内浮顶甲醇储罐液位计的选型

李明亮

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉　430223)



内浮顶甲醇储罐液位计的选型

李明亮

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉430223)

摘要：在化工生产过程中，液位计的使用非常广泛。在某些特殊场合，选择一款合适的液位计，对液位的精确测量显得至关重要。结合某乙二醇项目中内浮顶甲醇储罐液位计的应用选型，分析了几种常用液位计在内浮顶储罐的应用情况及其优缺点。

关键词：液位计；内浮顶储罐；精确测量；甲醇

液位测量仪表种类繁多，测量方法也多种多样。液位测量仪表包括：直接式液位测量仪表、差压式液位测量仪表、浮力式液位测量仪表、电气式液位测量仪表、超声波式液位测量仪表、雷达液位计、放射性液位计等。笔者以某乙二醇甲醇储罐工序为例，介绍内浮顶甲醇储罐上液位计的选型。

该项目采用合成气制乙二醇的工艺技术，其中甲醇液体在乙二醇的整个生产过程中起着非常重要的作用。一方面，它是乙二醇合成反应的重要中间原料；另一方面，它是合成气净化的重要洗涤原料(低温甲醇洗)。故此，对甲醇储罐的液位测量不可或缺，它决定着整个成品生产的控制管理。

1甲醇储罐工况

甲醇储罐内介质为精甲醇液体，甲醇又称“木醇”或“木精”，是一种无色、有酒精气味、易挥发的液体。为了减少储罐内甲醇液体的挥发损失，将其罐体设计为带内浮顶的立式储罐[1]。GB 50341—2014[2]《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》明确指出：“内浮顶在全行程上应能无阻碍地正常运行，在升降和静止时应处于水平漂浮状态。”由于内浮顶漂浮在液面上，对液位的测量有一定的特殊性，因此选择一款能适应于内浮顶储罐的液位计显得很重要。

内浮顶储罐工艺参数：操作温度为40 ℃，操作压力为1.5 kPa(g)，操作密度为775kg/ m3，液位范围为1 000～10 200 mm。

2储罐上常用的液位测量仪表

HG/T 20507—2014[3]《物位仪表》明确指出：“液位和界面测量宜选用差压式仪表，当不满足要求时，可选用电容式、射频导纳式、雷达式、电阻式(电接触式)、声波式、浮筒式仪表、浮子式仪表(浮子式仪表包括伺服式、钢带式、磁致伸缩式、磁性浮子式、杠杆式)、静压式、核辐射式、外测式等仪表”。鉴于被测对象的特殊性，笔者主要介绍差压式液位计、雷达式液位计、钢带式液位计以及伺服式液位计在该特定场合的选型设计及各仪表的优缺点。

文献[4]提出了内浮顶油罐假液位的现象，即内浮盘浮于液面上，根据浮力原理，会造成液位的升高，液位计不经修正直接测得的液位即为假液位。实际上，内浮顶储罐所有液位测量均存在该现象。这就需要人为对液位计测量值进行修正，以规避假液位，本文所述的几种液位测量亦是如此。

2.1差压式液位测量2.1.1常规差压式液位测量

常规差压式液位测量方法是基于静压式的测量原理(见图1)，将液位的检测转换为静压力测量。设容器上部空间的气体压力为pA，选定的零液位处压力为pB，则自零液位至液面的液柱高H所产生的静压差Δp可表示为：

Δp=pB-pA=Hρg

(1)

式中，ρ为被测介质密度，g为重力加速度。

图1　常规差压式液位测量原理

当被测介质密度不变时，测量差压值Δp，由公式(2)即可得知液位。

(2)

2.1.2内浮顶储罐差压式液位测量

对于内浮顶储罐液位测量，由于液面上漂浮一浮盘，用差压法测量液位应考虑浮盘重力的影响，内浮顶储罐差压式液位测量原理见图2。设浮盘的质量为M，面积为S，则浮盘对上液面产生的压力p盘可表示为：

(3)

式中，g为重力加速度。

图2　带内浮顶储罐差压式液位测量原理

同理，设容器上部空间的气体压力为pA，选定的零液位处压力为pB，则自零液位至液面的液柱高H所产生的静压差Δp可表示为：

Δp=pB-pA-p盘=Hρg

(4)

式中，ρ为被测介质密度，g为重力加速度。

当被测介质密度不变时，测量差压值Δp，由公式(5)即可得知液位。

(5)

2.1.3选型思考

本项目甲醇储罐操作压力为1.5 kPa(g)，有微小的正压。同时，储罐为带内浮顶的储罐，应考虑浮盘重力对液位测量的影响。使用差压法测量带内浮顶的储罐液位，应修正内浮顶重力的影响，见公式(4)。实际操作中一般是对差压变送器进行一个迁移。用差压变送器测量内浮顶储罐液位的原理见图3。

图3　差压法测量带内浮顶储罐液位的原理

内浮顶储罐内浮盘有一个机械下降最低位置，在此位置内浮盘距罐底还有一定的高度(不同的设备厂家此高度不一样)，在工程实际应用中工艺最低液位应高于此位置。本文研究均以此种情况为前提，在该情况下，差压变送器正压侧接口中心应认为是液位最低值，差压变送器负压侧接口应高于浮盘上升的最高点。

内浮顶储罐差压法液位测量优缺点如下：①优点：测量原理简单，安装方便，投资小，后期维护量小；②缺点：需对设备进行上、下接口的开孔以安装仪表。

对于甲醇介质，仪表与介质接触部分材料选择普通的316材质即可。

2.2雷达液位计测量内浮顶储罐液位

2.2.1测量原理

雷达液位计是利用超高频电磁波经天线向被探测容器的液面发射，当电磁波碰到液面后反射回来，仪表检测发射波及回波的时差，从而计算出液面高度。

2.2.2选型思考

雷达液位计测量内浮顶储罐液位，目前常用的有两种方法：①不设置导向管的液位测量；②设置导向管的液位测量。两种方法均须进行假液位修正。

对于第1种方法，雷达液位计直接安装在罐顶，通过发射电磁波打在内浮顶储罐内浮盘上表面，雷达液位计接收浮盘上表面反射的回波来计算漂浮在液面上的浮盘的高度。该种方法的优缺点如下。

(1)优点：安装简单、省时、省力、省钱。

(2)缺点：①由于电磁波是从内浮盘返回接收，实际测量的是浮盘的高度而非液面的高度，需要知道浮盘的厚度从而减掉浮盘厚度以获得液面的高度；②内浮盘表面不平整或有角度会使雷达波反射偏离接收区域，引起测量误差，为避免此方面的干扰，现场需考虑在浮盘表面加设合适的反射装置，反射装置的反射强度及防腐蚀问题应满足仪表的要求，一般来说可选用不锈钢材质；③由于无导向管的设计，储罐内甲醇会不可避免地挥发，蒸汽会对雷达液位计发射的电磁波产生干扰。另一方面，挥发的甲醇蒸汽会在雷达液位计喇叭口天线处形成冷凝液，对测量产生影响，需要定期对喇叭口天线进行维护。

对于第2种方法，通过由罐顶至罐底设置导向管贯穿内浮盘，雷达液位计选择带导波管的液位计，导波管置于导向管内，发射的电磁波可以直接打在液面上由导波管传回接收装置，从而测得液面的高度。为使雷达液位计获得单一的液面返回的电磁波，避免罐底返回电磁波的干扰，需在导向管底部加设一个45°的反射板，去掉罐底反射回来的信号。该种方法的优缺点如下。

(1)优点：①可以测得液面高度，避免方法1的3个缺点；②采用带导波管的导波雷达，可以避免甲醇介质低介电常数[7]对测量的影响；③导波雷达的设置能将外界的干扰降到最低。

(2)缺点：①安装相对复杂，投资成本高；②内浮盘开孔后应考虑导向管外壁与浮盘开孔处的密封。有一种密封方法是采用弹性材料密封结构，在丁腈橡胶密封袋中填充梯形截面积的聚氨酯软泡沫塑料，依靠泡沫塑料的压缩变形来实现密封。密封材料中还设固定钩板，其目的是为了固定密封胶袋位置，防止泡沫塑料在浮盘下降时往上翻。在实际应用项目中，设计人员需向内浮盘设计供货厂家提出密封要求，厂家根据实际情况选择成熟、可靠的密封技术。

对于方法2，与介质接触部分的导向管、雷达导波管材料可选择316材质。

2.3钢带式液位计测量内浮顶储罐液位

2.3.1测量原理

钢带液位计是一种传统的液位计，它是利用力学平衡原理设计制作的，由液位检测装置、高精度位移传动系统、恒力装置、显示装置、变送器装置以及其他外设构成。钢带液位计浸在被测液体中的浮子受到重力、浮力和恒力装置产生的恒定拉力的作用，当3个力的矢量和等于0时，浮子处于准平衡静止状态。随着液位的上升、下降，浮子不断达到新的平衡，检测装置指示表指示出液位值，其变送器发出正比于液位的信号。

2.3.2选型思考

钢带液位计应用在内浮顶储罐液位测量，在进行假液位修正的前提下，理论上也有两种测量方法：方法1是对内浮盘开孔，浮子浮于液面上进行测量；方法2是对浮盘不开孔直接测量浮盘高度。由于方法1需对浮盘开孔，后续的施工、安装较为繁琐，仪表的维护也较为困难，本文对此方法不予探讨，仅对方法2进行阐述。第2种方法，可以取消浮子而将测量钢丝直接固定于内浮盘表面。这样，常规测量原理的三力平衡演变为二力平衡，即浮盘对测量钢丝的拉力与液位计恒力装置预紧力达到平衡，随着浮盘的上升、下降，液位计指示出浮盘的相应高度。在常规的钢带浮子液位测量中，需要用导向钢索对浮子进行导向固定。此处，测量钢丝直接固定于内浮盘表面，原则上可以避免导向钢索的使用以及相应的内浮盘的开孔。

该种方法的优缺点如下。

(1)优点：①结构简单、价格便宜、量程范围大；②测量钢丝直接固定于内浮盘表面，可以避免浮子、导向钢索的使用及内浮盘的开孔；③安装、施工简单方便。

(2)缺点：①测量精度不高、机械装置复杂，冬季易冻；②钢带导轮、变送机构易受介质腐蚀导致卡涩，维护量大；③浮子固定于浮盘表面实际所测得的是浮盘的高度而非液面的高度，需要知道浮盘的厚度从而减掉浮盘厚度以获得液面的高度。

钢带及导向滑轮装置材料应耐腐蚀，其他性能应能保证整个机械装置传动可靠，不影响测量的准确性，根据厂家的应用经验选择合适的材料。

2.4伺服液位计测量内浮顶储罐液位

伺服液位计作为浮子式液位计的一种，是一种多功能测量仪表，既可以测量液位，也可以测量界面、密度和温度等参数，一直广泛地用于大型储罐的液位高精度测量，本文主要介绍其液位功能(已人为修正假液位)。

2.4.1测量原理

伺服液位计的测量原理见图4。将一根测量钢丝吊着浮子浸入被测液体表面下一定深度，此时浮子受到浮子本身重力、测量钢丝拉力以及被测液体的浮力作用而达到一个动态平衡[6]。当液面上升或下降时，测量浮子所受浮力也相应发生变化，同时引起测量钢丝上的拉力也发生变化，力传感器检测到这一变化，使控制器发出动作命令，驱动伺服电机带动测量磁鼓顺(逆)时针转动，伺服电机以固定步幅动作，测量磁鼓放下或拉卷测量钢丝使测量浮子不断地跟踪液面的变化，内部计数器记录了伺服电机的动作步数，并自动地计算出测量浮子的位移量，即液位的变化量。

图4　伺服液位计测量原理

2.4.2伺服电机系统(精确定位原理)

伺服液位计的核心部件为伺服电机系统，伺服系统的精准定位决定了该液位计的高精度测量。伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲。这样，和伺服电机接收到的脉冲形成了呼应(或者叫闭环)，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来。所以，就能很精确地控制电机的转动，从而实现精确地定位(可以达到0.001 mm的精确度)。正是因为伺服电机系统的高精度定位性能，所以也保证了伺服液位计有很高的测量精度。

2.4.3选型思考

伺服液位计应用于内浮顶储罐的液位测量，为了对伺服液位计的测量钢丝和浮子进行导向和保护，一般需要仪表专业提条件，设备专业设计一根由罐顶(伸出罐顶外壁)至罐底贯穿内浮盘的DN200导向管，导向管于罐顶和罐底处固定，伺服液位计本体通过DN200的法兰固定于伸出罐顶外壁的导向管上，法兰的耐压等级需确认。另外，为了检修的需要，应在罐和液位计之间安装一个合适的球阀，球阀的最大开度必须保证能使浮子顺利通过。

为了保证伺服液位计的正常工作及测量的准确性，导向管的设计安装应满足如下要求：①导向管每隔300 mm对向开孔一对，孔径为25 mm，导向管的开孔必须从底部一直开孔到导向管的顶部；②稳液管必须竖直，偏心度不超过3 mm。否则液位计可能无法正常工作；③稳液管如果是由多节无缝钢管焊接构成，则不得存在变径和弯曲，焊接必须使用套焊；④稳液管内部必须光滑没有毛刺，焊缝隙必须清除干净，开孔后必须将毛刺清洁干净；⑤导向管与内浮盘的开孔处应满足浮盘能够无障碍、自由地上下运动的需求；⑥导向管底部要安装喇叭口，防止浮子卡在外面无法回收。

伺服液位计在此处应用的优缺点如下。

(1)优点：①高精度、高稳定性、宽量程;②由于有导向管，测得的液面值无需对测量值进行浮盘厚度修正;③在安装、使用得当的情况下，后期维护及调校量小。

(2)缺点：①安装相对复杂，投资成本高;②与带导向管雷达液位计情况类似，导向管需在内浮盘上贯穿开孔，为不阻碍内浮盘的上升、下降以及便于开孔后的密封，DN200的导向管建议在内浮盘上开孔,大小为DN300～DN400。密封措施参照雷达液位计导向管开孔密封或依据厂家的成熟密封专利技术;③导向管的安装、施工要求较为严苛。

与介质接触部分的导向管最低选材应为316材质，仪表本体及机械部件材质应能满足耐腐蚀要求及仪表的标准配置要求。

3几种液位计的集中比较

综上所述，针对内浮顶甲醇储罐液位计的选型，笔者分别阐述了几种液位计在该特定场合的设计选型情况。为获得对几种液位计的认识，对其进行了比较，结果见表1。

表1　几种液位计在带内浮顶甲醇储罐应用的特点比较

续表

4结语

众所周知，液位计的选型受各种条件影响，包括现场环境、使用工况、施工安装情况以及后期维护等影响，没有哪一款液位计可以在实际应用中达到屡试不爽的效果。本文所阐述的带内浮顶储罐的液位计选型设计亦是如此， 由于受内浮盘的制约，需考虑的因素相对普通储罐液位计选型设计要多一些，笔者旨在探讨在该特定场合下液位计选型的可能性，以期获得广大工程技术工作者的指正。

参考文献：

[1] 王荣贵，刘道芬. 内浮顶储罐的罐体设计[J]. 化肥设计，2006(01)：20-22.

[2] GB50341-2014，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].

[3] HG/T 20507-2014，自动化仪表选型设计规范[S].

[4] 张明化. 内浮顶油罐假液位原因分析及对策[J]. 天然气与石油，2004(01)：23-24.

[5] 张毅，张宝芬，等.自动检测技术及仪表控制系统(第二版)[M].北京：化学工业出版社，2004.

[6] 陆德明，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册(第三版)[M].北京：化学工业出版社，2000.

[7] 彭晶. 雷达液位计及其应用[J]. 化肥设计，2000(03)：23-25.

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

中图分类号：TQ 086.2

文献标识码：B

文章编号：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

作者简介：李明亮(1983年-)，男，湖南临湘人，2011年毕业于中南大学控制科学与工程专业，硕士，工程师，现主要从事自控工程设计工作。