作為一種重要的化工原料，液氨的生產(chǎn)與儲(chǔ)存過程中對(duì)于液位的測量與控制是一項(xiàng)重要工作，液氨本身是一種有毒物質(zhì)，同時(shí)在常溫常壓下極易溶于水。為了運(yùn)輸及儲(chǔ)存便利，通常將氣態(tài)氨通過加壓或冷卻的方式得到液態(tài)氨，儲(chǔ)存于耐壓鋼瓶或儲(chǔ)罐中，儲(chǔ)罐內(nèi)的液氨用量可通過液位檢測來監(jiān)控。液氨在許多行業(yè)上應(yīng)用廣泛，比如火力發(fā)電廠、鋼鐵廠等煙氣脫硝工藝中較為常見的氨法脫硝工藝所用到的氨就可通過液氨蒸發(fā)來制備。為了幫助用戶在生產(chǎn)中更合理更有效更地進(jìn)行液位計(jì)的測量，結(jié)合煙氣脫硝工藝中液氨儲(chǔ)罐的工藝特點(diǎn)及液氨特性，針對(duì)液氨儲(chǔ)罐液位計(jì)選型，通過分析差壓式測液位原理，討論了法蘭式差壓變送器在液氨儲(chǔ)罐液位檢測上的應(yīng)用，注意事項(xiàng)以及存在的問題。
1 液氨站簡介
在煙氣脫硝處理工藝中液氨站的目的是為了生產(chǎn)制備氣態(tài)氨，主要設(shè)備有液氨卸料壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋槽、廢水池及配套的泵、閥門、管路等附件（圖1）。液氨的供應(yīng)由液氨槽車運(yùn)送，槽車與氨儲(chǔ)存系統(tǒng)之間用鶴管卸料臂連接，利用卸料壓縮機(jī)將液氨由槽車輸入液氨儲(chǔ)罐內(nèi)；利用液氨儲(chǔ)罐和液氨蒸發(fā)器之間壓差和液氨自身的重力勢能將液氨輸送到液氨蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)產(chǎn)生氨氣。
圖1 液氨站工藝流程
從上述流程可以看出液氨儲(chǔ)罐作為液氨站的存儲(chǔ)設(shè)備，在液氨站中相當(dāng)于一個(gè)原料中心，負(fù)責(zé)生產(chǎn)氣氨的原料儲(chǔ)存庫。按照《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，液氨站按火災(zāi)危險(xiǎn)乙類等級(jí)來設(shè)計(jì)，故該區(qū)域內(nèi)電控設(shè)備都需要考慮防爆[1]。參考《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[3] 來選擇設(shè)備的防爆類型：液氨站的爆炸介質(zhì)成分為氨，液位計(jì)的防爆型式無論是選擇本安型還是隔爆型，原則上都可以。按照規(guī)范，防爆類別為ⅱ類（工廠用電氣設(shè)備），防爆級(jí)別為a 級(jí)，溫度組別為t1。
2 選型方案
液氨儲(chǔ)罐作為壓力容器，在防火、防爆和防毒上都有許多要求。按照《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，液氨儲(chǔ)罐通常采用的是常溫全壓力、臥式鋼結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力2.16 mpa，儲(chǔ)罐材質(zhì)為低合金鋼。儲(chǔ)罐設(shè)有人孔、進(jìn)出料管、氣體放空管、氣相平衡管、排污管以及安全釋放閥等設(shè)備，并且還需配備壓力表、測溫儀表以及液位計(jì)等安全檢測裝置。在工業(yè)過程控制中，關(guān)于液位檢測選型時(shí)一般需要考慮以下因素：1）根據(jù)測量范圍，需要考慮測量精度及測量功能選擇；2）被測介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)，如酸堿度、粘稠度，是否易凝固結(jié)晶和氣化等；3）操作條件的變化，如介質(zhì)溫度、壓力、濃度、密度等變化；4）被測對(duì)象容器的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸，容器內(nèi)的設(shè)備附件及各種進(jìn)出料管口都要考慮；5）測量儀表面對(duì)的環(huán)境，如是否存在可燃、有毒和爆炸危險(xiǎn)，以及環(huán)境溫度高低等。
2.1 液氨儲(chǔ)罐特點(diǎn)分析
某鋼鐵廠煙氣脫硝處理工段已投入運(yùn)行的液氨站建設(shè)有3 個(gè)液氨儲(chǔ)罐，每個(gè)儲(chǔ)罐的大儲(chǔ)存量為107 m3，結(jié)構(gòu)形式均為臥式儲(chǔ)罐（圖2）。
圖2 液氨儲(chǔ)罐單體示意
本工程液氨儲(chǔ)罐為靜置的臥式儲(chǔ)罐，分析其工況可以看到：1）儲(chǔ)罐中液氨工作壓力為1.5 mpa，溫度為25℃，介質(zhì)相對(duì)干凈，儲(chǔ)罐內(nèi)部以氣液兩相形式存在，上部以氣相形式存在，液氨本身無腐蝕性及粘附性問題，但如遇水則會(huì)迅速吸收生成氨水，則具有腐蝕性。2）儲(chǔ)罐液面范圍波動(dòng)不大，在測量區(qū)域內(nèi)液體介質(zhì)也不存在其他設(shè)備的擾動(dòng)。
2.2 選型方案
根據(jù)上述液氨儲(chǔ)罐的工況特點(diǎn)，常見的幾種物位檢測儀表都能適用，如差壓式液位計(jì)、磁翻板液位計(jì)、電容式液位計(jì)以及雷達(dá)液位計(jì)（包括導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)等）。但是液氨儲(chǔ)罐是壓力容器，在液位檢測上有其特別要求。根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的規(guī)定：用于易爆、毒性程度為極度、高度危害介質(zhì)的液化氣體壓力容器上，有防止泄漏的保護(hù)裝置。要符合這一要求的液位檢測方案就相對(duì)有限。由于本工程儲(chǔ)罐體積較大，采用了2 種方案來檢測其液位：針對(duì)現(xiàn)場顯示用的液位采用了磁翻板液位計(jì)（現(xiàn)場液位計(jì)口），而需要信號(hào)遠(yuǎn)傳控制室的液位檢測采用了法蘭式差壓變送器來測量（遠(yuǎn)傳液位計(jì)口）。這兩種方案都有防止泄漏的隔離保護(hù)裝置，詳見圖3。
圖3磁翻板液位計(jì)及法蘭式差壓變送器
從圖3 中可以看到如果要檢修維護(hù)液位計(jì)，可以通過關(guān)斷一次閥門，保證檢修維護(hù)的時(shí)候不會(huì)有液氨泄漏。
由圖2 中所示，右側(cè)兩個(gè)液位計(jì)開孔，安裝為磁翻板液位計(jì)，現(xiàn)場指示用。而圖中在左側(cè)設(shè)置2 孔，安裝為法蘭式差壓變送器。但安裝位置并不是的，磁翻板液位計(jì)以及法蘭式差壓變送器安裝位置是根據(jù)現(xiàn)場工況布置來決定。磁翻板液位計(jì)作為現(xiàn)場指示液位用，是要安裝在朝向卸氨區(qū)現(xiàn)場操作人員能直接觀察到的位置。
本工程之所以選擇法蘭式差壓變送器作為液氨儲(chǔ)罐集中控制的液位計(jì)，主要是考慮到出法蘭式差壓變送器安裝上有一次閥門，可以起到隔離、安全的防護(hù)作用。這點(diǎn)尤為重要，因?yàn)橐喊闭緦儆? 個(gè)防爆區(qū)域，液位計(jì)除了本身需要考慮防爆以外，還需要考慮與工藝管道設(shè)備連接處的密封安全措施，確保無泄漏。如果選擇頂部安裝的非接觸式的液位計(jì)，比如雷達(dá)液位計(jì)（圖4）。則會(huì)因?yàn)榕c罐體設(shè)備連接之間沒有任何隔離措施，當(dāng)液位計(jì)需要檢修維護(hù)時(shí)，無法在生產(chǎn)正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行拆卸。一旦要對(duì)液位計(jì)進(jìn)行檢修維護(hù)，只能在儲(chǔ)罐內(nèi)液氨全部卸完，并且利用氮?dú)庵脫Q確保儲(chǔ)罐內(nèi)無液氨及氨氣存在，才能進(jìn)行拆卸，這樣做會(huì)影響正常工藝生產(chǎn)。而選擇法蘭式差壓變送器，當(dāng)變送器需要檢修維護(hù)時(shí)，可以通過關(guān)斷一次閥門，拆裝變送器，而不必考慮拆裝過程中，伴隨著液氨外泄的情況，因此不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
圖4 雷達(dá)液位計(jì)安裝
3 安裝注意事項(xiàng)
法蘭式差壓變送器在安裝過程中需要注意的事項(xiàng)如下。
3.1 安裝位置的選擇
差壓式測液位的原理主要是根據(jù)公式(1)得出：
△p=ρgh （1）
式中：△p 表示差壓，ρ 表示介質(zhì)密度，g 表示重力加速度，h 代表高度。如果ρ 這個(gè)值相對(duì)不變，只要知道△p 的值，就可以得到需要的高度值。本工程中法蘭式差壓變送器采用的是雙法蘭式差壓變送器，存在3 種安裝方式，如圖5[4]：
圖5雙法蘭差壓變送器安裝位置
3 種安裝位置是一樣的，其量程和遷移量分析計(jì)算如下：
1）量程計(jì)算。以變送器安裝在兩法蘭中間位置為例，當(dāng)液面高時(shí)，法蘭變送器高壓側(cè)壓力p1=（h1+h2）ρ 介g+p0－h(huán)1ρ0g。其中，ρ 介為被測介質(zhì)的密度；ρ0為變送器膜盒內(nèi)填充液的密度，p0為容器內(nèi)的壓力；g 為重力加速度。當(dāng)液面低時(shí)， 法蘭變送器高壓側(cè)壓力p2=－h(huán)1ρ0g+p0，于是變送器量程△p=p1－p2=（h1+h2）ρ 介g=h0 ρ 介g。同樣方法可以證明，變送器安裝在2 個(gè)法蘭上面和下面的量程也是h0ρ 介g。2）零點(diǎn)遷移量計(jì)算。仍以變送器安裝在兩法蘭中間為例， 當(dāng)液面低時(shí)， 法蘭變送器高壓側(cè)壓力為p2=－h(huán)1ρ0g+p0 ， 法蘭變送器低壓側(cè)壓力p3=h2ρ0g+ p0，于是變送器的遷移量z=p2－p3=－（h1+h2）ρ0g=－h(huán)0ρ0g。同樣方法可以證明，變送器安裝在2 個(gè)法蘭上面和下面的遷移量也是一樣的。
綜上，變送器無論是安裝在2 個(gè)法蘭上面、中間或下面的遷移量和量程是一樣的。但3 種安裝位置，變送器所受的靜壓不同。當(dāng)液位低時(shí)，變送器高低壓側(cè)所受的靜壓p2（高壓側(cè)）和p3（低壓側(cè)）分別如下: 變送器安裝在下面位置時(shí)，p2=h1 ρ0 g+p0，p3=h2ρ0g+p0； 變送器安裝在中間位置時(shí)，p2=－h(huán)1ρ0g+p0，p3=h2ρ0g+p0； 變送器安裝在上面位置時(shí)，p2=－h(huán)1ρ0g+p0；p3=－h(huán)2ρ0g+p0。若p0=0，則變送器安裝在2 個(gè)法蘭下面時(shí)，p2和p3均為正壓；變送器安裝在中間位置時(shí)，p2為負(fù)壓和p3為正壓；安裝在2 個(gè)法蘭上面時(shí)，p2和p3均為負(fù)壓。如果變送器工作在負(fù)壓狀態(tài)，并超過了它的允許負(fù)壓值，則填充液會(huì)汽化，隔離膜片會(huì)外鼓，從而引起測量不準(zhǔn)，甚至造成儀表損壞。如果容器內(nèi)的壓力較高，即p0大于h1ρ0g 和h2ρ0g，則變送器裝在什么位置都可以，其高低壓側(cè)都不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。但是容器內(nèi)總有空罐沒有壓力，甚至有時(shí)候會(huì)抽空，出現(xiàn)p0為負(fù)的時(shí)候，因此法蘭變送器的正確安裝位置一定要裝在2 個(gè)法蘭下面，只有這樣，才能避免出現(xiàn)負(fù)壓，確保正確測量。通過以上分析，可以看到選擇種安裝方式是方式。
3.2 安裝件的選擇
1）關(guān)于一次閥門選擇需要注意的是，不能采用蝶閥。否則，閥板在打開過程中，會(huì)觸碰到隔離法蘭膜片，影響測量準(zhǔn)確性，甚至可能損壞膜片。隔離法蘭膜片一旦受損，整個(gè)變送器也會(huì)隨之報(bào)廢。
2）緊固件的選擇，主要是墊片的選擇。從圖3 中可以看到，隔離法蘭與一次閥門法蘭連接，一次閥門法蘭與儲(chǔ)罐法蘭之間連接緊固時(shí)需要采用墊片，而這種墊片必須選擇金屬纏繞石墨墊片，以為此類墊片在高壓情況下，密封性能好，適用于液氨儲(chǔ)罐這種密封等級(jí)要求很高的地方。另外，膜片在安裝緊固的過程中千萬不能讓墊片壓到膜片，否則影響測量。
4 存在的問題
法蘭式差壓變送器雖有其優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題，例如由于環(huán)境溫度影響，毛細(xì)管的內(nèi)的硅油密度也會(huì)受到影響，從而會(huì)引起測量誤差。另外，毛細(xì)管的長度在滿足安裝要求的情況下應(yīng)盡量選擇短的。一般大型液氨儲(chǔ)罐都要求設(shè)置兩種類型的液位計(jì)，本身隨液氨儲(chǔ)罐生產(chǎn)廠商設(shè)備會(huì)配套磁翻板液位計(jì)，只做就地顯示用。而利用法蘭式差壓變送器來檢測液位，有時(shí)還需要利用磁翻板液位計(jì)的示值來驗(yàn)證其測量值是否相對(duì)準(zhǔn)確。另外，還需特別說明的是，差壓式液位檢測是基于介質(zhì)密度相對(duì)穩(wěn)定的情況。儲(chǔ)罐中的液氨比重隨環(huán)境溫度變化會(huì)產(chǎn)生微小的變化，相對(duì)工業(yè)過程控制來說可以忽略不計(jì)，不過多少還是影響了液位測量的性。
5 結(jié)束語
任何檢測儀表都不可能做到，特別是在工業(yè)過程控制中，面對(duì)復(fù)雜多變的工況，只有從全面綜合的角度出發(fā)選出合適的。本文闡述的法蘭式差壓變送器作為液氨儲(chǔ)罐液位計(jì)，同樣存在很多不足，但液氨作為一種可燃有毒物質(zhì)，在選擇其儲(chǔ)罐液位計(jì)時(shí)，有必要更多的從安全維護(hù)角度上去考慮。