浅析伺服液位计在乙烯丙烯球罐的应用

张志峰（北京燕化正邦设备检修有限公司，内蒙古自治区 包头 014010）

0 引言

罐区的运行正常与否直接影响生产装置的生产负荷，是化工生产企业的重中之重。由于化工生产装置罐区的特殊性、危险性，对仪表的稳定性和可靠性比其他装置有了更高的要求。在正常生产过程中，设备专业对罐体检定周期为6年，所以仪表在运行周期内不具备更换更新条件，运行时间必须大于罐体检定周期。罐区的生产过程不复杂，但液位监测参数非常重要，国内外罐区液位测量主要使用雷达液位计、磁致伸缩液位计、伺服液位计、差压式液位计等不通测量类型液位计，根据不同的测量原理和方法，每种液位计都有其自身的优缺点和适用工况。

本文以E+H伺服液位计测量乙烯丙烯介质为例，总结E+H伺服液位计在乙烯丙烯球罐应用情况和维护过程中出现的问题，分析原因及如何预防性保养伺服液位计，以便充分发挥伺服液位计测量过程中高精度、高安全性的优点，确保烯烃罐区安全可靠运行。

图1 E+H伺服液位计原理图Fig.1 E+H Servo level gauge schematic diagram

1 伺服液位计工作原理

伺服液位计的测量原理是基于阿基米德原理、力平衡和力矩平衡原理进行测量液位变化。本文以E+H伺服液位计工作原理为例，详细说明其工作原理及结构。

E+H伺服液位计由浮子、钢丝、外轮毂、步进电机、CPU等组成，如图1所示。浮子（直径30mm～70mm）悬挂安装在测量钢丝上，测量钢丝缠绕在细槽外轮毂上，浮子升降过程中，平衡浮子重量变化使线毂中磁耦力矩发生变化，线毂径向力矩发生变化，计算轮毂的旋转次数，从而计算测量钢丝的移动距离，由此得出液位变化量与轮毂外壳完全隔离的耦合磁铁驱动轮毂旋转；外磁铁连接至轮毂，内磁铁连接至驱动电机，内磁铁旋转磁吸引力驱动外磁铁旋转，带动轮毂旋转；测量钢丝上悬挂的浮子重量在外磁铁上产生力矩，导致磁通量发生变化。内磁铁上的电磁传感器检测轮毂中的磁通量变化，传感器将重量信号传输至CPU驱动电机动作，使得重量信号始终保持为操作命令确定的设定值，浮子下降并接触液体时，在浮力作用下浮子重量减小，磁力传感器测量重量变化从而导致耦合磁铁上的扭矩发生变化，并通过霍尔传感器测量其扭矩的变化量发送至电机控制回路，随着液位上升或下降，驱动电机调节浮子位置，使用磁旋转编码器连续计算轮毂旋转，准确测量介质液位，这种径向力矩的检测对浮子浮力的检测非常灵敏，测量精度非常高，所以伺服液位计通过这样的原理测量乙烯丙烯球罐的液位等相关参数[1]。

2 伺服液位计特点

1）伺服液位计具有双通道输出模式，可在球罐底部或安全区域安装二次显示仪，方便操作人员对球罐内乙烯丙烯储量监视。

2）伺服液位计是一种多功能检测仪表，采用模块化设计，可测量液位、界位、介质比重等参数，具有非常强的数据处理能力。

3）伺服液位计是一种高精度罐装测量仪表，其液位精度可达到±0.7mm，可用于计量，在球罐液位测量中得到了广泛的应用。

4）机械传动部件少，维修量少，以E+H厂家生产NMS53为例，具有LCD屏幕预警显示功能，可靠性高。

5）参数设置中具有触点输出功能，可用于高低液位报警开关，参与联锁。

6）具有维护观测腔，出现故障可在观测腔观测浮子与测量钢丝连接状态及浮子运行情况。

7）3个光敏式按键按钮设置参数，无需打开接线盒盖连接手操器。

8）具有预诊断功能，对现场维护人员具有维护预提示功能，如浮子、测量钢丝、CPU出现故障，可快速反映故障点，方便维护人员查找故障。

3 伺服液位计的选型及安装注意事项

伺服液位计在建设初期选型和安装非常重要，如选型不当或安装错误在后续生产维护过程中会导致测量不准，严重可导致伺服液位计损坏；石油化工乙烯丙烯球罐液位测量一般使用E+H生产的NMS 5型伺服液位计和霍尼韦尔生产的Enraf型伺服液位计测量液体乙烯丙烯液位，最近几年也有部分国产及其他品牌伺服液位计在乙烯丙烯球罐得到应用，本文以E+H生产NMS5型伺服液位计为例详细阐述其选型及安装注意事项，尽可能避免伺服液位计因安装导致测量不准的问题。

3.1 伺服液位计的选型

1）伺服液位计选用时，首先考虑其工艺工况和介质特性，测量介质密度宜大于或等于0.45g/cm3；界面测量时，两种液体的密度应恒定，且密度差应大于或等于0.15g/cm3。

2）根据伺服液位计的工作原理可知，伺服液位计由浮子探测液面后，拉力、重力、浮力形成平衡，而液态乙烯丙烯进入球罐后会产生波动或湍流，浮子会随着液面晃动，影响液位的测量，所以设计选型时宜选择安装导向管。

3）液位是罐区重要监控参数之一，精度需满足使用要求，一般情况监视使用精确度不宜低于±5mm；计量级精确度不宜低于±3mm[2]。

4）储存乙烯丙烯罐区全都属于易燃易爆区域，因此防爆等级必须满足现场使用要求。一般情况伺服液位计使用隔爆型，防爆等级按照设计要求选用dIIBT4-6均可。

5）乙烯丙烯球罐安装的伺服液位计需在缩径腔和观测腔之间安装维修切断球阀或闸阀。

6）伺服液位计宜选用220V AC供电电压，输出4mA～20mA带HART协议输出信号。

图2 E+H伺服液位计菜单矩阵结构图Fig.2 Menu matrix structure of E+H servo level gauge

3.2 伺服液位计的安装

1）伺服液位计安装正确与否直接影响伺服液位计的测量精度，如导向管和测量钢丝的不垂直将直接影响伺服液位计的测量精度；导向管的安装过程中，使用铅锤检查垂直度是否满足要求。

2） 导向管安装过程中要保证导向管焊缝平滑，导向管上钻孔时需双面开孔，均匀对称，开孔直径不小于15mm，并检查孔的内表面无渣和毛刺。

3）伺服液位计一般通过法兰与球罐进行连接安装，球罐与法兰间通过短管焊接安装。在焊接安装过程中，其法兰倾斜偏角不应超过1°，以免浮子在升降过程中碰到短管内壁，造成浮子脱落[3]。

4）初次安装伺服液位计或者更新设备时，需要先计量浮子的重量和体积，然后打开轮毂腔外壳，从轮毂腔内取出轮毂，去除轮毂上保护钢丝的胶带，将测量钢丝放一段到轮毂腔内，将浮子挂到测量钢丝的小环上，注意固定轮毂并保护好测量钢丝，转动轮毂直到标定腔可以看到钢丝上的小环，关闭轮毂腔外壳。

5）安装过程中，伺服液位计法兰与管壁短管至少500mm，这样可以保证乙烯丙烯液位测量不受环境温度变化的影响，最小测量液位应设置浮子下停止位，停止位至少位于进料口500mm以上，这样可以防止乙烯丙烯进料时直接冲向浮子。

6）伺服液位计因在罐顶安装，为便于维护和观测应安装在罐顶平台附近或者扶梯所及之处。

7）伺服液位计安装过程中外壳必须就地接地，穿线管与防爆挠性管之间必须正确使用Y型密封接头[4]。

4 伺服液位计在烯烃罐区应用中出现的故障和处理方法

E+H公司生产NMS53伺服液位计带有LCD指示面板，出现故障在面板显示当前故障和历史故障，维护过程中根据故障代码进行判断伺服液位计出现故障的类型及处理方法，在乙烯丙烯球罐维护过程中，主要出现以下几类故障：

故障分析处理：E+H伺服液位计NMS53型具有较强的自诊断能力，故障信息一般情况每秒进行一次交替显示，通过矩阵菜单进行访问故障信息[4]，但故障信息只做为处理过程的参考，维护过程中出现几次张力过大过小故障，主要原因分析及故障处理如下：

4.1 LCD面板报警钢丝张力过大

现场分析认为浮子与导向管内壁间距小，在初期安装过程中导向孔内有毛刺，造成卡浮子的故障。处理过程中，先释放过载张力，然后使用光敏式按钮进行下降浮子再上升至观测腔后，重新测量液位，消除故障。

4.2 LCD面板报警钢丝张力过大，浮子标定错误故障

现场分析伺服液位计在运行一段时间后，被测介质黏附在浮子表面或者钢丝轮毂上，导致测量误差和钢丝张力浮子报警。处理方法：先将浮子提升至观测腔内，观测浮子情况后，联系工艺人员关闭切断阀门，泄压后检查钢丝及轮毂情况。必要情况下，拆下伺服液位计清除黏附物后，在校验室进行重新标定，消除报警检查正常后，回装投用。

4.3 LCD面板报警钢丝张力过小

出现此类故障多数原因为浮子脱落造成，处理需将钢丝提升至外轮毂。工艺人员关闭切断阀后，拆下检查测量钢丝余量和测量钢丝完好情况。若测量钢丝余量大于测量量程，钢丝无破损情况下，更换浮子进行重量标定后即可回装投入使用。重量标定过程中，按照图2伺服液位计矩阵式菜单进行浮子和测量钢丝标定。维护过程中，因浮子采购周期长，无备件情况下，使用Φ50mm不锈钢管制作浮子，浮子重量控制在（250±5）g范围内，重新标定后满足液位测量要求，制作浮子已使用10年，运行正常。

故障分析处理：一般情况下出现该类故障较少，出现此类故障时首先查看并询问工艺人员是否可以断电重新启动，如果断电重启后故障未消除，可初步断定为CPU单元老化故障或测量钢丝超出图2G1VH63位置处设定的张力下限，更换CPU单元和LCD单元即可恢复正常。

5 结论

通过对E+H伺服液位计的结构和故障分析研究，E+H伺服液位计只要满足安装要求和选型正确，则在乙烯丙烯球罐使用中的故障率非常低，日常维护量很小。故障原因多数为运行周期较长、钢丝绳老化断裂、浮子卡涩、CPU单元电子元件老化导致测量不准。所以，在伺服液位计寿命期内进行定期检查维护轮毂和测量钢丝，可有效降低伺服液位计的故障，保证伺服液位计长周期准确可靠稳定运行，满足乙烯丙烯罐区工艺运行要求。