變送器安裝上有一次閥門，可以起到隔離、安全的防護作用。這點尤為重要，因為液氨站屬于1 個防爆區域，液位計除了本身需要考慮防爆以外，還需要考慮與工藝管道設備連接處的密封安全措施，確保無泄漏。如果選擇頂部安裝的非接觸式的液位計，比如雷達液位計（圖4）。則會因為與罐體設備連接之間沒有任何隔離措施，當液位計需要檢修維護時，無法在生產正常運行時進行拆卸。一旦要對液位計進行檢修維護，只能在儲罐內液氨全部卸完，并且利用氮氣置換確保儲罐內無液氨及氨氣存在，才能進行拆卸，這樣做會影響正常工藝生產。而選擇法蘭式差壓變送器，當變送器需要檢修維護時，可以通過關斷一次閥門，拆裝變送器，而不必考慮拆裝過程中，伴隨著液氨外泄的情況，因此不會影響到系統的正常運行。
圖4 雷達液位計安裝
3 安裝注意事項
法蘭式差壓變送器在安裝過程中需要注意的事項如下。
3.1 安裝位置的選擇
差壓式測液位的原理主要是根據公式(1)得出：
△P=ρgh （1）
式中：△P 表示差壓，ρ 表示介質密度，g 表示重力加速度，h 代表高度。如果ρ 這個值相對不變，只要知道△P 的值，就可以得到需要的高度值。本工程中法蘭式差壓變送器采用的是雙法蘭式差壓變送器，存在3 種安裝方式，如圖5[4]：
圖5 雙法蘭差壓變送器安裝位置
3 種安裝位置是一樣的，其量程和遷移量分析計算如下：
1）量程計算。以變送器安裝在兩法蘭中間位置為例，當液面高時，法蘭變送器高壓側壓力P1=（H1+H2）ρ 介g+P0－H1ρ0g。其中，ρ 介為被測介質的密度；ρ0為變送器膜盒內填充液的密度，P0為容器內的壓力；g 為重力加速度。當液面低時， 法蘭變送器高壓側壓力P2=－H1ρ0g+P0，于是變送器量程△P=P1－P2=（H1+H2）ρ 介g=H0 ρ 介g。同樣方法可以證明，變送器安裝在2 個法蘭上面和下面的量程也是H0ρ 介g。2）零點遷移量計算。仍以變送器安裝在兩法蘭中間為例， 當液面低時， 法蘭變送器高壓側壓力為P2=－H1ρ0g+P0 ， 法蘭變送器低壓側壓力P3=H2ρ0g+ P0，于是變送器的遷移量Z=P2－P3=－（H1+H2）ρ0g=－H0ρ0g。同樣方法可以證明，變送器安裝在2 個法蘭上面和下面的遷移量也是一樣的。
綜上，變送器無論是安裝在2 個法蘭上面、中間或下面的遷移量和量程是一樣的。但3 種安裝位置，變送器所受的靜壓不同。當液位低時，變送器高低壓側所受的靜壓P2（高壓側）和P3（低壓側）分別如下: 變送器安裝在下面位置時，P2=H1 ρ0 g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 變送器安裝在中間位置時，P2=－H1ρ0g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 變送器安裝在上面位置時，P2=－H1ρ0g+P0；P3=－H2ρ0g+P0。若P0=0，則變送器安裝在2 個法蘭下面時，P2和P3均為正壓；變送器安裝在中間位置時，P2為負壓和P3為正壓；安裝在2 個法蘭上面時，P2和P3均為負壓。如果變送器工作在負壓狀態，并超過了它的允許負壓值，則填充液會汽化，隔離膜片會外鼓，從而引起測量不準，甚至造成儀表損壞。如果容器內的壓力較高，即P0大于H1ρ0g 和H2ρ0g，則變送器裝在什么位置都可以，其高低壓側都不會出現負壓。但是容器內總有空罐沒有壓力，甚至有時候會抽空，出現P0為負的時候，因此法蘭變送器的正確安裝位置一定要裝在2 個法蘭下面，只有這樣，才能避免出現負壓，確保正確測量。通過以上分析，可以看到選擇*先種安裝方式是佳方式。
3.2 安裝件的選擇
1）關于一次閥門選擇需要注意的是，不能采用蝶閥。否則，閥板在打開過程中，會觸碰到隔離法蘭膜片，影響測量準確性，甚至可能損壞膜片。隔離法蘭膜片一旦受損，整個變送器也會隨之報廢。
2）緊固件的選擇，主要是墊片的選擇。從圖3 中可以看到，隔離法蘭與一次閥門法蘭連接，一次閥門法蘭與儲罐法蘭之間連接緊固時需要采用墊片，而這種墊片必須選擇金屬纏繞石墨墊片，以為此類墊片在高壓情況下，密封性能好，適用于液氨儲罐這種密封等級要求很高的地方。另外，膜片在安裝緊固的過程中千萬不能讓墊片壓到膜片，否則影響測量。
4 存在的問題
法蘭式差壓變送器雖有其優點，但也存在一些問題，例如由于環境溫度影響，毛細管的內的硅油密度也會受到影響，從而會引起測量誤差。另外，毛細管的長度在滿足安裝要求的情況下應盡量選擇短的。一般大型液氨儲罐都要求設置兩種類型的液位計，本身隨液氨儲罐生產廠商設備會配套磁翻板液位計，只做就地顯示用。而利用法蘭式差壓變送器來檢測液位，有時還需要利用磁翻板液位計的示值來驗證其測量值是否相對準確。另外，還需特別說明的是，差壓式液位檢測是基于介質密度相對穩定的情況。儲罐中的液氨比重隨環境溫度變化會產生微小的變化，相對工業過程控制來說可以忽略不計，不過多少還是影響了液位測量的精確性。
5 結束語
任何檢測儀表都不可能做到完美，特別是在工業過程控制中，面對復雜多變的工況，只有從全面綜合的角度出發選出合適的。本文闡述的法蘭式差壓變送器作為液氨儲罐液位計，同樣存在很多不足，但液氨作為一種可燃有毒物質，在選擇其儲罐液位計時，有必要更多的從安全維護角度上去考慮。
上一條：實現磁翻板液位計正確選型要了解的7個參數要求
下一條：造成磁翻板液位計浮子不穩定情況的三方面因素分析
1 液氨站簡介
在煙氣脫硝處理工藝中液氨站的目的是為了生產制備氣態氨，主要設備有液氨卸料壓縮機、液氨儲罐、液氨蒸發器、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋槽、廢水池及配套的泵、閥門、管路等附件（圖1）。液氨的供應由液氨槽車運送，槽車與氨儲存系統之間用鶴管卸料臂連接，利用卸料壓縮機將液氨由槽車輸入液氨儲罐內；利用液氨儲罐和液氨蒸發器之間壓差和液氨自身的重力勢能將液氨輸送到液氨蒸發器內進行蒸發產生氨氣。
從上述流程可以看出液氨儲罐作為液氨站的存儲設備，在液氨站中相當于一個原料中心，負責生產氣氨的原料儲存庫。按照《火力發電廠煙氣脫硝設計技術規程》規定，液氨站按火災危險乙類等級來設計，故該區域內電控設備都需要考慮防爆[1]。參考《固定式壓力容器安全技術監察規程》[3] 來選擇設備的防爆類型：液氨站的爆炸介質成分為氨，液位計的防爆型式無論是選擇本安型還是隔爆型，原則上都可以。按照規范，防爆類別為Ⅱ類（工廠用電氣設備），防爆級別為A 級，溫度組別為T1。
2 選型方案
液氨儲罐作為壓力容器，在防火、防爆和防毒上都有許多要求。按照《火力發電廠煙氣脫硝設計技術規程》，液氨儲罐通常采用的是常溫全壓力、臥式鋼結構，儲罐的設計壓力2.16 MPa，儲罐材質為低合金鋼。儲罐設有人孔、進出料管、氣體放空管、氣相平衡管、排污管以及安全釋放閥等設備，并且還需配備壓力表、測溫儀表以及液位計等安全檢測裝置。在工業過程控制中，關于液位檢測選型時一般需要考慮以下因素：1）根據測量范圍，需要考慮測量精度及測量功能選擇；2）被測介質的物理化學性質和狀態，如酸堿度、粘稠度，是否易凝固結晶和氣化等；3）操作條件的變化，如介質溫度、壓力、濃度、密度等變化；4）被測對象容器的結構、形狀、尺寸，容器內的設備附件及各種進出料管口都要考慮；5）測量儀表面對的環境，如是否存在可燃、有毒和爆炸危險，以及環境溫度高低等。
2.1 液氨儲罐特點分析
某鋼鐵廠煙氣脫硝處理工段已投入運行的液氨站建設有3 個液氨儲罐，每個儲罐的大儲存量為107 m3，結構形式均為臥式儲罐（圖2）。
本工程液氨儲罐為靜置的臥式儲罐，分析其工況可以看到：1）儲罐中液氨工作壓力為1.5 MPa，溫度為25℃，介質相對干凈，儲罐內部以氣液兩相形式存在，上部以氣相形式存在，液氨本身無腐蝕性及粘附性問題，但如遇水則會迅速吸收生成氨水，則具有腐蝕性。2）儲罐液面范圍波動不大，在測量區域內液體介質也不存在其他設備的擾動。
2.2 選型方案
根據上述液氨儲罐的工況特點，常見的幾種物位檢測儀表都能適用，如差壓式液位計、磁翻板液位計、電容式液位計以及雷達液位計（包括導波雷達液位計等）。但是液氨儲罐是壓力容器，在液位檢測上有其特別要求。根據《固定式壓力容器安全技術監察規程》中的規定：用于易爆、毒性程度為極度、高度危害介質的液化氣體壓力容器上，有防止泄漏的保護裝置。要符合這一要求的液位檢測方案就相對有限。由于本工程儲罐體積較大，采用了2 種方案來檢測其液位：針對現場顯示用的液位采用了磁翻板液位計（現場液位計口），而需要信號遠傳控制室的液位檢測采用了法蘭式差壓變送器來測量（遠傳液位計口）。這兩種方案都有防止泄漏的隔離保護裝置，詳見圖3。
從圖3 中可以看到如果要檢修維護液位計，可以通過關斷一次閥門，保證檢修維護的時候不會有液氨泄漏。
由圖2 中所示，右側兩個液位計開孔，安裝為磁翻板液位計，現場指示用。而圖中在左側設置2 孔，安裝為法蘭式差壓變送器。但安裝位置并不是**的，磁翻板液位計以及法蘭式差壓變送器安裝位置是根據現場工況布置來決定。磁翻板液位計作為現場指示液位用，是要安裝在朝向卸氨區現場操作人員能直接觀察到的位置。
本工程之所以選擇法蘭式差壓變送器作為液氨儲罐集中控制的液位計，主要是考慮到出法蘭式差壓變送器安裝上有一次閥門，可以起到隔離、安全的防護作用。這點尤為重要，因為液氨站屬于1 個防爆區域，液位計除了本身需要考慮防爆以外，還需要考慮與工藝管道設備連接處的密封安全措施，確保無泄漏。如果選擇頂部安裝的非接觸式的液位計，比如雷達液位計（圖4）。則會因為與罐體設備連接之間沒有任何隔離措施，當液位計需要檢修維護時，無法在生產正常運行時進行拆卸。一旦要對液位計進行檢修維護，只能在儲罐內液氨全部卸完，并且利用氮氣置換確保儲罐內無液氨及氨氣存在，才能進行拆卸，這樣做會影響正常工藝生產。而選擇法蘭式差壓變送器，當變送器需要檢修維護時，可以通過關斷一次閥門，拆裝變送器，而不必考慮拆裝過程中，伴隨著液氨外泄的情況，因此不會影響到系統的正常運行。
3 安裝注意事項
法蘭式差壓變送器在安裝過程中需要注意的事項如下。
3.1 安裝位置的選擇
差壓式測液位的原理主要是根據公式(1)得出：
△P=ρgh （1）
式中：△P 表示差壓，ρ 表示介質密度，g 表示重力加速度，h 代表高度。如果ρ 這個值相對不變，只要知道△P 的值，就可以得到需要的高度值。本工程中法蘭式差壓變送器采用的是雙法蘭式差壓變送器，存在3 種安裝方式，如圖5[4]：
3 種安裝位置是一樣的，其量程和遷移量分析計算如下：
1）量程計算。以變送器安裝在兩法蘭中間位置為例，當液面高時，法蘭變送器高壓側壓力P1=（H1+H2）ρ 介g+P0－H1ρ0g。其中，ρ 介為被測介質的密度；ρ0為變送器膜盒內填充液的密度，P0為容器內的壓力；g 為重力加速度。當液面低時， 法蘭變送器高壓側壓力P2=－H1ρ0g+P0，于是變送器量程△P=P1－P2=（H1+H2）ρ 介g=H0 ρ 介g。同樣方法可以證明，變送器安裝在2 個法蘭上面和下面的量程也是H0ρ 介g。2）零點遷移量計算。仍以變送器安裝在兩法蘭中間為例， 當液面低時， 法蘭變送器高壓側壓力為P2=－H1ρ0g+P0 ， 法蘭變送器低壓側壓力P3=H2ρ0g+ P0，于是變送器的遷移量Z=P2－P3=－（H1+H2）ρ0g=－H0ρ0g。同樣方法可以證明，變送器安裝在2 個法蘭上面和下面的遷移量也是一樣的。
綜上，變送器無論是安裝在2 個法蘭上面、中間或下面的遷移量和量程是一樣的。但3 種安裝位置，變送器所受的靜壓不同。當液位低時，變送器高低壓側所受的靜壓P2（高壓側）和P3（低壓側）分別如下: 變送器安裝在下面位置時，P2=H1 ρ0 g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 變送器安裝在中間位置時，P2=－H1ρ0g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 變送器安裝在上面位置時，P2=－H1ρ0g+P0；P3=－H2ρ0g+P0。若P0=0，則變送器安裝在2 個法蘭下面時，P2和P3均為正壓；變送器安裝在中間位置時，P2為負壓和P3為正壓；安裝在2 個法蘭上面時，P2和P3均為負壓。如果變送器工作在負壓狀態，并超過了它的允許負壓值，則填充液會汽化，隔離膜片會外鼓，從而引起測量不準，甚至造成儀表損壞。如果容器內的壓力較高，即P0大于H1ρ0g 和H2ρ0g，則變送器裝在什么位置都可以，其高低壓側都不會出現負壓。但是容器內總有空罐沒有壓力，甚至有時候會抽空，出現P0為負的時候，因此法蘭變送器的正確安裝位置一定要裝在2 個法蘭下面，只有這樣，才能避免出現負壓，確保正確測量。通過以上分析，可以看到選擇*先種安裝方式是佳方式。
3.2 安裝件的選擇
1）關于一次閥門選擇需要注意的是，不能采用蝶閥。否則，閥板在打開過程中，會觸碰到隔離法蘭膜片，影響測量準確性，甚至可能損壞膜片。隔離法蘭膜片一旦受損，整個變送器也會隨之報廢。
2）緊固件的選擇，主要是墊片的選擇。從圖3 中可以看到，隔離法蘭與一次閥門法蘭連接，一次閥門法蘭與儲罐法蘭之間連接緊固時需要采用墊片，而這種墊片必須選擇金屬纏繞石墨墊片，以為此類墊片在高壓情況下，密封性能好，適用于液氨儲罐這種密封等級要求很高的地方。另外，膜片在安裝緊固的過程中千萬不能讓墊片壓到膜片，否則影響測量。
4 存在的問題
法蘭式差壓變送器雖有其優點，但也存在一些問題，例如由于環境溫度影響，毛細管的內的硅油密度也會受到影響，從而會引起測量誤差。另外，毛細管的長度在滿足安裝要求的情況下應盡量選擇短的。一般大型液氨儲罐都要求設置兩種類型的液位計，本身隨液氨儲罐生產廠商設備會配套磁翻板液位計，只做就地顯示用。而利用法蘭式差壓變送器來檢測液位，有時還需要利用磁翻板液位計的示值來驗證其測量值是否相對準確。另外，還需特別說明的是，差壓式液位檢測是基于介質密度相對穩定的情況。儲罐中的液氨比重隨環境溫度變化會產生微小的變化，相對工業過程控制來說可以忽略不計，不過多少還是影響了液位測量的精確性。
5 結束語
任何檢測儀表都不可能做到完美，特別是在工業過程控制中，面對復雜多變的工況，只有從全面綜合的角度出發選出合適的。本文闡述的法蘭式差壓變送器作為液氨儲罐液位計，同樣存在很多不足，但液氨作為一種可燃有毒物質，在選擇其儲罐液位計時，有必要更多的從安全維護角度上去考慮。
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