呂 娜

(喀什大學(xué)研究生院，新疆 喀什 844008)

減小吹氣式液位計(jì)測量誤差的方法

呂 娜

(喀什大學(xué)研究生院，新疆 喀什 844008)

基于吹氣式液位計(jì)的工作原理，分析了引起吹氣式液位計(jì)測量誤差的外界因素，并針對(duì)這些因素提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)積聚的氣泡被消除后，其測量誤差被控制在3%以內(nèi)，且液位顯示平穩(wěn)。

吹氣式液位計(jì) 測量誤差分析 改造

吹氣式液位計(jì)是一種非接觸式液位測量儀表，其輸出壓力能夠自動(dòng)跟隨吹氣管出口壓力的變化而變化，并保持輸出氣體流量穩(wěn)定，通過測量吹氣管間的壓差而測量出被測量罐的液位[1]。吹氣式液位計(jì)適用于高溫、高真空、高粘度、強(qiáng)腐蝕性、易凝固、易結(jié)晶或含懸浮顆粒聚合物的高溫熔體等各種惡劣工況。

反應(yīng)器是一種重要的化工機(jī)械設(shè)備，而化工機(jī)械設(shè)備是化工企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)正常進(jìn)行的基本物質(zhì)保障，它直接影響著企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)品交貨期的制定，一旦發(fā)生液位測量不準(zhǔn)確導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備故障，就會(huì)影響企業(yè)預(yù)期生產(chǎn)計(jì)劃的完成[2]。目前，吹氣式液位計(jì)普遍應(yīng)用于對(duì)化工行業(yè)中反應(yīng)器液位的測量，因此，為保證吹氣式液位計(jì)的測量精確度，對(duì)減小吹氣式液位計(jì)測量誤差的方法進(jìn)行探索是十分必要的。在此，筆者對(duì)引起吹氣式液位計(jì)測量誤差的外界因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以減小吹氣式液位計(jì)的測量誤差。

1 吹氣式液位計(jì)的工作原理

一定高度的液體在自身重力的作用下，它作用于底面積上的壓力與液體高度有關(guān)。如圖1所示，取液柱的上表面在液面上，液面上方的壓強(qiáng)為p0；取下底面在距離液面h處，作用在它上面的壓強(qiáng)為p，則有：

p=p0+ρgH

(1)

式(1)表明，液體內(nèi)部壓強(qiáng)p隨著p0和H的改變而改變。式(1)又可改寫為：

H=(p-p0)/(ρg)

(2)

式中g(shù)——重力加速度；

H——液位高度；

ρ——液體密度。

圖1 差壓變送器測量液位的原理

吹氣式液位計(jì)利用靜力學(xué)原理，通過差壓變送器正負(fù)壓側(cè)的壓力不同，形成一定的壓差，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器中溶液密度和液位的測量。吹氣式液位計(jì)的工作原理如圖2所示。一定量的干燥氫氣經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入9/16寸(1寸=33.333mm)的正壓側(cè)毛細(xì)管內(nèi)，使得管內(nèi)有微量氣泡溢出，然后根據(jù)式(2)即可計(jì)算出反應(yīng)器的液位。同時(shí)，在具體的化工生產(chǎn)中使用吹氣式液位計(jì)測量反應(yīng)器液位時(shí)，吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)毛細(xì)管內(nèi)應(yīng)避免有液體進(jìn)入，否則會(huì)造成假液位現(xiàn)象或液體進(jìn)入變送器的現(xiàn)象，導(dǎo)致測量誤差甚至損壞儀表。

圖2 吹氣式液位計(jì)的工作原理

2 吹氣式液位計(jì)的測量誤差分析

在化工生產(chǎn)過程中，對(duì)儀表的測量精確度要求很高。而吹氣式液位計(jì)在使用過程中，由于一些外界因素將導(dǎo)致其測量出現(xiàn)誤差。

2.1溶液氣泡

氣泡是由氣液兩相組成的分散系，在工程上一般是由氣體通過小孔進(jìn)入液層分散而成的。在固定床反應(yīng)器中，氣體通過反應(yīng)器底部氣體分布器與溶液接觸，通過溶液層分散形成氣泡。氣泡的形成分為孕育階段、長大階段和脫離階段。在孕育階段，氣體壓力有一個(gè)積聚過程，當(dāng)達(dá)到毛細(xì)壓力后才能形成氣泡[3]。氣泡有一個(gè)氣液接觸界面，在這個(gè)界面上有特定的力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)氣泡溶解或長大時(shí)，氣液界面會(huì)發(fā)生傳質(zhì)，而氣泡大小發(fā)生變化會(huì)驅(qū)動(dòng)周圍溶液流動(dòng)。這3個(gè)過程會(huì)相互影響，因此氣泡是一個(gè)界面-傳質(zhì)-流動(dòng)相互耦合的動(dòng)態(tài)體系。

由于反應(yīng)器中的溶液含有大量的水，當(dāng)未達(dá)到反應(yīng)溫度或溫度不適時(shí)在油狀溶液、水和流動(dòng)氣體共存的狀態(tài)下，極易產(chǎn)生氣泡。氣泡經(jīng)過從下而上流動(dòng)的氣體的攪動(dòng)，不斷上升，并在測量液位的負(fù)壓側(cè)管口處大量積聚，進(jìn)入管內(nèi)，從而使得管內(nèi)有大量氣泡存在。大量氣泡聚集后進(jìn)入水平管內(nèi)，無法排出，將造成假液面現(xiàn)象，最終導(dǎo)致測量不準(zhǔn)，產(chǎn)生測量誤差。在化工生產(chǎn)過程中，反應(yīng)器一般以第二個(gè)液位計(jì)(雷達(dá)液位計(jì))作為參照組，通過DCS監(jiān)控對(duì)比，判斷吹氣式液位計(jì)測量是否準(zhǔn)確。當(dāng)吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)有大量氣泡存在時(shí)，其測量數(shù)值波動(dòng)較大，無任何規(guī)律可循，顯示的液位增長或降低數(shù)值也無任何趨勢(shì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)從當(dāng)前液位顯示值直接跳至100%或0%，給化工生產(chǎn)造成極大危險(xiǎn)，降低生產(chǎn)效率。

2.2容器外管線受凍

在寒冷的冬季，在反應(yīng)器外部頂端負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)，由于反應(yīng)器內(nèi)部溫度較高、外界溫度較低，溫差很大，因此管內(nèi)存在的氣泡極易受冷凝而結(jié)成冰，并附著在管內(nèi)，使得差壓變送器測量受阻。嚴(yán)重時(shí)，液體進(jìn)入變送器，將使變送器結(jié)冰受損，最終導(dǎo)致液位計(jì)測量失靈，無法測出液位。

3 減小吹氣式液位計(jì)測量誤差的方法

3.1消除氣泡的方法

3.1.1熱力學(xué)第一定律

氣泡的穩(wěn)定性可以通過相平衡方程表示：

(3)

式中kB——玻爾茲曼常數(shù)；

patm——大氣壓強(qiáng)；

r——?dú)馀莸那拾霃剑?/p>

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——溫度；

xB——?dú)怏w在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)；

γ——?dú)庖航缑娴慕缑婺堋?/p>

當(dāng)式(3)左側(cè)大于0時(shí)，氣泡內(nèi)部氣體的化學(xué)勢(shì)大于溶液中氣體的化學(xué)勢(shì)，則氣泡溶解；當(dāng)式(3)左側(cè)小于0時(shí)，氣泡內(nèi)部氣體的化學(xué)勢(shì)小于溶液中氣體的化學(xué)勢(shì)，則氣泡生長變大[4]。所以，要消除氣泡就要破壞氣泡的穩(wěn)定性，使氣泡內(nèi)部氣體的化學(xué)勢(shì)大于溶液中氣體的化學(xué)勢(shì)，溫度降低，則氣泡溶解。這樣，反應(yīng)器中吹氣式液位計(jì)的負(fù)壓側(cè)管口處沒有氣泡大量聚集，所測得的液位就是反應(yīng)器內(nèi)溶液的真實(shí)液位。

3.1.2牛頓第一定律

當(dāng)氣泡與反應(yīng)器中的吹氣式液位計(jì)管口接觸時(shí)，氣泡與固體壁面的附著分為3個(gè)階段：接近與接觸階段；固體壁與氣泡之間水化膜變薄和氣泡破裂階段；氣泡附著在固體壁上，克服脫落力影響的階段[5]。當(dāng)氣泡附著在吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管壁上時(shí)，由于氣泡表面張力的作用，氣泡被束縛，導(dǎo)致氣泡大量積聚，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)上升的氣體帶動(dòng)氣泡，使得大量氣泡進(jìn)入負(fù)壓側(cè)水平管內(nèi)，并存留在管內(nèi)，無法排出[6]。為解決這一問題，利用力學(xué)原理，對(duì)吹氣式液位計(jì)進(jìn)行改造。改造后的吹氣式液位計(jì)工作原理如圖3所示，將吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)的水平管線改為有一定傾斜角度的管線，這樣，利用氣泡自身重力即可克服氣泡與管壁之間的表面張力，使氣泡降落進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)。

圖3 改造后的吹氣式液位計(jì)工作原理

對(duì)吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)豎直管線上能承受的最小距離，進(jìn)行傾斜角度改造，將原90°的水平管線改為120°，則根據(jù)勾股定理有：

X2+Y2=Z2

式中X——吹氣式液位計(jì)至反應(yīng)器頂端的垂直管線距離；

Y——吹氣式液位計(jì)至反應(yīng)器的水平管線距離；

Z——吹氣式液位計(jì)至反應(yīng)器頂端的斜邊距離。

X的取值范圍為0～80cm，由于X的最大值為80cm，因此改動(dòng)時(shí)，吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)垂直距離不能小于需安裝閥門的尺寸(10～20cm)。安裝閥門時(shí)，必須確保閥門無泄漏隱患，利用聲發(fā)射技術(shù)，在不拆卸、不影響正常生產(chǎn)的情況下，進(jìn)行閥門的在線泄漏檢測[7]。吹氣式液位計(jì)至反應(yīng)器的水平管線距離Y是100cm，吹氣式液位計(jì)變送器固定安裝高度為160cm。若使重力G產(chǎn)生的分力為最大，由力學(xué)知識(shí)可知，斜面上重力產(chǎn)生的分力為G×sinβ(β為吹氣式液位計(jì)至反應(yīng)器的水平管線與斜邊的夾角，這里指在90°上增加的量，范圍為0～90°)，則β越大，G×sinβ就越大，產(chǎn)生向下的分力越大，氣泡就越容易克服表面張力下落。又由于β越大，cosβ就會(huì)越小，cosβ=Y/Z，因此要求Z值相應(yīng)增大。不同傾斜角度下所對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離值見表1。

表1 不同傾斜角度下所對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離值

由表1可知，當(dāng)β為30°時(shí)，X的數(shù)值為57.73cm，已為其最大值，則吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)豎直高度改為80.00-57.73=22.27cm，傾斜角度90°+30°=120°，斜線長度115.473cm。

由于各廠安裝吹氣式液位計(jì)儀表的管線位置不同，在改動(dòng)管線時(shí)，傾斜角度會(huì)有所差異，因此應(yīng)根據(jù)管線所處的最大距離，選擇最大傾斜角度。同時(shí)，在進(jìn)行改造管線的過程中，進(jìn)行管線焊接時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免由于力學(xué)條件因素、淬硬組織因素或者是氫致因素所造成的管線焊接處裂紋，以確保焊接結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性[8]。在管線改造后，氣泡會(huì)受到重力分力影響，由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得氣泡順著管壁向下移動(dòng)，最終進(jìn)入反應(yīng)器。

3.2解決管線易凍的方法

由于冬季溫度較低，吹氣式液位計(jì)反應(yīng)器內(nèi)部與外部的管線溫差較大，若反應(yīng)器外部管線內(nèi)有液體存在，則極易冷凍成冰，附著在管線壁內(nèi)，堵塞管道，使儀表無法正常使用。在化工生產(chǎn)中，為解決管線易凍問題，需要給管線加伴熱。管道熱量損失Q損(單位W/m)的計(jì)算式為[9]：

(4)

式中d——管道外徑；

t1——管道介質(zhì)溫度；

t2——最低環(huán)境溫度；

δ——保溫層厚度；

λ——保溫材料的熱導(dǎo)率。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)式(4)進(jìn)行計(jì)算，使電伴熱的功率大于管線的熱量損失。同時(shí)，也需要給管線涂抹保溫涂料。保溫涂料一般為纖維稠狀膏體，它綜合了涂料和保溫材料的雙重特點(diǎn)，涂抹在要求保溫的設(shè)備和管道表面，干燥后即形成具有一定強(qiáng)度和彈性的保溫層，且在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)或振動(dòng)時(shí)不會(huì)開裂脫落[10]。

4 實(shí)踐效果

通過改造吹氣式液位計(jì)，利用溫度因素消除反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的大量氣泡，利用力學(xué)因素使吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)積聚的氣泡消除，以達(dá)到提高吹氣式液位計(jì)測量精確度的目的。再次投用吹氣式液位計(jì)，從化工廠的DCS監(jiān)控畫面中可以看出，在同一時(shí)刻，當(dāng)雷達(dá)液位計(jì)測量值分別為45%、47%、44%、42%、49%時(shí)，吹氣式液位計(jì)測量值分別為43%、44%、41%、40%、46%。從這些數(shù)據(jù)可以看出，吹氣式液位計(jì)與雷達(dá)液位計(jì)測量值趨勢(shì)一致，同升同降，兩者之間的測量值差距明顯減小，且吹氣式液位計(jì)測量誤差控制在3%以內(nèi)，液位值顯示較平穩(wěn)，無大幅波動(dòng)。

5 結(jié)束語

筆者針對(duì)引起吹氣式液位計(jì)測量誤差的外界因素，利用熱力學(xué)第一定律和牛頓第一定律研究了消除管內(nèi)氣泡的方法，并對(duì)原吹氣式液位計(jì)進(jìn)行了改造；同時(shí)提出對(duì)管線采取電伴熱措施以防止冬季管線凍裂的發(fā)生。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，吹氣式液位計(jì)負(fù)壓側(cè)管線內(nèi)積聚的氣泡被消除，其測量誤差控制在3%以內(nèi)，液位顯示平穩(wěn)，有效減小了吹氣式液位計(jì)的測量誤差，為化工生產(chǎn)中反應(yīng)器的正常運(yùn)行提供了保障。

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MethodofReducingAirBlowingLiquidIndicator’sMeasurementError

LV Na

(GraduateSchool,KashiUniversity,Kashi844008,China)

Having the working principle of air blowing liquid indicator based to analyze external factors which influencing the level measurement error and solutions to this error were proposed. The result shows that when the bubbles accumulated within the pipeline at negative pressure side are removed, the indicator’s measurement error can be kept within 3% along with a smooth liquid level indication.

air blowing liquid indicator, measuring error analysis, renovation

2016-01-23(修改稿)

TH816

B

1000-3932(2016)08-0814-04