探讨石油化工装置深冷介质液位测量仪表的选型及应用

王杰亮

（连云港石化有限公司，江苏 连云港 222000）

在石油化工装置中，流体介质可以大致分为高温、中温、低温、深冷（超低温）等4个温度范围，其中深冷一般指工作温度低于-100℃的流体介质。本文将结合笔者所在乙烯装置深冷工况的塔、罐等容器的几种液位测量方式选型及安装方式进行介绍并讨论，并就在装置实际运行过程中由于安装方式问题导致液位测量指示失真进行分析并技术改造，以解决深冷工况容器液位测量不正常的问题。

1 深冷介质容器液位仪表选型及安装方式

1.1 浮筒液位变送器

对于测量范围在2000mm或以内，比密度为0.5～1.5的液位连续测量或位式测量，比密度差为0.2或以上的界面连续测量或位式测量，宜选用浮筒液位计或开关。浮筒液位变送器属于变浮力式液位计，浮筒变送器由智能液位控制器和浮筒测量室、测量机构、浮筒、扭力管等组成，浮筒浸没在测量室内的液体中，与扭力管系统刚性连接。扭力管系统承受的力是浮筒自重减去浮筒所受的液体浮力的净值，在这种合力作用下的扭力管扭转一定角度。被测液体的位置、密度或界位高低的变化引起浮筒位置的变化，该变化被传递到扭力管组件，使其产生旋转。扭力管的旋转运动传递到智能液位控制器杠杆组件上，使固定在杠杆组件上的磁铁发生位移，改变了由霍尔效应传感器检测的磁场。该传感器将磁场信号转换为电信号。智能液位控制器采用微控制器与相关的电子线路测量过程变量，提供电流输出并提供4mA～20mA电流输出信号，以达到液位测量的目的。

图1 某品牌浮筒液位变送器外观及结构示意图Fig.1 Appearance and structural schematic diagram of a certain brand of float level transmitter

表1 浮筒变送器测量室材质允许使用的过程温度Table 1 Allowable process temperatures for the material of the measurement chamber of the float transmitter

浮筒液位变送器测量介质温度的适用范围可达-198℃～+400℃，在选型过程中要根据测量介质的设计问题选用测量室材质。

如上所述，石油化工装置深冷工况的塔、罐等容器工艺介质若满足上述条件，一般情况下优选浮筒液位变送器。

浮筒液位变送器的安装注意事项：

图2 装置现场深冷工况浮筒变送器安装效果图Fig.2 Installation effect diagram of float transmitter under deep cold working conditions on site

1）浮筒液位变送器安装后，浮筒应上、下活动灵活，无卡涩现象。

2）石油化工装置多为侧-侧型法兰连接方式，工艺容器上焊接的法兰短管，其上、下法兰之间的中心间距，法兰连接螺栓孔的方位必须与浮筒外壳法兰一致，上、下两法兰密封面必须处于同一垂直平面，且法兰的中心处在同一垂直线上。

3）外浮筒式液位变送器的浮筒顶部应设1/2"螺帽或丝堵，以备现场校准用，其底部应设排水阀短节。

4）浮筒液位变送器所用阀门必须经试压、检漏合格后方可适用。

5）低温介质的放净阀门应为低温长颈阀。

6）低温介质的放净阀阀体材质应首选316SS，阀芯材质316SS/FHF。

1.2 差压液位变送器

对于测量范围超出2000mm或比密度差过小等无法选用浮筒液位变送器时，一般多选用差压液位变送器。差压液位变送器是利用容器内的液位改变时，液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。差压液位变送器是石油、化工和石化生产过程中应用十分关键的液位测量仪表，其特点是结构简单、精确度高、线性，便于安装与维护，易于组合成控制系统，用于连续或间歇生产的塔、罐、槽等容器的液位的连续测量和界位测量。差压变送器分为普通差压变送器、单法兰差压变送器、双法兰差压变送器等，由于单法兰差压变送器和双法兰差压变送器测量部件（即膜盒）是直接与测量接触，而法兰式差压变送器膜盒内是根据测量介质的不同温度进行填充液的填充，见表2。

图3 某品牌普通差压变送器外观示意图Fig.3 Appearance diagram of a certain brand of ordinary Differential pressure transmitter

表2 某品牌法兰式差压变送器密封填充液参数Fig.2 Sealing and filling fluid parameters of a certain brand of flange differential pressure transmitter

通过表2填充液温度范围可知，法兰式差压变送器膜盒填充最低耐温为-105℃，因此深冷工况的塔、罐等容器液位测量一般不能选用法兰式差压变送器，而是选用普通差压式变送器。

普通差压变送器测量液位一般为Tube引压管+差压变送器安装方式，通过Tube引压管将测量介质引导至差压变送器，根据流体静力学原理完成对液位的检测。

差压液位变送器的安装注意事项：

1）差压液位变送器测量液位时，仪表安装高度通常不应高于被测容器液位取压接口的下接口标高。安装位置应易于维护，便于观察，且靠近取压部件的位置。

图4 差压变送器测量液位Tube引压管配管安装图Fig.4 Installation diagram of differential pressure transmitter measuring liquid level Tube pressure pipe piping

2）差压液位变送器应垂直安装，保持“＋”“-”压室标高一致。

3）差压液位变送器的“+”压室应与工艺容器的下接口相连，“-”压室应与容器的上接口相连。

4）差压液位变送器Tube引压管应根据测量介质特性做好绝热或保温措施。

5）差压液位变送器应具备正、负迁移功能。

2 深冷介质容器差压液位变送器不同安装方式及问题

2.1 安装方式一

深冷介质容器差压液位变送器安装及配管方式一如图6所示，Tube引压管保冷，现场差压液位变送器测量范围按照仪表规格书提供校准量程设置（如测量范围：0 KPa～5.5KPa）。

图5 装置现场深冷工况差压变送器安装效果图Fig.5 Installation effect diagram of differential pressure transmitter under deep cold working conditions on site

图6 差压液位变送器安装方式一示意图Fig.6 Schematic diagram of installation method 1 for differential pressure liquid level transmitter

液位正常测量状态为设备下法兰至变送器正压侧引压管内介质相态为气态，设备上法兰至变送器负压侧引压管内介质相态为气态（因此无需考虑变送器迁移），容器内液位变化使差压变送器测量静差压发生变化，最终实现液位测量。

2.1.1 可能存在的问题

1）液位指示偏高，设备下法兰至变送器正压侧引压管内介质相态为液态（或气、液混合），设备上法兰至变送器负压侧引压管内介质相态为气态。

2）液位指示偏低，设备下法兰至变送器正压侧引压管内介质相态为液态（或气、液混合），设备上法兰至变送器负压侧引压管内介质相态为液态（或气、液混合），当容器内介质高度超过上法兰口时，将会有介质进入变送器负压侧Tube引压管。

2.1.2 可能存在的风险

1）造成工艺监盘人员对容器真实液位的误判断，做出错误的操作，可能导致装置生产波动。

2）液位指示偏高，若液位存在高高报警联锁，则可能存在联锁误动作造成装置非停。

3）液位指示偏低，若液位存在高高报警联锁，则可能存在无法触发液位高高联锁保护动作，造成装置无法联锁停车导致人员或设备损坏。

2.2 安装方式二

经过实际运行发现深冷介质容器差压液位变送器按照安装方式一无法正常测量液位，后经过改造，采取新的安装及配管方式如图7所示。将差压液位变送器的安装高度与容器下法兰口平行，Tube引压管正压侧和负压侧进行保冷绝热，现场差压液位变送器测量范围按照仪表规格书提供校准量程设置（如测量范围：0KPa～5.5KPa）。

图7 差压液位变送器安装方式二示意图Fig.7 Schematic diagram of installation method 2 for differential pressure liquid level transmitter

液位正常测量状态为设备下法兰至变送器正压侧引压管内介质相态为气态或液态或气液混合态（但变送器安装高度与法兰口平齐，因此不论介质相态如何不会对差压变送器产生静压差的变化），设备上法兰至变送器负压侧引压管内介质相态为气态（因此无需考虑变送器迁移），容器内液位变化使差压变送器测量静差压发生变化，最终实现液位测量。

2.2.1 可能存在的问题

液位指示偏低，设备下法兰至变送器正压侧引压管内介质相态为液态（或气、液混合），设备上法兰至变送器负压侧引压管内介质相态为液态（或气、液混合），当容器内介质高度超过上法兰口时，将会有介质进入变送器负压侧Tube引压管。

2.2.2 可能存在的风险

1）造成工艺监盘人员对容器真实液位的误判断，做出错误的操作，可能导致装置生产波动。

2）液位指示偏低，若液位存在高高报警联锁，则可能存在无法触发液位高高联锁保护动作，造成装置无法联锁停车导致人员或设备损坏。

2.3 安装方式三

经过实际运行发现深冷介质容器差压液位变送器按照安装方式一或安装方式二都存在无法正常测量液位的情况，后经过讨论及技术改造，采取新的安装及配管方式如图8所示。将差压液位变送器的安装高度与容器下法兰口平行，Tube引压管正压侧进行保冷绝热，Tube引压管负压侧进行伴热加保温，现场差压液位变送器测量范围按照仪表规格书提供校准量程设置（如测量范围：0KPa～5.5KPa）。

图8 差压液位变送器安装方式三示意图Fig.8 Schematic diagram of installation method three for differential pressure liquid level transmitter

液位正常测量状态为设备下法兰至变送器正压侧引压管内介质相态为气态或液态或气液混合态（但变送器安装高度与法兰口平齐，因此不论介质相态如何不会对差压变送器产生静压差的变化），设备上法兰至变送器负压侧Tube引压管由于增加伴热加保温，因此会保证负压侧Tube内介质相态一直为气态，容器内液位变化使差压变送器测量静差压发生变化，最终实现液位测量。

2.3.1 可能存在的问题

变送器负压侧Tube管伴热失效，设备上法兰至变送器负压侧引压管内介质相态为液态（或气、液混合），当容器内介质高度超过上法兰口时，将会有介质进入变送器负压侧Tube引压管，可能造成液位指示偏低。

2.3.2 可能存在的风险

1）造成工艺监盘人员对容器真实液位的误判断，做出错误的操作，可能导致装置生产波动。

2）液位指示偏低，若液位存在高高报警联锁，则可能存在无法触发液位高高联锁保护动作，造成装置无法联锁停车导致人员或设备损坏。

3 结语

为了保证深冷介质容器液位测量的准确性和稳定性，满足浮筒液位变送器选型技术要求以及现场具备浮筒液位变送器安装条件的情况下，建议优先选用浮筒液位变送器。此种选型和安装方式环境温度及外部因素对其测量影响较小，仪表专业的维护量相对也较小。也可采用差压变送器测量液位，若采用差压变送器测量深冷介质容器液位，建议选用“安装方式三”，且在装置运行过程中，应定期对差压液位变送器负压侧Tube管伴热进行巡检，保证伴热的正常，进而保证差压液位变送器测量的准确性和稳定性。