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烟气脱硝工艺中利用差压变送器进行液氨储罐液位测量的介绍
发表时间：2018-11-23 点击次数：774 技术支持：1560-1403-222
作为一种重要的化工原料，液氨的生产与储存过程中对于液位的测量与控制是一项重要工作，液氨本身是一种有毒物质，同时在常温常压下极易溶于水。为了运输及储存便利，通常将气态氨通过加压或冷却的方式得到液态氨，储存于耐压钢瓶或储罐中，储罐内的液氨用量可通过液位检测来监控。液氨在许多行业上应用**，比如火力发电厂、钢铁厂等烟气脱硝工艺中较为常见的氨法脱硝工艺所用到的氨就可通过液氨蒸发来制备。为了帮助用户在生产中更合理更有效更**地进行液位计的测量，结合烟气脱硝工艺中液氨储罐的工艺特点及液氨特性，针对液氨储罐液位计选型，通过分析差压式测液位原理，讨论了法兰式差压变送器在液氨储罐液位检测上的应用，注意事项以及存在的问题。
1 液氨站简介
在烟气脱硝处理工艺中液氨站的目的是为了生产制备气态氨，主要设备有液氨卸料压缩机、液氨储罐、液氨蒸发器、氨气缓冲罐、氨气稀释槽、废水池及配套的泵、阀门、管路等附件（图1）。液氨的供应由液氨槽车运送，槽车与氨储存系统之间用鹤管卸料臂连接，利用卸料压缩机将液氨由槽车输入液氨储罐内；利用液氨储罐和液氨蒸发器之间压差和液氨自身的重力势能将液氨输送到液氨蒸发器内进行蒸发产生氨气。
图1 液氨站工艺流程
从上述流程可以看出液氨储罐作为液氨站的存储设备，在液氨站中相当于一个原料中心，负责生产气氨的原料储存库。按照《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》规定，液氨站按火灾危险乙类等级来设计，故该区域内电控设备都需要考虑防爆[1]。参考《固定式压力容器安全技术监察规程》[3] 来选择设备的防爆类型：液氨站的爆炸介质成分为氨，液位计的防爆型式无论是选择本安型还是隔爆型，原则上都可以。按照规范，防爆类别为Ⅱ类（工厂用电气设备），防爆级别为A 级，温度组别为T1。
2 选型方案
液氨储罐作为压力容器，在防火、防爆和防毒上都有许多要求。按照《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》，液氨储罐通常采用的是常温全压力、卧式钢结构，储罐的设计压力2.16 MPa，储罐材质为低合金钢。储罐设有人孔、进出料管、气体放空管、气相平衡管、排污管以及安全释放阀等设备，并且还需配备压力表、测温仪表以及液位计等安全检测装置。在工业过程控制中，关于液位检测选型时一般需要考虑以下因素：1）根据测量范围，需要考虑测量精度及测量功能选择；2）被测介质的物理化学性质和状态，如酸碱度、粘稠度，是否易凝固结晶和气化等；3）操作条件的变化，如介质温度、压力、浓度、密度等变化；4）被测对象容器的结构、形状、尺寸，容器内的设备附件及各种进出料管口都要考虑；5）测量仪表面对的环境，如是否存在可燃、有毒和爆炸危险，以及环境温度高低等。
2.1 液氨储罐特点分析
某钢铁厂烟气脱硝处理工段已投入运行的液氨站建设有3 个液氨储罐，每个储罐的大储存量为107 m3，结构形式均为卧式储罐（图2）。
图2 液氨储罐单体示意
本工程液氨储罐为静置的卧式储罐，分析其工况可以看到：1）储罐中液氨工作压力为1.5 MPa，温度为25℃，介质相对干净，储罐内部以气液两相形式存在，上部以气相形式存在，液氨本身无腐蚀性及粘附性问题，但如遇水则会迅速吸收生成氨水，则具有腐蚀性。2）储罐液面范围波动不大，在测量区域内液体介质也不存在其他设备的扰动。
2.2 选型方案
根据上述液氨储罐的工况特点，常见的几种物位检测仪表都能适用，如差压式液位计、磁翻板液位计、电容式液位计以及雷达液位计（包括导波雷达液位计等）。但是液氨储罐是压力容器，在液位检测上有其特别要求。根据《固定式压力容器安全技术监察规程》中的规定：用于易爆、毒性程度为极度、高度危害介质的液化气体压力容器上，有防止泄漏的保护装置。要符合这一要求的液位检测方案就相对有限。由于本工程储罐体积较大，采用了2 种方案来检测其液位：针对现场显示用的液位采用了磁翻板液位计（现场液位计口），而需要信号远传控制室的液位检测采用了法兰式差压变送器来测量（远传液位计口）。这两种方案都有防止泄漏的隔离保护装置，详见图3。
图3 磁翻板液位计及法兰式差压变送器
从图3 中可以看到如果要检修维护液位计，可以通过关断一次阀门，保证检修维护的时候不会有液氨泄漏。
由图2 中所示，右侧两个液位计开孔，安装为磁翻板液位计，现场指示用。而图中在左侧设置2 孔，安装为法兰式差压变送器。但安装位置并不是**的，磁翻板液位计以及法兰式差压变送器安装位置是根据现场工况布置来决定。磁翻板液位计作为现场指示液位用，是要安装在朝向卸氨区现场操作人员能直接观察到的位置。
本工程之所以选择法兰式差压变送器作为液氨储罐集中控制的液位计，主要是考虑到出法兰式差压变送器安装上有一次阀门，可以起到隔离、安全的防护作用。这点尤为重要，因为液氨站属于1 个防爆区域，液位计除了本身需要考虑防爆以外，还需要考虑与工艺管道设备连接处的密封安全措施，确保无泄漏。如果选择顶部安装的非接触式的液位计，比如雷达液位计（图4）。则会因为与罐体设备连接之间没有任何隔离措施，当液位计需要检修维护时，无法在生产正常运行时进行拆卸。一旦要对液位计进行检修维护，只能在储罐内液氨全部卸完，并且利用氮气置换确保储罐内无液氨及氨气存在，才能进行拆卸，这样做会影响正常工艺生产。而选择法兰式差压变送器，当变送器需要检修维护时，可以通过关断一次阀门，拆装变送器，而不必考虑拆装过程中，伴随着液氨外泄的情况，因此不会影响到系统的正常运行。
图4 雷达液位计安装
3 安装注意事项
法兰式差压变送器在安装过程中需要注意的事项如下。
3.1 安装位置的选择
差压式测液位的原理主要是根据公式(1)得出：
△P=ρgh （1）
式中：△P 表示差压，ρ 表示介质密度，g 表示重力加速度，h 代表高度。如果ρ 这个值相对不变，只要知道△P 的值，就可以得到需要的高度值。本工程中法兰式差压变送器采用的是双法兰式差压变送器，存在3 种安装方式，如图5[4]：
图5 双法兰差压变送器安装位置
3 种安装位置是一样的，其量程和迁移量分析计算如下：
1）量程计算。以变送器安装在两法兰中间位置为例，当液面高时，法兰变送器高压侧压力P1=（H1+H2）ρ 介g+P0－H1ρ0g。其中，ρ 介为被测介质的密度；ρ0为变送器膜盒内填充液的密度，P0为容器内的压力；g 为重力加速度。当液面低时， 法兰变送器高压侧压力P2=－H1ρ0g+P0，于是变送器量程△P=P1－P2=（H1+H2）ρ 介g=H0 ρ 介g。同样方法可以证明，变送器安装在2 个法兰上面和下面的量程也是H0ρ 介g。2）零点迁移量计算。仍以变送器安装在两法兰中间为例， 当液面低时， 法兰变送器高压侧压力为P2=－H1ρ0g+P0 ， 法兰变送器低压侧压力P3=H2ρ0g+ P0，于是变送器的迁移量Z=P2－P3=－（H1+H2）ρ0g=－H0ρ0g。同样方法可以证明，变送器安装在2 个法兰上面和下面的迁移量也是一样的。
综上，变送器无论是安装在2 个法兰上面、中间或下面的迁移量和量程是一样的。但3 种安装位置，变送器所受的静压不同。当液位低时，变送器高低压侧所受的静压P2（高压侧）和P3（低压侧）分别如下: 变送器安装在下面位置时，P2=H1 ρ0 g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 变送器安装在中间位置时，P2=－H1ρ0g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 变送器安装在上面位置时，P2=－H1ρ0g+P0；P3=－H2ρ0g+P0。若P0=0，则变送器安装在2 个法兰下面时，P2和P3均为正压；变送器安装在中间位置时，P2为负压和P3为正压；安装在2 个法兰上面时，P2和P3均为负压。如果变送器工作在负压状态，并超过了它的允许负压值，则填充液会汽化，隔离膜片会外鼓，从而引起测量不准，甚至造成仪表损坏。如果容器内的压力较高，即P0大于H1ρ0g 和H2ρ0g，则变送器装在什么位置都可以，其高低压侧都不会出现负压。但是容器内总有空罐没有压力，甚至有时候会抽空，出现P0为负的时候，因此法兰变送器的正确安装位置一定要装在2 个法兰下面，只有这样，才能避免出现负压，确保正确测量。通过以上分析，可以看到选择*先种安装方式是佳方式。
3.2 安装件的选择
1）关于一次阀门选择需要注意的是，不能采用蝶阀。否则，阀板在打开过程中，会触碰到隔离法兰膜片，影响测量准确性，甚至可能损坏膜片。隔离法兰膜片一旦受损，整个变送器也会随之报废。
2）紧固件的选择，主要是垫片的选择。从图3 中可以看到，隔离法兰与一次阀门法兰连接，一次阀门法兰与储罐法兰之间连接紧固时需要采用垫片，而这种垫片必须选择金属缠绕石墨垫片，以为此类垫片在高压情况下，密封性能好，适用于液氨储罐这种密封等级要求很高的地方。另外，膜片在安装紧固的过程中千万不能让垫片压到膜片，否则影响测量。
4 存在的问题
法兰式差压变送器虽有其优点，但也存在一些问题，例如由于环境温度影响，毛细管的内的硅油密度也会受到影响，从而会引起测量误差。另外，毛细管的长度在满足安装要求的情况下应尽量选择短的。一般大型液氨储罐都要求设置两种类型的液位计，本身随液氨储罐生产厂商设备会配套磁翻板液位计，只做就地显示用。而利用法兰式差压变送器来检测液位，有时还需要利用磁翻板液位计的示值来验证其测量值是否相对准确。另外，还需特别说明的是，差压式液位检测是基于介质密度相对稳定的情况。储罐中的液氨比重随环境温度变化会产生微小的变化，相对工业过程控制来说可以忽略不计，不过多少还是影响了液位测量的精确性。
5 结束语
任何检测仪表都不可能做到完美，特别是在工业过程控制中，面对复杂多变的工况，只有从全面综合的角度出发选出合适的。本文阐述的法兰式差压变送器作为液氨储罐液位计，同样存在很多不足，但液氨作为一种可燃有毒物质，在选择其储罐液位计时，有必要更多的从安全维护角度上去考虑。
上一条：实现磁翻板液位计正确选型要了解的7个参数要求
下一条：造成磁翻板液位计浮子不稳定情况的三方面因素分析
1 液氨站简介
在烟气脱硝处理工艺中液氨站的目的是为了生产制备气态氨，主要设备有液氨卸料压缩机、液氨储罐、液氨蒸发器、氨气缓冲罐、氨气稀释槽、废水池及配套的泵、阀门、管路等附件（图1）。液氨的供应由液氨槽车运送，槽车与氨储存系统之间用鹤管卸料臂连接，利用卸料压缩机将液氨由槽车输入液氨储罐内；利用液氨储罐和液氨蒸发器之间压差和液氨自身的重力势能将液氨输送到液氨蒸发器内进行蒸发产生氨气。
从上述流程可以看出液氨储罐作为液氨站的存储设备，在液氨站中相当于一个原料中心，负责生产气氨的原料储存库。按照《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》规定，液氨站按火灾危险乙类等级来设计，故该区域内电控设备都需要考虑防爆[1]。参考《固定式压力容器安全技术监察规程》[3] 来选择设备的防爆类型：液氨站的爆炸介质成分为氨，液位计的防爆型式无论是选择本安型还是隔爆型，原则上都可以。按照规范，防爆类别为Ⅱ类（工厂用电气设备），防爆级别为A 级，温度组别为T1。
2 选型方案
液氨储罐作为压力容器，在防火、防爆和防毒上都有许多要求。按照《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》，液氨储罐通常采用的是常温全压力、卧式钢结构，储罐的设计压力2.16 MPa，储罐材质为低合金钢。储罐设有人孔、进出料管、气体放空管、气相平衡管、排污管以及安全释放阀等设备，并且还需配备压力表、测温仪表以及液位计等安全检测装置。在工业过程控制中，关于液位检测选型时一般需要考虑以下因素：1）根据测量范围，需要考虑测量精度及测量功能选择；2）被测介质的物理化学性质和状态，如酸碱度、粘稠度，是否易凝固结晶和气化等；3）操作条件的变化，如介质温度、压力、浓度、密度等变化；4）被测对象容器的结构、形状、尺寸，容器内的设备附件及各种进出料管口都要考虑；5）测量仪表面对的环境，如是否存在可燃、有毒和爆炸危险，以及环境温度高低等。
2.1 液氨储罐特点分析
某钢铁厂烟气脱硝处理工段已投入运行的液氨站建设有3 个液氨储罐，每个储罐的大储存量为107 m3，结构形式均为卧式储罐（图2）。
本工程液氨储罐为静置的卧式储罐，分析其工况可以看到：1）储罐中液氨工作压力为1.5 MPa，温度为25℃，介质相对干净，储罐内部以气液两相形式存在，上部以气相形式存在，液氨本身无腐蚀性及粘附性问题，但如遇水则会迅速吸收生成氨水，则具有腐蚀性。2）储罐液面范围波动不大，在测量区域内液体介质也不存在其他设备的扰动。
2.2 选型方案
根据上述液氨储罐的工况特点，常见的几种物位检测仪表都能适用，如差压式液位计、磁翻板液位计、电容式液位计以及雷达液位计（包括导波雷达液位计等）。但是液氨储罐是压力容器，在液位检测上有其特别要求。根据《固定式压力容器安全技术监察规程》中的规定：用于易爆、毒性程度为极度、高度危害介质的液化气体压力容器上，有防止泄漏的保护装置。要符合这一要求的液位检测方案就相对有限。由于本工程储罐体积较大，采用了2 种方案来检测其液位：针对现场显示用的液位采用了磁翻板液位计（现场液位计口），而需要信号远传控制室的液位检测采用了法兰式差压变送器来测量（远传液位计口）。这两种方案都有防止泄漏的隔离保护装置，详见图3。
从图3 中可以看到如果要检修维护液位计，可以通过关断一次阀门，保证检修维护的时候不会有液氨泄漏。
由图2 中所示，右侧两个液位计开孔，安装为磁翻板液位计，现场指示用。而图中在左侧设置2 孔，安装为法兰式差压变送器。但安装位置并不是**的，磁翻板液位计以及法兰式差压变送器安装位置是根据现场工况布置来决定。磁翻板液位计作为现场指示液位用，是要安装在朝向卸氨区现场操作人员能直接观察到的位置。
本工程之所以选择法兰式差压变送器作为液氨储罐集中控制的液位计，主要是考虑到出法兰式差压变送器安装上有一次阀门，可以起到隔离、安全的防护作用。这点尤为重要，因为液氨站属于1 个防爆区域，液位计除了本身需要考虑防爆以外，还需要考虑与工艺管道设备连接处的密封安全措施，确保无泄漏。如果选择顶部安装的非接触式的液位计，比如雷达液位计（图4）。则会因为与罐体设备连接之间没有任何隔离措施，当液位计需要检修维护时，无法在生产正常运行时进行拆卸。一旦要对液位计进行检修维护，只能在储罐内液氨全部卸完，并且利用氮气置换确保储罐内无液氨及氨气存在，才能进行拆卸，这样做会影响正常工艺生产。而选择法兰式差压变送器，当变送器需要检修维护时，可以通过关断一次阀门，拆装变送器，而不必考虑拆装过程中，伴随着液氨外泄的情况，因此不会影响到系统的正常运行。
3 安装注意事项
法兰式差压变送器在安装过程中需要注意的事项如下。
3.1 安装位置的选择
差压式测液位的原理主要是根据公式(1)得出：
△P=ρgh （1）
式中：△P 表示差压，ρ 表示介质密度，g 表示重力加速度，h 代表高度。如果ρ 这个值相对不变，只要知道△P 的值，就可以得到需要的高度值。本工程中法兰式差压变送器采用的是双法兰式差压变送器，存在3 种安装方式，如图5[4]：
3 种安装位置是一样的，其量程和迁移量分析计算如下：
1）量程计算。以变送器安装在两法兰中间位置为例，当液面高时，法兰变送器高压侧压力P1=（H1+H2）ρ 介g+P0－H1ρ0g。其中，ρ 介为被测介质的密度；ρ0为变送器膜盒内填充液的密度，P0为容器内的压力；g 为重力加速度。当液面低时， 法兰变送器高压侧压力P2=－H1ρ0g+P0，于是变送器量程△P=P1－P2=（H1+H2）ρ 介g=H0 ρ 介g。同样方法可以证明，变送器安装在2 个法兰上面和下面的量程也是H0ρ 介g。2）零点迁移量计算。仍以变送器安装在两法兰中间为例， 当液面低时， 法兰变送器高压侧压力为P2=－H1ρ0g+P0 ， 法兰变送器低压侧压力P3=H2ρ0g+ P0，于是变送器的迁移量Z=P2－P3=－（H1+H2）ρ0g=－H0ρ0g。同样方法可以证明，变送器安装在2 个法兰上面和下面的迁移量也是一样的。
综上，变送器无论是安装在2 个法兰上面、中间或下面的迁移量和量程是一样的。但3 种安装位置，变送器所受的静压不同。当液位低时，变送器高低压侧所受的静压P2（高压侧）和P3（低压侧）分别如下: 变送器安装在下面位置时，P2=H1 ρ0 g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 变送器安装在中间位置时，P2=－H1ρ0g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 变送器安装在上面位置时，P2=－H1ρ0g+P0；P3=－H2ρ0g+P0。若P0=0，则变送器安装在2 个法兰下面时，P2和P3均为正压；变送器安装在中间位置时，P2为负压和P3为正压；安装在2 个法兰上面时，P2和P3均为负压。如果变送器工作在负压状态，并超过了它的允许负压值，则填充液会汽化，隔离膜片会外鼓，从而引起测量不准，甚至造成仪表损坏。如果容器内的压力较高，即P0大于H1ρ0g 和H2ρ0g，则变送器装在什么位置都可以，其高低压侧都不会出现负压。但是容器内总有空罐没有压力，甚至有时候会抽空，出现P0为负的时候，因此法兰变送器的正确安装位置一定要装在2 个法兰下面，只有这样，才能避免出现负压，确保正确测量。通过以上分析，可以看到选择*先种安装方式是佳方式。
3.2 安装件的选择
1）关于一次阀门选择需要注意的是，不能采用蝶阀。否则，阀板在打开过程中，会触碰到隔离法兰膜片，影响测量准确性，甚至可能损坏膜片。隔离法兰膜片一旦受损，整个变送器也会随之报废。
2）紧固件的选择，主要是垫片的选择。从图3 中可以看到，隔离法兰与一次阀门法兰连接，一次阀门法兰与储罐法兰之间连接紧固时需要采用垫片，而这种垫片必须选择金属缠绕石墨垫片，以为此类垫片在高压情况下，密封性能好，适用于液氨储罐这种密封等级要求很高的地方。另外，膜片在安装紧固的过程中千万不能让垫片压到膜片，否则影响测量。
4 存在的问题
法兰式差压变送器虽有其优点，但也存在一些问题，例如由于环境温度影响，毛细管的内的硅油密度也会受到影响，从而会引起测量误差。另外，毛细管的长度在满足安装要求的情况下应尽量选择短的。一般大型液氨储罐都要求设置两种类型的液位计，本身随液氨储罐生产厂商设备会配套磁翻板液位计，只做就地显示用。而利用法兰式差压变送器来检测液位，有时还需要利用磁翻板液位计的示值来验证其测量值是否相对准确。另外，还需特别说明的是，差压式液位检测是基于介质密度相对稳定的情况。储罐中的液氨比重随环境温度变化会产生微小的变化，相对工业过程控制来说可以忽略不计，不过多少还是影响了液位测量的精确性。
5 结束语
任何检测仪表都不可能做到完美，特别是在工业过程控制中，面对复杂多变的工况，只有从全面综合的角度出发选出合适的。本文阐述的法兰式差压变送器作为液氨储罐液位计，同样存在很多不足，但液氨作为一种可燃有毒物质，在选择其储罐液位计时，有必要更多的从安全维护角度上去考虑。
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