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作為一種重要的化工原料，液氨的生產(chǎn)與儲(chǔ)存過(guò)程中對(duì)于液位的測(cè)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(guò)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(guò)液位檢測(cè)來(lái)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(jiàn)的氨法脫硝工藝所用到的氨就可通過(guò)液氨蒸發(fā)來(lái)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(cè)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(guò)分析差壓式測(cè)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(cè)上的應(yīng)用，注意事項(xiàng)以及存在的問(wèn)題。
 
　　1 液氨站簡(jiǎn)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(mén)、管路等附件（圖1）。液氨的供應(yīng)由液氨槽車(chē)運(yùn)送，槽車(chē)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(chē)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(shì)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(kù)。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(lèi)等級(jí)來(lái)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(lái)選擇設(shè)備的防爆類(lèi)型：液氨站的爆炸介質(zhì)成分為氨，液位計(jì)的防爆型式無(wú)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(lèi)別為Ⅱ類(lèi)（工廠用電氣設(shè)備），防爆級(jí)別為A 級(jí)，溫度組別為T(mén)1。
 
　　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(cè)溫儀表以及液位計(jì)等安全檢測(cè)裝置。在工業(yè)過(guò)程控制中，關(guān)于液位檢測(cè)選型時(shí)一般需要考慮以下因素：1）根據(jù)測(cè)量范圍，需要考慮測(cè)量精度及測(cè)量功能選擇；2）被測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x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(wú)腐蝕性及粘附性問(wèn)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(cè)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(jiàn)的幾種物位檢測(cè)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(cè)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(cè)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(lái)檢測(cè)其液位：針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)顯示用的液位采用了磁翻板液位計(jì)（現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)口），而需要信號(hào)遠(yuǎn)傳控制室的液位檢測(cè)采用了法蘭式差壓變送器來(lái)測(cè)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(jiàn)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(guò)關(guān)斷一次閥門(mén)，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(kāi)孔，安裝為磁翻板液位計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)工況布置來(lái)決定。磁翻板液位計(jì)作為現(xiàn)場(chǎng)指示液位用，是要安裝在朝向卸氨區(qū)現(xiàn)場(chǎng)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(mén)，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(wú)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(méi)有任何隔離措施，當(dāng)液位計(jì)需要檢修維護(hù)時(shí)，無(wú)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(wú)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(guò)關(guān)斷一次閥門(mén)，拆裝變送器，而不必考慮拆裝過(guò)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(guò)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(cè)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－H1ρ0g。其中，ρ 介為被測(cè)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=－H1ρ0g+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=－H1ρ0g+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=－H0ρ0g。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(wú)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=－H1ρ0g+P0，P3=H2ρ0g+P0； 變送器安裝在上面位置時(shí)，P2=－H1ρ0g+P0；P3=－H2ρ0g+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(guò)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(cè)量不準(zhǔn)，甚至造成儀表?yè)p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(méi)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(cè)量。通過(guò)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(mén)選擇需要注意的是，不能采用蝶閥。否則，閥板在打開(kāi)過(guò)程中，會(huì)觸碰到隔離法蘭膜片，影響測(cè)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(mén)法蘭連接，一次閥門(mén)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(lèi)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(guò)程中千萬(wàn)不能讓墊片壓到膜片，否則影響測(cè)量。
 
　　4 存在的問(wèn)題
法蘭式差壓變送器雖有其優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問(wèn)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(cè)量誤差。另外，毛細(xì)管的長(zhǎng)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(lèi)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(lái)檢測(cè)液位，有時(shí)還需要利用磁翻板液位計(jì)的示值來(lái)驗(yàn)證其測(cè)量值是否相對(duì)準(zhǔn)確。另外，還需特別說(shuō)明的是，差壓式液位檢測(cè)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(guò)程控制來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，不過(guò)多少還是影響了液位測(cè)量的性。
 
　　5 結(jié)束語(yǔ)
　　任何檢測(cè)儀表都不可能做到，特別是在工業(yè)過(guò)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。