减小吹气式液位计测量误差的方法

吕 娜

(喀什大学研究生院，新疆 喀什 844008)

减小吹气式液位计测量误差的方法

吕 娜

(喀什大学研究生院，新疆 喀什 844008)

基于吹气式液位计的工作原理，分析了引起吹气式液位计测量误差的外界因素，并针对这些因素提出了相应的改进方案。实际运行结果表明：吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡被消除后，其测量误差被控制在3%以内，且液位显示平稳。

吹气式液位计 测量误差分析 改造

吹气式液位计是一种非接触式液位测量仪表，其输出压力能够自动跟随吹气管出口压力的变化而变化，并保持输出气体流量稳定，通过测量吹气管间的压差而测量出被测量罐的液位[1]。吹气式液位计适用于高温、高真空、高粘度、强腐蚀性、易凝固、易结晶或含悬浮颗粒聚合物的高温熔体等各种恶劣工况。

反应器是一种重要的化工机械设备，而化工机械设备是化工企业生产活动正常进行的基本物质保障，它直接影响着企业生产计划和产品交货期的制定，一旦发生液位测量不准确导致机械设备故障，就会影响企业预期生产计划的完成[2]。目前，吹气式液位计普遍应用于对化工行业中反应器液位的测量，因此，为保证吹气式液位计的测量精确度，对减小吹气式液位计测量误差的方法进行探索是十分必要的。在此，笔者对引起吹气式液位计测量误差的外界因素进行分析，并提出相应的改进措施，以减小吹气式液位计的测量误差。

1 吹气式液位计的工作原理

一定高度的液体在自身重力的作用下，它作用于底面积上的压力与液体高度有关。如图1所示，取液柱的上表面在液面上，液面上方的压强为p0；取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为p，则有：

p=p0+ρgH

(1)

式(1)表明，液体内部压强p随着p0和H的改变而改变。式(1)又可改写为：

H=(p-p0)/(ρg)

(2)

式中g——重力加速度；

H——液位高度；

ρ——液体密度。

图1 差压变送器测量液位的原理

吹气式液位计利用静力学原理，通过差压变送器正负压侧的压力不同，形成一定的压差，实现对反应器中溶液密度和液位的测量。吹气式液位计的工作原理如图2所示。一定量的干燥氢气经过转子流量计进入9/16寸(1寸=33.333mm)的正压侧毛细管内，使得管内有微量气泡溢出，然后根据式(2)即可计算出反应器的液位。同时，在具体的化工生产中使用吹气式液位计测量反应器液位时，吹气式液位计负压侧毛细管内应避免有液体进入，否则会造成假液位现象或液体进入变送器的现象，导致测量误差甚至损坏仪表。

图2 吹气式液位计的工作原理

2 吹气式液位计的测量误差分析

在化工生产过程中，对仪表的测量精确度要求很高。而吹气式液位计在使用过程中，由于一些外界因素将导致其测量出现误差。

2.1溶液气泡

气泡是由气液两相组成的分散系，在工程上一般是由气体通过小孔进入液层分散而成的。在固定床反应器中，气体通过反应器底部气体分布器与溶液接触，通过溶液层分散形成气泡。气泡的形成分为孕育阶段、长大阶段和脱离阶段。在孕育阶段，气体压力有一个积聚过程，当达到毛细压力后才能形成气泡[3]。气泡有一个气液接触界面，在这个界面上有特定的力学性质，当气泡溶解或长大时，气液界面会发生传质，而气泡大小发生变化会驱动周围溶液流动。这3个过程会相互影响，因此气泡是一个界面-传质-流动相互耦合的动态体系。

由于反应器中的溶液含有大量的水，当未达到反应温度或温度不适时在油状溶液、水和流动气体共存的状态下，极易产生气泡。气泡经过从下而上流动的气体的搅动，不断上升，并在测量液位的负压侧管口处大量积聚，进入管内，从而使得管内有大量气泡存在。大量气泡聚集后进入水平管内，无法排出，将造成假液面现象，最终导致测量不准，产生测量误差。在化工生产过程中，反应器一般以第二个液位计(雷达液位计)作为参照组，通过DCS监控对比，判断吹气式液位计测量是否准确。当吹气式液位计负压侧管线内有大量气泡存在时，其测量数值波动较大，无任何规律可循，显示的液位增长或降低数值也无任何趋势，严重时会从当前液位显示值直接跳至100%或0%，给化工生产造成极大危险，降低生产效率。

2.2容器外管线受冻

在寒冷的冬季，在反应器外部顶端负压侧管线内，由于反应器内部温度较高、外界温度较低，温差很大，因此管内存在的气泡极易受冷凝而结成冰，并附着在管内，使得差压变送器测量受阻。严重时，液体进入变送器，将使变送器结冰受损，最终导致液位计测量失灵，无法测出液位。

3 减小吹气式液位计测量误差的方法

3.1消除气泡的方法

3.1.1热力学第一定律

气泡的稳定性可以通过相平衡方程表示：

(3)

式中kB——玻尔兹曼常数；

patm——大气压强；

r——气泡的曲率半径；

R——气体常数；

T——温度；

xB——气体在溶液中的摩尔分数；

γ——气液界面的界面能。

当式(3)左侧大于0时，气泡内部气体的化学势大于溶液中气体的化学势，则气泡溶解；当式(3)左侧小于0时，气泡内部气体的化学势小于溶液中气体的化学势，则气泡生长变大[4]。所以，要消除气泡就要破坏气泡的稳定性，使气泡内部气体的化学势大于溶液中气体的化学势，温度降低，则气泡溶解。这样，反应器中吹气式液位计的负压侧管口处没有气泡大量聚集，所测得的液位就是反应器内溶液的真实液位。

3.1.2牛顿第一定律

当气泡与反应器中的吹气式液位计管口接触时，气泡与固体壁面的附着分为3个阶段：接近与接触阶段；固体壁与气泡之间水化膜变薄和气泡破裂阶段；气泡附着在固体壁上，克服脱落力影响的阶段[5]。当气泡附着在吹气式液位计负压侧管壁上时，由于气泡表面张力的作用，气泡被束缚，导致气泡大量积聚，此时反应器内上升的气体带动气泡，使得大量气泡进入负压侧水平管内，并存留在管内，无法排出[6]。为解决这一问题，利用力学原理，对吹气式液位计进行改造。改造后的吹气式液位计工作原理如图3所示，将吹气式液位计负压侧的水平管线改为有一定倾斜角度的管线，这样，利用气泡自身重力即可克服气泡与管壁之间的表面张力，使气泡降落进入反应器内。

图3 改造后的吹气式液位计工作原理

对吹气式液位计负压侧竖直管线上能承受的最小距离，进行倾斜角度改造，将原90°的水平管线改为120°，则根据勾股定理有：

X2+Y2=Z2

式中X——吹气式液位计至反应器顶端的垂直管线距离；

Y——吹气式液位计至反应器的水平管线距离；

Z——吹气式液位计至反应器顶端的斜边距离。

X的取值范围为0～80cm，由于X的最大值为80cm，因此改动时，吹气式液位计负压侧垂直距离不能小于需安装阀门的尺寸(10～20cm)。安装阀门时，必须确保阀门无泄漏隐患，利用声发射技术，在不拆卸、不影响正常生产的情况下，进行阀门的在线泄漏检测[7]。吹气式液位计至反应器的水平管线距离Y是100cm，吹气式液位计变送器固定安装高度为160cm。若使重力G产生的分力为最大，由力学知识可知，斜面上重力产生的分力为G×sinβ(β为吹气式液位计至反应器的水平管线与斜边的夹角，这里指在90°上增加的量，范围为0～90°)，则β越大，G×sinβ就越大，产生向下的分力越大，气泡就越容易克服表面张力下落。又由于β越大，cosβ就会越小，cosβ=Y/Z，因此要求Z值相应增大。不同倾斜角度下所对应的实际距离值见表1。

表1 不同倾斜角度下所对应的实际距离值

由表1可知，当β为30°时，X的数值为57.73cm，已为其最大值，则吹气式液位计负压侧竖直高度改为80.00-57.73=22.27cm，倾斜角度90°+30°=120°，斜线长度115.473cm。

由于各厂安装吹气式液位计仪表的管线位置不同，在改动管线时，倾斜角度会有所差异，因此应根据管线所处的最大距离，选择最大倾斜角度。同时，在进行改造管线的过程中，进行管线焊接时，应当避免由于力学条件因素、淬硬组织因素或者是氢致因素所造成的管线焊接处裂纹，以确保焊接结构的安全性和可靠性[8]。在管线改造后，气泡会受到重力分力影响，由静止状态变为运动状态，使得气泡顺着管壁向下移动，最终进入反应器。

3.2解决管线易冻的方法

由于冬季温度较低，吹气式液位计反应器内部与外部的管线温差较大，若反应器外部管线内有液体存在，则极易冷冻成冰，附着在管线壁内，堵塞管道，使仪表无法正常使用。在化工生产中，为解决管线易冻问题，需要给管线加伴热。管道热量损失Q损(单位W/m)的计算式为[9]：

(4)

式中d——管道外径；

t1——管道介质温度；

t2——最低环境温度；

δ——保温层厚度；

λ——保温材料的热导率。

在实际应用时，需根据式(4)进行计算，使电伴热的功率大于管线的热量损失。同时，也需要给管线涂抹保温涂料。保温涂料一般为纤维稠状膏体，它综合了涂料和保温材料的双重特点，涂抹在要求保温的设备和管道表面，干燥后即形成具有一定强度和弹性的保温层，且在设备运转或振动时不会开裂脱落[10]。

4 实践效果

通过改造吹气式液位计，利用温度因素消除反应器内产生的大量气泡，利用力学因素使吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡消除，以达到提高吹气式液位计测量精确度的目的。再次投用吹气式液位计，从化工厂的DCS监控画面中可以看出，在同一时刻，当雷达液位计测量值分别为45%、47%、44%、42%、49%时，吹气式液位计测量值分别为43%、44%、41%、40%、46%。从这些数据可以看出，吹气式液位计与雷达液位计测量值趋势一致，同升同降，两者之间的测量值差距明显减小，且吹气式液位计测量误差控制在3%以内，液位值显示较平稳，无大幅波动。

5 结束语

笔者针对引起吹气式液位计测量误差的外界因素，利用热力学第一定律和牛顿第一定律研究了消除管内气泡的方法，并对原吹气式液位计进行了改造；同时提出对管线采取电伴热措施以防止冬季管线冻裂的发生。实际应用结果表明，吹气式液位计负压侧管线内积聚的气泡被消除，其测量误差控制在3%以内，液位显示平稳，有效减小了吹气式液位计的测量误差，为化工生产中反应器的正常运行提供了保障。

[1] 胡勇锋.新一代吹气法液位计及其应用[J].中国仪器仪表,2012,(8):69～72.

[2] 张松.化工机械设备管理优化方案[J].化工机械,2015,42(4):468～471.

[3] 杨志强.玻璃池窑液流和鼓泡过程研究及在E玻璃单元窑中的应用[D].北京:清华大学,1996.

[4] 王硕.气泡的稳定性:从宏观尺度到纳米尺度[D].上海:上海师范大学,2014.

[5] 倪冰,罗志国,邹宗树.固壁上液体内气泡附着的热力学分析[J].过程工程学报,2008,8(z1):140～143.

[6] 包立炯.毛细管管口气泡生长及脱离特性研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[7] 方学锋,梁华,夏志敏,等.基于声发射技术的阀门泄漏在线检测方法[J].化工机械,2007,34(1):52～54.

[8] 贾青.加氢装置管线开裂分析[J].化工机械,2002,29(1):29～32.

[9] 朱彤.电伴热技术及其应用[J].节能与环保,2003,(11):51～52.

[10] 余历军,加万里,范晓勇,等.一种化工换热设备用保温涂料的研究[J].化工机械,2009,36(6):539～541.

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