低溫液體貯槽差壓液位分析

上海自動(dòng)化儀表介紹了低溫液體貯槽差壓液位測(cè)量原理;從差壓測(cè)量管路組成件的基本結(jié)構(gòu)和功能作用出發(fā)，全面深入的分析了產(chǎn)生各種液位指示故障的原因，并歸納總結(jié)成液位故障分析處置表;為避免出現(xiàn)液位故障，液位測(cè)量管線應(yīng)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、嚴(yán)格的制造和正確的使用。

前 言

低溫液體貯槽(以下簡稱“貯槽”)用于貯存液氧、液氮、液氬以及 LNG 等深冷液體，其液位測(cè)量方法多種多樣，有差壓法、測(cè)滿閥法、液位開關(guān)閥法，浮子液位計(jì)法，安全閥法、溫度計(jì)法、伺服液位計(jì)法、雷達(dá)液位計(jì)法以及電容式液位計(jì)法等方法，各種液位測(cè)量方法有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，其中，差壓法非常為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因而運(yùn)用非常為廣泛。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，差壓液位指示儀表(一般指差壓液位計(jì))經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)指示失準(zhǔn)或根本無法指示的故障，給用戶帶來諸多不便，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致貯槽無法使用。本文將根據(jù)差壓液位測(cè)量基本原理，從液位測(cè)量管路組成件的基本結(jié)構(gòu)和功用出發(fā)，全面深入的分析產(chǎn)生液位指示故障的原因，并提出預(yù)防或解決液位指示故障的措施和方法。

2 差壓法測(cè)量原理

低溫液體貯槽液位差壓測(cè)量原理，從貯槽頂部接口引出的氣體經(jīng)過液上閥(A1)進(jìn)入差壓液位計(jì)(LI)的低壓室;從貯槽底部接口引出的低溫液體，通過干式取壓器(QY)氣化穩(wěn)壓后，經(jīng)過液下閥(A3)進(jìn)入差壓液位計(jì)的高壓室。高低壓室的壓差推動(dòng)液位計(jì)的指針做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而通過指針旋轉(zhuǎn)角度指示壓力差。該壓力差由罐內(nèi)液體高度產(chǎn)生，其值等于液體靜壓力:Δp = ρgh式中，Δp 為罐內(nèi)液體靜壓力，Pa;ρ 為貯存介質(zhì)密度，kg/m 3 ;g 為重力加速度，m/s 2 ;h 為貯存介質(zhì)高度，m。由此可見，液位計(jì)指針的旋轉(zhuǎn)角度實(shí)際是由液柱靜壓力引起的，不同角度，代表著不同的液位高度。同時(shí)，通過液上遠(yuǎn)傳閥 (A4) 和液下遠(yuǎn)傳閥(A5)，可將差壓傳遞給變送器，從而將液位信號(hào)遠(yuǎn)傳至中控室。

3 液位指示故障原因分析

差壓液位指示故障包括液位計(jì)沒有讀數(shù)，液位計(jì)讀數(shù)與實(shí)際不符(比如與差壓變送器或測(cè)滿閥比較)，假液位以及液位計(jì)指針劇烈跳動(dòng)等多種現(xiàn)象。這些故障可能與所示測(cè)量管線中的某一個(gè)或幾個(gè)組成件有關(guān)，涉及設(shè)計(jì)、制造和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)。

3． 1 液下管線

從干式取壓器引至液位計(jì)高壓室的管線為液下管線，它由干式取壓器、液下管道和液下閥組成。

3． 1． 1 干式取壓器

干式取壓器(簡稱取壓器)位于液下管與內(nèi)筒底部的交接處，如圖 1。其功能是把從貯槽非常低點(diǎn)引入的液體氣化，并將氣體壓力穩(wěn)定傳輸?shù)揭何挥?jì)(或液位變送器)。取壓器結(jié)構(gòu)多種多樣，一般孔徑較小，特別是某些結(jié)構(gòu)的取壓器結(jié)構(gòu)又特別復(fù)雜，因而在使用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)阻塞情況。取壓器完全阻塞后，液位計(jì)將無液位指示;嚴(yán)重阻塞時(shí)，液位不能正確指示，通常指示液位會(huì)比實(shí)際液位低。阻塞可能是冰堵和機(jī)械堵塞，或者二者兼有之。

3． 1． 1． 1 冰堵

在初次進(jìn)液時(shí)，如果容器內(nèi)存在水或潮濕空氣，在低溫下將會(huì)凝結(jié)成冰，從而阻塞取壓器通道。造成容器內(nèi)存在水或潮濕空氣原因可能有:

1． 試壓用空氣或氮?dú)馕唇?jīng)干燥處理;

2． 運(yùn)輸過程中未進(jìn)行充分保護(hù)，水或潮濕空氣進(jìn)入;

3． 安裝后未進(jìn)行干燥吹掃和露點(diǎn)檢測(cè)。

3． 1． 1． 2 機(jī)械堵塞

內(nèi)容器制造過程中，焊渣、磨屑等機(jī)械雜質(zhì)未清理干凈，使用中隨著介質(zhì)流動(dòng)而沉積到取壓器處，從而阻塞通道孔。這種阻塞一般較輕，但當(dāng)容器內(nèi)有潮濕空氣時(shí)，極可能發(fā)生機(jī)械阻塞 + 冰堵的情形，從而完全阻塞取壓器。

3． 1． 1． 3 未裝設(shè)取壓器

由于設(shè)計(jì)的原因，有些貯槽并未裝設(shè)干式取壓器，這可能會(huì)造成:

1． 液位波動(dòng)。這是因?yàn)槿鄙偃浩鞯姆€(wěn)壓功能。

2． 形成假液位。如貯槽缺少取壓器，低溫液體會(huì)直接進(jìn)入液下管的非常低處，液下管的實(shí)際取壓位置可能會(huì)下降60 ～ 160 mm(由具體結(jié)構(gòu)決定)，從而形成假液位。此時(shí)，液位計(jì)指示液位比實(shí)際液位高，實(shí)際液位可由指示液位減去假液位得到。假液位雖然不會(huì)影響貯槽性能，但可能會(huì)影響使用者的庫存管理。

3． 1． 2 液下管道

液下管道很少會(huì)出問題，如出問題，通?？煽紤]以下兩種情況。

3． 1． 2． 1 阻塞

液下管道阻塞的原因和阻塞后的結(jié)果與干式取壓器阻塞后相同。由于取壓器接口處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑較小，因而阻塞通常都發(fā)生在該處。若該處不阻塞，液下管道基本上就不會(huì)阻塞。

3． 1． 2． 2 泄漏(破裂)

如果使用不合格管材，液下管也存在破裂的可能。液下管道破裂后，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，傳遞到液位計(jì)高壓室的壓力減低，液位計(jì)讀數(shù)將減少;同時(shí)液下管根部(靠近外殼)溫度降低，甚至出現(xiàn)結(jié)霜結(jié)露現(xiàn)象。

3． 1． 3 液下閥

液下閥很少出現(xiàn)阻塞(原因與液下管道一樣)，但作為閥門，容易出現(xiàn)內(nèi)漏和外漏(含接頭處)問題。內(nèi)漏不會(huì)影響測(cè)量;外漏與液下管破裂一樣，會(huì)導(dǎo)致液位計(jì)讀數(shù)減少，靠近外殼體的液下管根部溫度降低。

3． 1． 4 液下管線阻塞預(yù)防措施

為了避免阻塞的發(fā)生，內(nèi)罐應(yīng)做清潔度檢測(cè)，徹底去除機(jī)械雜質(zhì);試壓用空氣或氮?dú)鈶?yīng)徹底干燥;制造完畢的儲(chǔ)罐應(yīng)正壓封存，充分保護(hù)后運(yùn)輸;安裝完成后，應(yīng)檢查密封氣的壓力，無壓力時(shí)，應(yīng)重新對(duì)貯槽及液位測(cè)量管線進(jìn)行徹底吹除。

3． 2 平衡管線

平衡管線連通液下管和液上管，由平衡閥(A2)及其兩端管道組成。測(cè)量時(shí)，液下閥、液上閥開啟，平衡閥關(guān)閉;需要調(diào)校液位計(jì)時(shí)，液上閥、液下閥關(guān)閉，平衡閥開啟;當(dāng)平衡管線與液下管線、液上管線同時(shí)開啟時(shí)，低溫液體會(huì)從液下管線、經(jīng)平衡管線、液上管線回流至貯槽頂部，從而形成類似于自增壓管線的回路，此時(shí)，液位計(jì)指針劇烈波動(dòng)，液下管將迅速降溫結(jié)霜。

實(shí)際使用中，液位指示問題很多與平衡閥泄漏有關(guān)，平衡閥泄漏通常有內(nèi)漏(常見)和外漏兩種情況:平衡閥嚴(yán)重內(nèi)漏時(shí)，如同平衡閥開啟，液位計(jì)指針劇烈波動(dòng)，液下管結(jié)霜，液位計(jì)無指示或只指示有少量液位;平衡閥輕微內(nèi)漏時(shí)，靠近外殼體的液下管根部溫度降低，有可能結(jié)露，液位計(jì)兩端差壓減小，液位計(jì)指示液位低于實(shí)際液位。平衡閥外漏分兩種情況:一種是靠近液下管側(cè)外漏，如液下管與平衡閥的卡套接頭或焊接接頭泄漏，此時(shí)相當(dāng)于液下管道破裂，靠近外殼體的液下管根部溫度降低，液位計(jì)讀數(shù)將減少;另一種是靠近液上管側(cè)外漏，如液上管與平衡閥的卡套接頭或焊接接頭漏，此時(shí)相當(dāng)于液上管道破裂，靠近外殼體的液上管根部溫度降低，液位計(jì)讀數(shù)將增大。

3． 3 液上管線

從貯槽頂部接口引至差壓液位計(jì)低壓室的管線為液上管線，它由液上管道和液上閥組成。由于液上管線不與液體接觸，使用中很少出現(xiàn)液上管線阻塞的情況。

液上管線偶有外漏現(xiàn)象，如液上管道破裂或液上閥外漏，此時(shí)液上管壓力降低，液位計(jì)讀數(shù)將增大，靠近外殼體的液上管根部溫度降低。另外，液上閥也會(huì)出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，但不會(huì)影響正常測(cè)量。

3． 4 差壓液位計(jì)

目前，貯槽上采用的差壓液位計(jì)大多是成都蘭石、新蘭石或進(jìn)口美國巴頓的產(chǎn)品，該類產(chǎn)品在其關(guān)鍵元件中心板兩端連接低壓波紋管組件和高壓波紋管組件，是較為精密的液位測(cè)量儀表。差壓液位計(jì)常見的問題是指針不歸零和液位計(jì)損壞。液位計(jì)指針不歸零應(yīng)調(diào)校，否則會(huì)出現(xiàn)假液位。假液位(應(yīng)排除密度影響)常見現(xiàn)象如下:

1． 液位計(jì)指示滿液位時(shí)，測(cè)滿管尚不能噴出液體;

2． 未指示滿液位時(shí)，測(cè)滿管已噴出液體;

3． 液位計(jì)指示尚有液體，實(shí)際上已無液體。液位計(jì)損壞應(yīng)返廠維修。通常在充排液過程中，如管路正常而液位計(jì)指針未跟隨擺動(dòng)時(shí)，則應(yīng)判斷為液位計(jì)損壞。另外，現(xiàn)場(chǎng)液位也可與中控室液位進(jìn)行比較分析，綜合判斷液位計(jì)是否損壞。

3． 5 遠(yuǎn)傳管線及差壓變送器

從液上遠(yuǎn)傳閥(A4)引至差壓變送器的為液上遠(yuǎn)傳管線，該管線泄漏將使遠(yuǎn)傳液位增大，靠近外殼體的液上管根部溫度降低;從液下遠(yuǎn)傳閥(A5)引至差壓變送器的為液下遠(yuǎn)傳管線，該管線泄漏會(huì)引起遠(yuǎn)傳液位偏小，靠近外殼體的液下管根部溫度降低。注意不管是液上遠(yuǎn)傳還是液下遠(yuǎn)傳泄漏，均會(huì)影響到變送器的讀數(shù)和就地液位計(jì)的指示，這在實(shí)際中也時(shí)有發(fā)生。

4 液位故障歸納處置表

基于上節(jié)對(duì)貯槽液位故障原因的分析，為了便于故障處理，這里將故障現(xiàn)象、原因和處理措施進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，整理成表。

5 液位指示故障預(yù)防措施

盡管液位計(jì)指示故障原因多種多樣，但簡單歸納起來，只有三點(diǎn):設(shè)計(jì)、制造和使用。只要這三個(gè)方面做好了，就可以避免液位指示故障。

5． 1 設(shè)計(jì)、制造

貯槽生產(chǎn)廠家應(yīng)對(duì)由設(shè)計(jì)、制造導(dǎo)致的液位指示故障負(fù)責(zé)。廠家應(yīng)采取以下措施，避免液位指示故障:

1． 合理設(shè)計(jì)干式取壓器;

2． 液下、液上管取樣口遠(yuǎn)離進(jìn)排液口和氣體放空口 ;

3． 液上、液下取樣口、測(cè)滿口設(shè)置正確;

4． 適當(dāng)增大液下管管徑;

5． 選用優(yōu)質(zhì)儀表閥;

6． 測(cè)量管路應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，可通過涂肥皂水方法檢查;

7． 測(cè)量管線進(jìn)行徹底吹除，露點(diǎn)應(yīng)達(dá)標(biāo);

8． 液位計(jì)運(yùn)輸安裝時(shí)，應(yīng)小心謹(jǐn)慎，不可碰撞和敲打。使用前應(yīng)先檢查指針是否對(duì)零，安裝時(shí)注意垂直于地面。

5． 2 使用

貯槽的使用者應(yīng)知曉差壓液位測(cè)量的原理和操作程序，重點(diǎn)注意事項(xiàng)如下:

1． 貯槽使用前應(yīng)檢查密封氮?dú)鈮毫?，如無則應(yīng)重新吹掃置換，檢查測(cè)量管線露點(diǎn)是否達(dá)標(biāo)。

2． 液位計(jì)使用時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守開停步驟:當(dāng)液上、液下閥及平衡閥都關(guān)閉的情況下，應(yīng)先打開平衡閥，然后慢慢開啟液下閥、液上閥，非常后及時(shí)關(guān)閉平衡閥。達(dá)到穩(wěn)定后，指針指示讀數(shù)即為該貯槽液面高度。

3． 定期調(diào)校液位計(jì)。

4． 操作人員應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)。

6 結(jié) 語

貯槽液位指示故障與各液位測(cè)量管線組成件密切有關(guān)，上海自動(dòng)化儀表為避免出現(xiàn)液位指示故障，各組成件應(yīng)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、嚴(yán)格的制造并被正確使用。