內(nèi)浮頂甲醇儲罐液位計的選型

李明亮

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢　430223)

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內(nèi)浮頂甲醇儲罐液位計的選型

李明亮

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：在化工生產(chǎn)過程中，液位計的使用非常廣泛。在某些特殊場合，選擇一款合適的液位計，對液位的精確測量顯得至關(guān)重要。結(jié)合某乙二醇項目中內(nèi)浮頂甲醇儲罐液位計的應(yīng)用選型，分析了幾種常用液位計在內(nèi)浮頂儲罐的應(yīng)用情況及其優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：液位計；內(nèi)浮頂儲罐；精確測量；甲醇

液位測量儀表種類繁多，測量方法也多種多樣。液位測量儀表包括：直接式液位測量儀表、差壓式液位測量儀表、浮力式液位測量儀表、電氣式液位測量儀表、超聲波式液位測量儀表、雷達液位計、放射性液位計等。筆者以某乙二醇甲醇儲罐工序為例，介紹內(nèi)浮頂甲醇儲罐上液位計的選型。

該項目采用合成氣制乙二醇的工藝技術(shù)，其中甲醇液體在乙二醇的整個生產(chǎn)過程中起著非常重要的作用。一方面，它是乙二醇合成反應(yīng)的重要中間原料；另一方面，它是合成氣凈化的重要洗滌原料(低溫甲醇洗)。故此，對甲醇儲罐的液位測量不可或缺，它決定著整個成品生產(chǎn)的控制管理。

1甲醇儲罐工況

甲醇儲罐內(nèi)介質(zhì)為精甲醇液體，甲醇又稱“木醇”或“木精”，是一種無色、有酒精氣味、易揮發(fā)的液體。為了減少儲罐內(nèi)甲醇液體的揮發(fā)損失，將其罐體設(shè)計為帶內(nèi)浮頂?shù)牧⑹絻轠1]。GB 50341—2014[2]《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》明確指出：“內(nèi)浮頂在全行程上應(yīng)能無阻礙地正常運行，在升降和靜止時應(yīng)處于水平漂浮狀態(tài)。”由于內(nèi)浮頂漂浮在液面上，對液位的測量有一定的特殊性，因此選擇一款能適應(yīng)于內(nèi)浮頂儲罐的液位計顯得很重要。

內(nèi)浮頂儲罐工藝參數(shù)：操作溫度為40 ℃，操作壓力為1.5 kPa(g)，操作密度為775kg/ m3，液位范圍為1 000～10 200 mm。

2儲罐上常用的液位測量儀表

HG/T 20507—2014[3]《物位儀表》明確指出：“液位和界面測量宜選用差壓式儀表，當(dāng)不滿足要求時，可選用電容式、射頻導(dǎo)納式、雷達式、電阻式(電接觸式)、聲波式、浮筒式儀表、浮子式儀表(浮子式儀表包括伺服式、鋼帶式、磁致伸縮式、磁性浮子式、杠桿式)、靜壓式、核輻射式、外測式等儀表”。鑒于被測對象的特殊性，筆者主要介紹差壓式液位計、雷達式液位計、鋼帶式液位計以及伺服式液位計在該特定場合的選型設(shè)計及各儀表的優(yōu)缺點。

文獻[4]提出了內(nèi)浮頂油罐假液位的現(xiàn)象，即內(nèi)浮盤浮于液面上，根據(jù)浮力原理，會造成液位的升高，液位計不經(jīng)修正直接測得的液位即為假液位。實際上，內(nèi)浮頂儲罐所有液位測量均存在該現(xiàn)象。這就需要人為對液位計測量值進行修正，以規(guī)避假液位，本文所述的幾種液位測量亦是如此。

2.1差壓式液位測量2.1.1常規(guī)差壓式液位測量

常規(guī)差壓式液位測量方法是基于靜壓式的測量原理(見圖1)，將液位的檢測轉(zhuǎn)換為靜壓力測量。設(shè)容器上部空間的氣體壓力為pA，選定的零液位處壓力為pB，則自零液位至液面的液柱高H所產(chǎn)生的靜壓差Δp可表示為：

Δp=pB-pA=Hρg

(1)

式中，ρ為被測介質(zhì)密度，g為重力加速度。

圖1　常規(guī)差壓式液位測量原理

當(dāng)被測介質(zhì)密度不變時，測量差壓值Δp，由公式(2)即可得知液位。

(2)

2.1.2內(nèi)浮頂儲罐差壓式液位測量

對于內(nèi)浮頂儲罐液位測量，由于液面上漂浮一浮盤，用差壓法測量液位應(yīng)考慮浮盤重力的影響，內(nèi)浮頂儲罐差壓式液位測量原理見圖2。設(shè)浮盤的質(zhì)量為M，面積為S，則浮盤對上液面產(chǎn)生的壓力p盤可表示為：

(3)

式中，g為重力加速度。

圖2　帶內(nèi)浮頂儲罐差壓式液位測量原理

同理，設(shè)容器上部空間的氣體壓力為pA，選定的零液位處壓力為pB，則自零液位至液面的液柱高H所產(chǎn)生的靜壓差Δp可表示為：

Δp=pB-pA-p盤=Hρg

(4)

式中，ρ為被測介質(zhì)密度，g為重力加速度。

當(dāng)被測介質(zhì)密度不變時，測量差壓值Δp，由公式(5)即可得知液位。

(5)

2.1.3選型思考

本項目甲醇儲罐操作壓力為1.5 kPa(g)，有微小的正壓。同時，儲罐為帶內(nèi)浮頂?shù)膬?，?yīng)考慮浮盤重力對液位測量的影響。使用差壓法測量帶內(nèi)浮頂?shù)膬抟何?，?yīng)修正內(nèi)浮頂重力的影響，見公式(4)。實際操作中一般是對差壓變送器進行一個遷移。用差壓變送器測量內(nèi)浮頂儲罐液位的原理見圖3。

圖3　差壓法測量帶內(nèi)浮頂儲罐液位的原理

內(nèi)浮頂儲罐內(nèi)浮盤有一個機械下降最低位置，在此位置內(nèi)浮盤距罐底還有一定的高度(不同的設(shè)備廠家此高度不一樣)，在工程實際應(yīng)用中工藝最低液位應(yīng)高于此位置。本文研究均以此種情況為前提，在該情況下，差壓變送器正壓側(cè)接口中心應(yīng)認為是液位最低值，差壓變送器負壓側(cè)接口應(yīng)高于浮盤上升的最高點。

內(nèi)浮頂儲罐差壓法液位測量優(yōu)缺點如下：①優(yōu)點：測量原理簡單，安裝方便，投資小，后期維護量??；②缺點：需對設(shè)備進行上、下接口的開孔以安裝儀表。

對于甲醇介質(zhì)，儀表與介質(zhì)接觸部分材料選擇普通的316材質(zhì)即可。

2.2雷達液位計測量內(nèi)浮頂儲罐液位

2.2.1測量原理

雷達液位計是利用超高頻電磁波經(jīng)天線向被探測容器的液面發(fā)射，當(dāng)電磁波碰到液面后反射回來，儀表檢測發(fā)射波及回波的時差，從而計算出液面高度。

2.2.2選型思考

雷達液位計測量內(nèi)浮頂儲罐液位，目前常用的有兩種方法：①不設(shè)置導(dǎo)向管的液位測量；②設(shè)置導(dǎo)向管的液位測量。兩種方法均須進行假液位修正。

對于第1種方法，雷達液位計直接安裝在罐頂，通過發(fā)射電磁波打在內(nèi)浮頂儲罐內(nèi)浮盤上表面，雷達液位計接收浮盤上表面反射的回波來計算漂浮在液面上的浮盤的高度。該種方法的優(yōu)缺點如下。

(1)優(yōu)點：安裝簡單、省時、省力、省錢。

(2)缺點：①由于電磁波是從內(nèi)浮盤返回接收，實際測量的是浮盤的高度而非液面的高度，需要知道浮盤的厚度從而減掉浮盤厚度以獲得液面的高度；②內(nèi)浮盤表面不平整或有角度會使雷達波反射偏離接收區(qū)域，引起測量誤差，為避免此方面的干擾，現(xiàn)場需考慮在浮盤表面加設(shè)合適的反射裝置，反射裝置的反射強度及防腐蝕問題應(yīng)滿足儀表的要求，一般來說可選用不銹鋼材質(zhì)；③由于無導(dǎo)向管的設(shè)計，儲罐內(nèi)甲醇會不可避免地揮發(fā)，蒸汽會對雷達液位計發(fā)射的電磁波產(chǎn)生干擾。另一方面，揮發(fā)的甲醇蒸汽會在雷達液位計喇叭口天線處形成冷凝液，對測量產(chǎn)生影響，需要定期對喇叭口天線進行維護。

對于第2種方法，通過由罐頂至罐底設(shè)置導(dǎo)向管貫穿內(nèi)浮盤，雷達液位計選擇帶導(dǎo)波管的液位計，導(dǎo)波管置于導(dǎo)向管內(nèi)，發(fā)射的電磁波可以直接打在液面上由導(dǎo)波管傳回接收裝置，從而測得液面的高度。為使雷達液位計獲得單一的液面返回的電磁波，避免罐底返回電磁波的干擾，需在導(dǎo)向管底部加設(shè)一個45°的反射板，去掉罐底反射回來的信號。該種方法的優(yōu)缺點如下。

(1)優(yōu)點：①可以測得液面高度，避免方法1的3個缺點；②采用帶導(dǎo)波管的導(dǎo)波雷達，可以避免甲醇介質(zhì)低介電常數(shù)[7]對測量的影響；③導(dǎo)波雷達的設(shè)置能將外界的干擾降到最低。

(2)缺點：①安裝相對復(fù)雜，投資成本高；②內(nèi)浮盤開孔后應(yīng)考慮導(dǎo)向管外壁與浮盤開孔處的密封。有一種密封方法是采用彈性材料密封結(jié)構(gòu)，在丁腈橡膠密封袋中填充梯形截面積的聚氨酯軟泡沫塑料，依靠泡沫塑料的壓縮變形來實現(xiàn)密封。密封材料中還設(shè)固定鉤板，其目的是為了固定密封膠袋位置，防止泡沫塑料在浮盤下降時往上翻。在實際應(yīng)用項目中，設(shè)計人員需向內(nèi)浮盤設(shè)計供貨廠家提出密封要求，廠家根據(jù)實際情況選擇成熟、可靠的密封技術(shù)。

對于方法2，與介質(zhì)接觸部分的導(dǎo)向管、雷達導(dǎo)波管材料可選擇316材質(zhì)。

2.3鋼帶式液位計測量內(nèi)浮頂儲罐液位

2.3.1測量原理

鋼帶液位計是一種傳統(tǒng)的液位計，它是利用力學(xué)平衡原理設(shè)計制作的，由液位檢測裝置、高精度位移傳動系統(tǒng)、恒力裝置、顯示裝置、變送器裝置以及其他外設(shè)構(gòu)成。鋼帶液位計浸在被測液體中的浮子受到重力、浮力和恒力裝置產(chǎn)生的恒定拉力的作用，當(dāng)3個力的矢量和等于0時，浮子處于準(zhǔn)平衡靜止?fàn)顟B(tài)。隨著液位的上升、下降，浮子不斷達到新的平衡，檢測裝置指示表指示出液位值，其變送器發(fā)出正比于液位的信號。

2.3.2選型思考

鋼帶液位計應(yīng)用在內(nèi)浮頂儲罐液位測量，在進行假液位修正的前提下，理論上也有兩種測量方法：方法1是對內(nèi)浮盤開孔，浮子浮于液面上進行測量；方法2是對浮盤不開孔直接測量浮盤高度。由于方法1需對浮盤開孔，后續(xù)的施工、安裝較為繁瑣，儀表的維護也較為困難，本文對此方法不予探討，僅對方法2進行闡述。第2種方法，可以取消浮子而將測量鋼絲直接固定于內(nèi)浮盤表面。這樣，常規(guī)測量原理的三力平衡演變?yōu)槎ζ胶猓锤”P對測量鋼絲的拉力與液位計恒力裝置預(yù)緊力達到平衡，隨著浮盤的上升、下降，液位計指示出浮盤的相應(yīng)高度。在常規(guī)的鋼帶浮子液位測量中，需要用導(dǎo)向鋼索對浮子進行導(dǎo)向固定。此處，測量鋼絲直接固定于內(nèi)浮盤表面，原則上可以避免導(dǎo)向鋼索的使用以及相應(yīng)的內(nèi)浮盤的開孔。

該種方法的優(yōu)缺點如下。

(1)優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、量程范圍大；②測量鋼絲直接固定于內(nèi)浮盤表面，可以避免浮子、導(dǎo)向鋼索的使用及內(nèi)浮盤的開孔；③安裝、施工簡單方便。

(2)缺點：①測量精度不高、機械裝置復(fù)雜，冬季易凍；②鋼帶導(dǎo)輪、變送機構(gòu)易受介質(zhì)腐蝕導(dǎo)致卡澀，維護量大；③浮子固定于浮盤表面實際所測得的是浮盤的高度而非液面的高度，需要知道浮盤的厚度從而減掉浮盤厚度以獲得液面的高度。

鋼帶及導(dǎo)向滑輪裝置材料應(yīng)耐腐蝕，其他性能應(yīng)能保證整個機械裝置傳動可靠，不影響測量的準(zhǔn)確性，根據(jù)廠家的應(yīng)用經(jīng)驗選擇合適的材料。

2.4伺服液位計測量內(nèi)浮頂儲罐液位

伺服液位計作為浮子式液位計的一種，是一種多功能測量儀表，既可以測量液位，也可以測量界面、密度和溫度等參數(shù)，一直廣泛地用于大型儲罐的液位高精度測量，本文主要介紹其液位功能(已人為修正假液位)。

2.4.1測量原理

伺服液位計的測量原理見圖4。將一根測量鋼絲吊著浮子浸入被測液體表面下一定深度，此時浮子受到浮子本身重力、測量鋼絲拉力以及被測液體的浮力作用而達到一個動態(tài)平衡[6]。當(dāng)液面上升或下降時，測量浮子所受浮力也相應(yīng)發(fā)生變化，同時引起測量鋼絲上的拉力也發(fā)生變化，力傳感器檢測到這一變化，使控制器發(fā)出動作命令，驅(qū)動伺服電機帶動測量磁鼓順(逆)時針轉(zhuǎn)動，伺服電機以固定步幅動作，測量磁鼓放下或拉卷測量鋼絲使測量浮子不斷地跟蹤液面的變化，內(nèi)部計數(shù)器記錄了伺服電機的動作步數(shù)，并自動地計算出測量浮子的位移量，即液位的變化量。

圖4　伺服液位計測量原理

2.4.2伺服電機系統(tǒng)(精確定位原理)

伺服液位計的核心部件為伺服電機系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位決定了該液位計的高精度測量。伺服主要靠脈沖來定位，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移。因為伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖。這樣，和伺服電機接收到的脈沖形成了呼應(yīng)(或者叫閉環(huán))，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來。所以，就能很精確地控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確地定位(可以達到0.001 mm的精確度)。正是因為伺服電機系統(tǒng)的高精度定位性能，所以也保證了伺服液位計有很高的測量精度。

2.4.3選型思考

伺服液位計應(yīng)用于內(nèi)浮頂儲罐的液位測量，為了對伺服液位計的測量鋼絲和浮子進行導(dǎo)向和保護，一般需要儀表專業(yè)提條件，設(shè)備專業(yè)設(shè)計一根由罐頂(伸出罐頂外壁)至罐底貫穿內(nèi)浮盤的DN200導(dǎo)向管，導(dǎo)向管于罐頂和罐底處固定，伺服液位計本體通過DN200的法蘭固定于伸出罐頂外壁的導(dǎo)向管上，法蘭的耐壓等級需確認。另外，為了檢修的需要，應(yīng)在罐和液位計之間安裝一個合適的球閥，球閥的最大開度必須保證能使浮子順利通過。

為了保證伺服液位計的正常工作及測量的準(zhǔn)確性，導(dǎo)向管的設(shè)計安裝應(yīng)滿足如下要求：①導(dǎo)向管每隔300 mm對向開孔一對，孔徑為25 mm，導(dǎo)向管的開孔必須從底部一直開孔到導(dǎo)向管的頂部；②穩(wěn)液管必須豎直，偏心度不超過3 mm。否則液位計可能無法正常工作；③穩(wěn)液管如果是由多節(jié)無縫鋼管焊接構(gòu)成，則不得存在變徑和彎曲，焊接必須使用套焊；④穩(wěn)液管內(nèi)部必須光滑沒有毛刺，焊縫隙必須清除干凈，開孔后必須將毛刺清潔干凈；⑤導(dǎo)向管與內(nèi)浮盤的開孔處應(yīng)滿足浮盤能夠無障礙、自由地上下運動的需求；⑥導(dǎo)向管底部要安裝喇叭口，防止浮子卡在外面無法回收。

伺服液位計在此處應(yīng)用的優(yōu)缺點如下。

(1)優(yōu)點：①高精度、高穩(wěn)定性、寬量程;②由于有導(dǎo)向管，測得的液面值無需對測量值進行浮盤厚度修正;③在安裝、使用得當(dāng)?shù)那闆r下，后期維護及調(diào)校量小。

(2)缺點：①安裝相對復(fù)雜，投資成本高;②與帶導(dǎo)向管雷達液位計情況類似，導(dǎo)向管需在內(nèi)浮盤上貫穿開孔，為不阻礙內(nèi)浮盤的上升、下降以及便于開孔后的密封，DN200的導(dǎo)向管建議在內(nèi)浮盤上開孔,大小為DN300～DN400。密封措施參照雷達液位計導(dǎo)向管開孔密封或依據(jù)廠家的成熟密封專利技術(shù);③導(dǎo)向管的安裝、施工要求較為嚴(yán)苛。

與介質(zhì)接觸部分的導(dǎo)向管最低選材應(yīng)為316材質(zhì)，儀表本體及機械部件材質(zhì)應(yīng)能滿足耐腐蝕要求及儀表的標(biāo)準(zhǔn)配置要求。

3幾種液位計的集中比較

綜上所述，針對內(nèi)浮頂甲醇儲罐液位計的選型，筆者分別闡述了幾種液位計在該特定場合的設(shè)計選型情況。為獲得對幾種液位計的認識，對其進行了比較，結(jié)果見表1。

表1　幾種液位計在帶內(nèi)浮頂甲醇儲罐應(yīng)用的特點比較

續(xù)表

4結(jié)語

眾所周知，液位計的選型受各種條件影響，包括現(xiàn)場環(huán)境、使用工況、施工安裝情況以及后期維護等影響，沒有哪一款液位計可以在實際應(yīng)用中達到屢試不爽的效果。本文所闡述的帶內(nèi)浮頂儲罐的液位計選型設(shè)計亦是如此， 由于受內(nèi)浮盤的制約，需考慮的因素相對普通儲罐液位計選型設(shè)計要多一些，筆者旨在探討在該特定場合下液位計選型的可能性，以期獲得廣大工程技術(shù)工作者的指正。

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A Study on Selection of Level Gauges for Inner-floating-roof Methanol Tanks

LI Ming-liang

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：In the course of chemical production, level gauges are widely applied. In certain special circumstances, however, it is of vital importance to select a suitable tank gauge so as to accurately measure liquid level. As per the level gauge selection of inner-floating-roof methanol tanks employed in an ethylene glycol project, this paper has analyzed the application of several commonly used level gauges in inner floating roof tanks and their merits and demerits.

Keywords：level gauges; inner floating roof tank; accurate measurement; methanol

收稿日期：2015-12-19

中圖分類號：TQ 086.2

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-8901(2016)02-0027-05

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.008 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.008

作者簡介：李明亮(1983年-)，男，湖南臨湘人，2011年畢業(yè)于中南大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事自控工程設(shè)計工作。