孫萌
(中國石化工程建設(shè)有限公司,中國 北京 100101)
在石油化工流程中測量物位時,差壓液位變送器被廣泛使用。差壓液位變送器有智能差壓液位變送器、遠(yuǎn)傳型(RS)雙法蘭差壓液位變送器、電子遠(yuǎn)傳型(ERS)雙法蘭差壓液位變送器等多種型式。
差壓變送器本體的測量原理為高、低壓側(cè)各有一個感壓膜片,分別受壓后,各自的感壓膜片發(fā)生位移,產(chǎn)生差動電容,經(jīng)過電容電流轉(zhuǎn)換電路,根據(jù)特定比率將壓力變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流輸入信號,進入同一個變送器并計算差壓,將差壓的變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。
標(biāo)準(zhǔn)的雙法蘭差壓液位變送器包括: 法蘭盤、毛細(xì)管、安裝支架和測量表頭[1]。其法蘭盤中裝有膜片,法蘭盤與毛細(xì)管相連,毛細(xì)管中充有油狀液體,通過膜片受壓導(dǎo)致的形變推動毛細(xì)管中的充油,使表頭測到兩側(cè)壓力,從而計算差壓和物位。
由于接液部分在法蘭盤處,表頭不直接與介質(zhì)接觸,它的膜片可以阻隔污濁、顆粒等進入表頭,因此適合測量具有腐蝕性、黏度大、易結(jié)晶、低凝固點液位的被測介質(zhì),此外還具有較高的靈敏度,較好的重復(fù)性,在最困難的條件下也能確保物位測量的可靠性和精度,調(diào)試較簡單,維護量較小等優(yōu)勢。
毛細(xì)管本身的局限性如下:
1)毛細(xì)管充油可能會發(fā)生漏油現(xiàn)象,在振動較大的設(shè)備上更加明顯,其維護將在投產(chǎn)后增加額外的工作量。
2)帶毛細(xì)管的雙法蘭差壓液位變送器有一定局限性,若毛細(xì)管較長,在環(huán)境溫度變化的過程中,填充液的體積變化較大,增加了儀表的誤差、滯后及其他不確定性。[文獻(xiàn)2]規(guī)定毛細(xì)管單根最大長度為15 m。
3)在一定環(huán)境溫度下,毛細(xì)管需要做好保溫伴熱措施,伴熱既增加了工作量,又占用了設(shè)備的平臺空間;若儀表離伴熱總管較遠(yuǎn)或儀表位置較高,還會影響伴熱效果[3]。
4)由于毛細(xì)管填充液的重力原因?qū)ψ兯推鳟a(chǎn)生壓力,這時需對變送器進行零點遷移,給現(xiàn)場施工人員帶來了一定的工作量。多數(shù)現(xiàn)場施工人員不做零點遷移工作,需要廠家來完成并維護。
當(dāng)單根毛細(xì)管長超過15 m,通常不適宜選用1臺毛細(xì)管式雙法蘭差壓液位變送器來測量。這種情況下有三種傳統(tǒng)解決方案。
該方案是多臺變送器分段串聯(lián)使用,將設(shè)備分段測出的物位分別送入控制系統(tǒng),如DCS,在控制系統(tǒng)中將不重合的部分相加即為整個設(shè)備的物位。
該方案的優(yōu)點是原理簡單,解決了毛細(xì)管過長帶來的誤差問題;缺點是使用多個變送器,在一定程度上增加了成本、故障率及安裝和維護的工作量,增加了設(shè)備平臺的數(shù)量。由于增加了測量設(shè)備,導(dǎo)致測量管口數(shù)量也隨之增加,對設(shè)備的設(shè)計提出了更多要求,同時對設(shè)備管口附近的安裝空間有更多需求。變送器數(shù)量增加將導(dǎo)致儀表電纜增多,設(shè)備從上到下的電纜敷設(shè)更加復(fù)雜。最重要的是,多臺差壓變送器送到控制系統(tǒng)的信號很難保證其同步性,當(dāng)壓力產(chǎn)生波動時,若各臺變送器的信號完全同步,波動往往可以抵消;若各臺變送器的信號不同步,那么波動是加倍的。因此,這種方式在一定程度上增加了誤差,降低了抗干擾性。
該方案是使用2臺單法蘭壓力變送器,分別安裝在頂部和底部測量管口,分別將壓力值送入控制系統(tǒng),在系統(tǒng)中實時相減得出差壓,進而計算出物位。
該方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,解決了毛細(xì)管帶來的大部分誤差問題,避免了大量的伴熱,減輕了后續(xù)使用中的維護壓力,減少了電纜、穿線管、槽盒的使用,節(jié)約了成本和安裝空間。
該方案的缺點是得出的差壓較直接測量誤差更大,為了降低誤差,該方案常需要使用更高精度的變送器,導(dǎo)致進一步增加了成本。其次,2臺壓力變送器送到DCS的信號同樣很難保證其同步性,同樣會在一定程度上增加誤差,降低抗干擾性。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),信號不同步是該類方案最主要的誤差來源。
為了消除上述誤差的影響,提高測量精度,在重要的物位測量位置,往往會采用前兩種方案相結(jié)合的方式。一方面分段使用帶毛細(xì)管的雙法蘭差壓液位變送器[3],分別送入控制系統(tǒng)中進行物位的疊加,同時又在頂部和底部使用2臺單法蘭壓力變送器,分別送入控制系統(tǒng)中計算差壓和物位。結(jié)合兩個計算結(jié)果來控制、報警或聯(lián)鎖,降低了誤差,增強了安全性,但大幅增加了成本。
針對上述情況,ERS架構(gòu)更宜被使用。ERS架構(gòu)指ERS型雙法蘭差壓液位變送器的架構(gòu),它的原理是使用通過非專用電纜連接在一起的2臺壓力傳感器,直接安裝在設(shè)備上下法蘭處,在其中1臺變送器中以電子方式計算差壓,并采用標(biāo)準(zhǔn)的兩線制4~20 mA疊加HART信號或FF總線信號傳輸回DCS。
ERS架構(gòu)的優(yōu)點如下:
1)比起上述三種傳統(tǒng)模式,該方案節(jié)省了分支電纜,因而節(jié)省了電纜敷設(shè)的成本和工作量。該方案相比于多變送器串聯(lián)的傳統(tǒng)方案,減少了變送器的數(shù)量,因而減少了平臺的空間需求和管口的數(shù)量需求。
2)ERS架構(gòu)利用電信號取代了毛細(xì)管傳導(dǎo),精度高、誤差小,解決了毛細(xì)管過長帶來的大部分誤差,減少了環(huán)境溫度對測量的影響。
3)ERS架構(gòu)在變送器端進行計算,再送入控制系統(tǒng),因此該方案的同步性高,降低了因信號不同步產(chǎn)生的誤差。
4)ERS架構(gòu)利用電信號取代了毛細(xì)管傳導(dǎo),響應(yīng)時間快,即使介質(zhì)溫度大范圍變化,也可以具有較快的響應(yīng)速度。
5)該方案無毛細(xì)管長度要求,其高低壓側(cè)表頭處電纜長度最長可達(dá)到非本安應(yīng)用152.4 m,本安應(yīng)用最長為68.58 m,SIS應(yīng)用最長為60.96 m,提高了備品配件的通用性,適用于各種大型設(shè)備的物位測量。
6)該方案安裝維護簡化,省去了毛細(xì)管的大量保溫伴熱,防止了毛細(xì)管產(chǎn)生的滲漏、冷凝、蒸發(fā)、堵塞等問題。ERS架構(gòu)儀表間使用非專用電纜,減少了維護難度。
7)ERS儀表還具有實時監(jiān)控和自診斷功能[4]。
ERS架構(gòu)也有局限性,首先是目前ERS型雙法蘭差壓液位變送器相較于傳統(tǒng)RS型雙法蘭差壓液位變送器,價格更高,這是由它的構(gòu)造決定的,ERS型雙法蘭差壓液位變送器實際上是2臺變送器相連接。其次,在靜壓較大、差壓較小時也存在不適用的問題。
綜上分析了RS型和ERS型雙法蘭差壓液位變送器的優(yōu)缺點,下文介紹通過某制造商對這兩種變送器的實驗分析過程,研究性能指標(biāo)如何量化,從而定量估計RS架構(gòu)和ERS架構(gòu)的適用情況。
控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有三個方面: 穩(wěn)定性,動態(tài)性能,穩(wěn)態(tài)性能[5]。具體分析如下:
1)穩(wěn)定性指系統(tǒng)在受到擾動后自動返回原來平衡狀態(tài)的能力。
2)動態(tài)性能是當(dāng)系統(tǒng)受到外部擾動的影響或者參考輸入值發(fā)生變化時,被控制量隨之變化,一段過渡過程后,被控制量恢復(fù)到原平衡狀態(tài)或穩(wěn)定在新的給定狀態(tài)[6],該時間越短,通常認(rèn)為動態(tài)性能越好。因此,智能變送器需考察響應(yīng)時間,即當(dāng)輸入信號變化,智能變送器從接收至輸出正確工業(yè)信號的時間,其影響因素有: RS型雙法蘭差壓液位變送器的響應(yīng)時間=本體響應(yīng)時間+毛細(xì)管傳遞時間+系統(tǒng)響應(yīng)時間,ERS型雙法蘭差壓液位變送器的響應(yīng)時間=本體響應(yīng)時間+0(無毛細(xì)管)+系統(tǒng)響應(yīng)時間。因此,理論上可以從變送器本體、毛細(xì)管以及系統(tǒng)響應(yīng)時間等方面分析變送器響應(yīng)時間,由此分析變送器的動態(tài)性能。
3)穩(wěn)態(tài)性能指系統(tǒng)在完成過渡過程后的穩(wěn)態(tài)輸出偏離希望值的程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小,系統(tǒng)精度越高[5]。變送器測量中,誤差包含系統(tǒng)誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差指在重復(fù)性條件下對同一被測量進行無限次數(shù)測量結(jié)果的平均值減被測量的真值[7];系統(tǒng)誤差是非隨機的誤差,有著確定的規(guī)律性,是可控的。在某些情況下,尤其在高精度測量中,系統(tǒng)誤差可占測量誤差的50%以上,因此,消除系統(tǒng)誤差往往成為提高測量精度的關(guān)鍵。
根據(jù)雙法蘭差壓液位變送器的基本結(jié)構(gòu)可知,RS雙法蘭差壓液位變送器的系統(tǒng)誤差=膜片處產(chǎn)生誤差+毛細(xì)管產(chǎn)生誤差+本體產(chǎn)生誤差;ERS雙法蘭差壓液位變送器的系統(tǒng)誤差=膜片處產(chǎn)生誤差+0(無毛細(xì)管)+本體產(chǎn)生誤差。影響系統(tǒng)誤差的因素有很多,基本可以從上下管口處、毛細(xì)管處、表頭端來分析。例如,在毛細(xì)管中所充的硅油會因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮[8],進而產(chǎn)生一定系統(tǒng)誤差,需研究環(huán)境溫度和毛細(xì)管長度對測量的影響;其次對于表頭端,若高壓側(cè)和低壓側(cè)的差壓較小,變送器精度有限,更易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,需研究差壓大小對測量的影響;此外,管口處、膜片處也會產(chǎn)生誤差和波動。
系統(tǒng)誤差是隱藏在測量數(shù)據(jù)之中的,常用的估算方法有實驗對比法、儀器對比法、參量改變對比法、改變實驗條件對比法等。當(dāng)不適宜在實際裝置中進行實驗,可通過軟件進行模擬。某制造商使用比對工具箱“SOAP”,在其中輸入基本工況后進行儀表的大致選型,然后模擬一組可能的數(shù)據(jù)作為參考。該研究設(shè)計了不同工況、不同參數(shù)、不同選型的多組液位變送器,經(jīng)該比對工具箱模擬及比對,得到一系列變送器性能表現(xiàn)計算書,從而分析不同工況下毛細(xì)管型和ERS型差壓液位變送器哪一種更適用,誤差更小,響應(yīng)時間更快。
當(dāng)工況和選型被輸入,模擬出的誤差會以一個基準(zhǔn)線為中心呈正態(tài)分布,該基準(zhǔn)線就是遠(yuǎn)傳帶來的系統(tǒng)誤差[8]。同時,找到正態(tài)分布的最大值和最小值,得到一個公差帶,即為容差,包含機械、電子、任何可能產(chǎn)生的最大誤差。儀表誤差能否被接受,就需要看該數(shù)值是否可接受。
綜上所述,確定了理論和工具,用控制變量法進行對照實驗,選取系統(tǒng)的響應(yīng)時間和系統(tǒng)誤差作為主要參考指標(biāo)來分析RS型架構(gòu)和ERS型架構(gòu)的優(yōu)勢劣勢。
首先,選取1臺已在某化工項目中正常投入使用的差壓液位變送器作為實驗初始樣本,從而在最大程度上避免因選型不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差,沿用該變送器選型及參數(shù),每輪實驗僅設(shè)置單一變量,其余參數(shù)不變,設(shè)置以下幾輪實驗。
首先,研究不同的環(huán)境溫度對儀表測量誤差的影響,單一變量為環(huán)境溫度,其余參數(shù)選取相同值。對象一選取了廣東省某市,該市2022年最低溫度為2.8 ℃,最高溫度為37.9 ℃;主要參數(shù): 介質(zhì)為液態(tài)烴,高、低壓側(cè)法蘭間距為10 m,選對稱式毛細(xì)管時毛細(xì)管長度為2×15 m,差壓為0~78 kPa,靜壓為2 MPa。
由制造商操作通過軟件模擬并生成計算書,提取計算結(jié)果,每個實驗均包含四種選型,第一種是選用RS型雙法蘭差壓液位變送器的計算結(jié)果,毛細(xì)管選擇對稱式;第二種是RS型雙法蘭差壓液位變送器的計算結(jié)果,毛細(xì)管為非對稱式;第三種是選用ERS雙法蘭差壓液位變送器的經(jīng)典型;第四種選用ERS雙法蘭差壓液位變送器的高精度型。每種選型分別計算了響應(yīng)時間、系統(tǒng)誤差、概率偏差、容差等,因篇幅省略計算數(shù)據(jù)表,從計算結(jié)果可以看出:
1)ERS型雙法蘭差壓液位變送器相比RS型雙法蘭差壓液位變送器,響應(yīng)時間顯著減少。
2)ERS型雙法蘭差壓液位變送器的總誤差較RS型雙法蘭差壓液位變送器的顯著減少。
3)該工況下,ERS型雙法蘭差壓液位變送器的表現(xiàn)優(yōu)于RS型雙法蘭差壓液位變送器,而非對稱式RS型雙法蘭差壓液位變送器的表現(xiàn)優(yōu)于對稱式RS型雙法蘭差壓液位變送器,高精度ERS型雙法蘭差壓液位變送器的表現(xiàn)優(yōu)于經(jīng)典型ERS型雙法蘭差壓液位變送器。
4)ERS型雙法蘭差壓液位變送器包括本體和膜片部分,因為在膜片處多一段充油,所以ERS型雙法蘭差壓液位變送器的比毛細(xì)管的概率偏差理論上更高,RS型雙法蘭差壓液位變送器在膜片處的充油計入了毛細(xì)管充油,因此概率偏差理論上更低,實際結(jié)果數(shù)據(jù)符合這一規(guī)律。
其次,對象二將單一變量環(huán)境溫度設(shè)置為黑龍江省某市,該市2022年最低溫度為-22 ℃,最高溫度為21 ℃,其余選型參數(shù)不變,再次進行計算。從計算結(jié)果可以看出,在該工況下,四種儀表類型的計算結(jié)果規(guī)律與對象一相同。通過對象二與對象一的計算結(jié)果對比,在環(huán)境溫差較大的工況下,誤差更大,響應(yīng)時間更長,在最低溫度較低時尤其明顯。而ERS型儀表對于溫差較大的工況,能夠更好地控制響應(yīng)時間和誤差的增幅,表現(xiàn)較為穩(wěn)定。
首先,研究不同毛細(xì)管長度對測量結(jié)果的影響,設(shè)置單一變量為毛細(xì)管長度,對象三為2×15 m(對稱型)和1×15 m(非對稱型),對象四為2×10 m(對稱型)和1×10 m(非對稱型),其余參數(shù)保持不變。
通過對象四與對象三的計算結(jié)果對比可以得出,因ERS型雙法蘭差壓液位變送器不帶毛細(xì)管,因此毛細(xì)管的長度變化對誤差值的影響幾乎可忽略不計,因此ERS型雙法蘭差壓液位變送器可以顯著降低上文所述在毛細(xì)管處產(chǎn)生的誤差。
該實驗研究差壓液位變送器高、低壓側(cè)差壓的大小對測量結(jié)果的影響,設(shè)置單一變量為差壓。差壓值在選型時通常不是直接定義,而是根據(jù)工藝條件確定,根據(jù)差壓計算公式Δp=ρgH,在介質(zhì)不變的情況下,可通過改變高、低壓側(cè)法蘭距離來改變變送器差壓,對象五為法蘭距離為5 m,對象六為10 m,其余參數(shù)不變。
通過對象五、對象六的計算結(jié)果對比可知,當(dāng)差壓液位變送器高、低壓側(cè)管口距離增大,則差壓增大,對RS型雙法蘭差壓液位變送器的影響為響應(yīng)時間顯著增加,而系統(tǒng)誤差和容差略微增加。對ERS型雙法蘭差壓液位變送器的響應(yīng)時間幾乎沒有影響,而誤差顯著減小。
綜上,當(dāng)差壓液位變送器高、低壓側(cè)差壓值增大,ERS型雙法蘭差壓液位變送器更能滿足需求。
該實驗研究被測介質(zhì)的靜壓大小對測量結(jié)果的影響,設(shè)置單一變量為靜壓,對象七與對象八分別假設(shè)操作表壓為1 MPa和4 MPa,其余參數(shù)保持不變。對比2個計算結(jié)果可以得出: 總體ERS型雙法蘭差壓液位變送器的表現(xiàn)優(yōu)于RS型雙法蘭差壓液位變送器,被測介質(zhì)的靜壓值對RS型及ERS型雙法蘭差壓液位變送器的響應(yīng)時間影響較小;靜壓值增大,RS型雙法蘭差壓液位變送器誤差增加較小,ERS型雙法蘭差壓液位變送器誤差增加較大。
綜上所述,靜壓大小對ERS型雙法蘭差壓液位變送器影響更大。
為避免實驗樣本較少影響研究的可靠性,將樣本進一步擴大,改變變送器的尺寸、磅級、介質(zhì)以及材質(zhì)等,作為新的實驗樣本,重復(fù)實驗一至四,得到新的幾組計算數(shù)據(jù)進行分析,得到的規(guī)律與結(jié)論與上述基本一致。
綜上,通過對ERS型雙法蘭差壓液位變送器的幾個輪次的實驗對比分析,得出如下結(jié)論:
1)總結(jié)變送器的動態(tài)性能的影響因素,通過分析變送器響應(yīng)時間,可以得出:
a)對于RS型雙法蘭差壓液位變送器,毛細(xì)管長度越長,響應(yīng)時間隨之增加。
b)對于RS型雙法蘭差壓液位變送器,溫度變化對毛細(xì)管中硅油的體積有很大影響,環(huán)境溫差越大,響應(yīng)時間隨之增加。
c)ERS型雙法蘭差壓液位變送器相比RS型雙法蘭差壓液位變送器,響應(yīng)時間顯著減少。
d)變送器精度、變送器高低壓側(cè)差壓以及被測介質(zhì)的靜壓對響應(yīng)時間影響極小。
2)總結(jié)變送器的穩(wěn)態(tài)性能的影響因素,通過分析變送器的系統(tǒng)誤差及容差,可以得出:
a)對于RS型雙法蘭差壓液位變送器,毛細(xì)管長度越長,誤差隨之增大。
b)對于RS型雙法蘭差壓液位變送器,同樣因為溫度變化對毛細(xì)管中硅油的體積有很大影響,環(huán)境溫差越大,誤差隨之增大。
c)對于差壓液位變送器高低壓側(cè)管口距離較大,高低壓側(cè)差壓較大,以及被測介質(zhì)的靜壓較小的工況下,ERS雙法蘭差壓液位變送器的優(yōu)勢更明顯。
d)ERS雙法蘭差壓液位變送器的總體誤差要遠(yuǎn)小于RS雙法蘭差壓液位變送器的總體誤差。
e)特別注意: 一些對稱式RS雙法蘭差壓液位變送器不適用的情況,非對稱式RS雙法蘭差壓液位變送器卻很適用。
通過參考某制造商對ERS變送器進行實驗所獲得的龐大的計算數(shù)據(jù),以及近年來ERS雙法蘭差壓液位變送器在某1.6×106t/a乙烯裝置的實際應(yīng)用經(jīng)驗,總結(jié)出了ERS雙法蘭差壓液位變送器的應(yīng)用建議如下:
1)ERS型雙法蘭差壓液位變送器在環(huán)境溫度變化范圍較寬,溫差變化較大的地區(qū)優(yōu)勢更明顯,在高緯度或高海拔地區(qū)尤為適用。
2)根據(jù)實際經(jīng)驗,兩管口安裝間距超過8 m,建議優(yōu)先考慮ERS型雙法蘭差壓液位變送器,管口間距小于8 m則不需要優(yōu)先考慮。
3)兩管口差壓大,靜壓小的情況下,更適宜選用ERS型雙法蘭差壓液位變送器。參考制造商大量計算數(shù)據(jù),理論上,靜壓(p1)和差壓(p2)在(p1+p2)/p2<100∶1的情況下,ERS型雙法蘭差壓液位變送器更適用。但實際工程中,變送器通常不會滿量程使用,根據(jù)實際經(jīng)驗,靜壓和差壓在(p1+p2)/p2<30∶1,ERS型雙法蘭差壓液位變送器優(yōu)勢更加顯著。
4)當(dāng)使用RS型雙法蘭差壓液位變送器需要伴熱的情況下,推薦使用ERS雙法蘭差壓液位變送器,該型變送器無需考慮毛細(xì)管伴熱,更具有優(yōu)勢。
5)當(dāng)選用智能差壓液位變送器或RS型雙法蘭差壓液位變送器出現(xiàn)引壓管或毛細(xì)管過長的情況時,可優(yōu)先考慮使用ERS型雙法蘭差壓液位變送器。
6)變送器測量有漂移的情況,影響測量精度,更適宜使用ERS型雙法蘭差壓液位變送器。
7)因ERS型雙法蘭差壓液位變送器表頭離管口距離非常近,所以該型變送器不適宜在高溫條件下使用。但是在實際應(yīng)用時,可以通過增加一小段毛細(xì)管,同時兼顧高溫和變送器表現(xiàn)性能兩方面問題。
8)當(dāng)變送器測量介質(zhì)具有強酸、強堿、腐蝕、振動或黏度高等特性,或易堵塞引壓管時,建議選用RS型雙法蘭差壓液位變送器,也可考慮選用ERS型雙法蘭差壓液位變送器。
9)在精度要求較高的情況下可考慮選用高精度ERS型雙法蘭差壓液位變送器,但在一般工況下經(jīng)典ERS型雙法蘭差壓液位變送器已能夠滿足精度要求。
10)ERS型雙法蘭差壓液位變送器成本約為同精度、同材質(zhì)RS型雙法蘭差壓液位變送器的兩倍,高精度ERS型雙法蘭差壓液位變送器成本較經(jīng)典ERS型雙法蘭差壓液位變送器更高,因此選用ERS型雙法蘭差壓液位變送器時需適當(dāng)考慮成本相關(guān)問題。
在乙烯裝置中,大型塔器的物位測量極為關(guān)鍵,包括在C3汽提塔蒸汽再沸器和C3重整吸入罐等較高的設(shè)備的液位測量,以及初級分餾塔、燃料油汽提塔和盤油汽提塔等測量黏度較大介質(zhì)時,以及廢堿汽提塔、廢堿汽提塔塔頂汽包和廢堿脫氣罐等測量腐蝕性介質(zhì)時,以及有響應(yīng)時間和精度要求的重要測量位置,都選用了ERS型差壓液位變送器,取得了較好的效果,解決了乙烯項目中高低壓側(cè)法蘭間距過大、保冷伴熱困難等測量問題,在重要的物位測量節(jié)點滿足了精度要求。