电子远传型差压液位变送器的适用性分析

孙萌

(中国石化工程建设有限公司,中国 北京 100101)

在石油化工流程中测量物位时,差压液位变送器被广泛使用。差压液位变送器有智能差压液位变送器、远传型(RS)双法兰差压液位变送器、电子远传型(ERS)双法兰差压液位变送器等多种型式。

1 双法兰差压变送器的局限性

1.1 双法兰差压变送器测量结构

差压变送器本体的测量原理为高、低压侧各有一个感压膜片,分别受压后,各自的感压膜片发生位移,产生差动电容,经过电容电流转换电路,根据特定比率将压力变化转换为标准电流输入信号,进入同一个变送器并计算差压,将差压的变化转换为标准电流输出信号。

标准的双法兰差压液位变送器包括： 法兰盘、毛细管、安装支架和测量表头[1]。其法兰盘中装有膜片,法兰盘与毛细管相连,毛细管中充有油状液体,通过膜片受压导致的形变推动毛细管中的充油,使表头测到两侧压力,从而计算差压和物位。

1.2 优 点

由于接液部分在法兰盘处,表头不直接与介质接触,它的膜片可以阻隔污浊、颗粒等进入表头,因此适合测量具有腐蚀性、黏度大、易结晶、低凝固点液位的被测介质,此外还具有较高的灵敏度,较好的重复性,在最困难的条件下也能确保物位测量的可靠性和精度,调试较简单,维护量较小等优势。

1.3 毛细管本身的局限性

毛细管本身的局限性如下：

1)毛细管充油可能会发生漏油现象,在振动较大的设备上更加明显,其维护将在投产后增加额外的工作量。

2)带毛细管的双法兰差压液位变送器有一定局限性,若毛细管较长,在环境温度变化的过程中,填充液的体积变化较大,增加了仪表的误差、滞后及其他不确定性。[文献2]规定毛细管单根最大长度为15 m。

3)在一定环境温度下,毛细管需要做好保温伴热措施,伴热既增加了工作量,又占用了设备的平台空间;若仪表离伴热总管较远或仪表位置较高,还会影响伴热效果[3]。

4)由于毛细管填充液的重力原因将对变送器产生压力,这时需对变送器进行零点迁移,给现场施工人员带来了一定的工作量。多数现场施工人员不做零点迁移工作,需要厂家来完成并维护。

2 法兰间距过大的传统解决方案

当单根毛细管长超过15 m,通常不适宜选用1台毛细管式双法兰差压液位变送器来测量。这种情况下有三种传统解决方案。

2.1 多台变送器串联

该方案是多台变送器分段串联使用,将设备分段测出的物位分别送入控制系统,如DCS,在控制系统中将不重合的部分相加即为整个设备的物位。

该方案的优点是原理简单,解决了毛细管过长带来的误差问题;缺点是使用多个变送器,在一定程度上增加了成本、故障率及安装和维护的工作量,增加了设备平台的数量。由于增加了测量设备,导致测量管口数量也随之增加,对设备的设计提出了更多要求,同时对设备管口附近的安装空间有更多需求。变送器数量增加将导致仪表电缆增多,设备从上到下的电缆敷设更加复杂。最重要的是,多台差压变送器送到控制系统的信号很难保证其同步性,当压力产生波动时,若各台变送器的信号完全同步,波动往往可以抵消;若各台变送器的信号不同步,那么波动是加倍的。因此,这种方式在一定程度上增加了误差,降低了抗干扰性。

2.2 2台单法兰压力变送器求差值

该方案是使用2台单法兰压力变送器,分别安装在顶部和底部测量管口,分别将压力值送入控制系统,在系统中实时相减得出差压,进而计算出物位。

该方案的优点是结构简单,解决了毛细管带来的大部分误差问题,避免了大量的伴热,减轻了后续使用中的维护压力,减少了电缆、穿线管、槽盒的使用,节约了成本和安装空间。

该方案的缺点是得出的差压较直接测量误差更大,为了降低误差,该方案常需要使用更高精度的变送器,导致进一步增加了成本。其次,2台压力变送器送到DCS的信号同样很难保证其同步性,同样会在一定程度上增加误差,降低抗干扰性。在实际应用中发现,信号不同步是该类方案最主要的误差来源。

2.3 方案一和方案二的结合

为了消除上述误差的影响,提高测量精度,在重要的物位测量位置,往往会采用前两种方案相结合的方式。一方面分段使用带毛细管的双法兰差压液位变送器[3],分别送入控制系统中进行物位的叠加,同时又在顶部和底部使用2台单法兰压力变送器,分别送入控制系统中计算差压和物位。结合两个计算结果来控制、报警或联锁,降低了误差,增强了安全性,但大幅增加了成本。

2.4 ERS型双法兰差压液位变送器的应用

针对上述情况,ERS架构更宜被使用。ERS架构指ERS型双法兰差压液位变送器的架构,它的原理是使用通过非专用电缆连接在一起的2台压力传感器,直接安装在设备上下法兰处,在其中1台变送器中以电子方式计算差压,并采用标准的两线制4～20 mA叠加HART信号或FF总线信号传输回DCS。

ERS架构的优点如下：

1)比起上述三种传统模式,该方案节省了分支电缆,因而节省了电缆敷设的成本和工作量。该方案相比于多变送器串联的传统方案,减少了变送器的数量,因而减少了平台的空间需求和管口的数量需求。

2)ERS架构利用电信号取代了毛细管传导,精度高、误差小,解决了毛细管过长带来的大部分误差,减少了环境温度对测量的影响。

3)ERS架构在变送器端进行计算,再送入控制系统,因此该方案的同步性高,降低了因信号不同步产生的误差。

4)ERS架构利用电信号取代了毛细管传导,响应时间快,即使介质温度大范围变化,也可以具有较快的响应速度。

5)该方案无毛细管长度要求,其高低压侧表头处电缆长度最长可达到非本安应用152.4 m,本安应用最长为68.58 m,SIS应用最长为60.96 m,提高了备品配件的通用性,适用于各种大型设备的物位测量。

6)该方案安装维护简化,省去了毛细管的大量保温伴热,防止了毛细管产生的渗漏、冷凝、蒸发、堵塞等问题。ERS架构仪表间使用非专用电缆,减少了维护难度。

7)ERS仪表还具有实时监控和自诊断功能[4]。

ERS架构也有局限性,首先是目前ERS型双法兰差压液位变送器相较于传统RS型双法兰差压液位变送器,价格更高,这是由它的构造决定的,ERS型双法兰差压液位变送器实际上是2台变送器相连接。其次,在静压较大、差压较小时也存在不适用的问题。

3 ERS架构适用性的分析方法

综上分析了RS型和ERS型双法兰差压液位变送器的优缺点,下文介绍通过某制造商对这两种变送器的实验分析过程,研究性能指标如何量化,从而定量估计RS架构和ERS架构的适用情况。

3.1 参数选取

控制系统的性能指标主要有三个方面： 稳定性,动态性能,稳态性能[5]。具体分析如下：

1)稳定性指系统在受到扰动后自动返回原来平衡状态的能力。

2)动态性能是当系统受到外部扰动的影响或者参考输入值发生变化时,被控制量随之变化,一段过渡过程后,被控制量恢复到原平衡状态或稳定在新的给定状态[6],该时间越短,通常认为动态性能越好。因此,智能变送器需考察响应时间,即当输入信号变化,智能变送器从接收至输出正确工业信号的时间,其影响因素有： RS型双法兰差压液位变送器的响应时间=本体响应时间+毛细管传递时间+系统响应时间,ERS型双法兰差压液位变送器的响应时间=本体响应时间+0(无毛细管)+系统响应时间。因此,理论上可以从变送器本体、毛细管以及系统响应时间等方面分析变送器响应时间,由此分析变送器的动态性能。

3)稳态性能指系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。稳态误差越小,系统精度越高[5]。变送器测量中,误差包含系统误差和随机误差。系统误差指在重复性条件下对同一被测量进行无限次数测量结果的平均值减被测量的真值[7];系统误差是非随机的误差,有着确定的规律性,是可控的。在某些情况下,尤其在高精度测量中,系统误差可占测量误差的50%以上,因此,消除系统误差往往成为提高测量精度的关键。

根据双法兰差压液位变送器的基本结构可知,RS双法兰差压液位变送器的系统误差=膜片处产生误差+毛细管产生误差+本体产生误差;ERS双法兰差压液位变送器的系统误差=膜片处产生误差+0(无毛细管)+本体产生误差。影响系统误差的因素有很多,基本可以从上下管口处、毛细管处、表头端来分析。例如,在毛细管中所充的硅油会因环境温度变化产生热胀冷缩[8],进而产生一定系统误差,需研究环境温度和毛细管长度对测量的影响;其次对于表头端,若高压侧和低压侧的差压较小,变送器精度有限,更易产生系统误差,需研究差压大小对测量的影响;此外,管口处、膜片处也会产生误差和波动。

3.2 实验工具

系统误差是隐藏在测量数据之中的,常用的估算方法有实验对比法、仪器对比法、参量改变对比法、改变实验条件对比法等。当不适宜在实际装置中进行实验,可通过软件进行模拟。某制造商使用比对工具箱“SOAP”,在其中输入基本工况后进行仪表的大致选型,然后模拟一组可能的数据作为参考。该研究设计了不同工况、不同参数、不同选型的多组液位变送器,经该比对工具箱模拟及比对,得到一系列变送器性能表现计算书,从而分析不同工况下毛细管型和ERS型差压液位变送器哪一种更适用,误差更小,响应时间更快。

当工况和选型被输入,模拟出的误差会以一个基准线为中心呈正态分布,该基准线就是远传带来的系统误差[8]。同时,找到正态分布的最大值和最小值,得到一个公差带,即为容差,包含机械、电子、任何可能产生的最大误差。仪表误差能否被接受,就需要看该数值是否可接受。

综上所述,确定了理论和工具,用控制变量法进行对照实验,选取系统的响应时间和系统误差作为主要参考指标来分析RS型架构和ERS型架构的优势劣势。

4 ERS型架构适用性分析过程

首先,选取1台已在某化工项目中正常投入使用的差压液位变送器作为实验初始样本,从而在最大程度上避免因选型不当而产生的误差,沿用该变送器选型及参数,每轮实验仅设置单一变量,其余参数不变,设置以下几轮实验。

4.1 比对环境温度及温差对测量误差的影响

首先,研究不同的环境温度对仪表测量误差的影响,单一变量为环境温度,其余参数选取相同值。对象一选取了广东省某市,该市2022年最低温度为2.8 ℃,最高温度为37.9 ℃;主要参数： 介质为液态烃,高、低压侧法兰间距为10 m,选对称式毛细管时毛细管长度为2×15 m,差压为0～78 kPa,静压为2 MPa。

由制造商操作通过软件模拟并生成计算书,提取计算结果,每个实验均包含四种选型,第一种是选用RS型双法兰差压液位变送器的计算结果,毛细管选择对称式;第二种是RS型双法兰差压液位变送器的计算结果,毛细管为非对称式;第三种是选用ERS双法兰差压液位变送器的经典型;第四种选用ERS双法兰差压液位变送器的高精度型。每种选型分别计算了响应时间、系统误差、概率偏差、容差等,因篇幅省略计算数据表,从计算结果可以看出：

1)ERS型双法兰差压液位变送器相比RS型双法兰差压液位变送器,响应时间显著减少。

2)ERS型双法兰差压液位变送器的总误差较RS型双法兰差压液位变送器的显著减少。

3)该工况下,ERS型双法兰差压液位变送器的表现优于RS型双法兰差压液位变送器,而非对称式RS型双法兰差压液位变送器的表现优于对称式RS型双法兰差压液位变送器,高精度ERS型双法兰差压液位变送器的表现优于经典型ERS型双法兰差压液位变送器。

4)ERS型双法兰差压液位变送器包括本体和膜片部分,因为在膜片处多一段充油,所以ERS型双法兰差压液位变送器的比毛细管的概率偏差理论上更高,RS型双法兰差压液位变送器在膜片处的充油计入了毛细管充油,因此概率偏差理论上更低,实际结果数据符合这一规律。

其次,对象二将单一变量环境温度设置为黑龙江省某市,该市2022年最低温度为-22 ℃,最高温度为21 ℃,其余选型参数不变,再次进行计算。从计算结果可以看出,在该工况下,四种仪表类型的计算结果规律与对象一相同。通过对象二与对象一的计算结果对比,在环境温差较大的工况下,误差更大,响应时间更长,在最低温度较低时尤其明显。而ERS型仪表对于温差较大的工况,能够更好地控制响应时间和误差的增幅,表现较为稳定。

4.2 比对毛细管长度对测量结果的影响

首先,研究不同毛细管长度对测量结果的影响,设置单一变量为毛细管长度,对象三为2×15 m(对称型)和1×15 m(非对称型),对象四为2×10 m(对称型)和1×10 m(非对称型),其余参数保持不变。

通过对象四与对象三的计算结果对比可以得出,因ERS型双法兰差压液位变送器不带毛细管,因此毛细管的长度变化对误差值的影响几乎可忽略不计,因此ERS型双法兰差压液位变送器可以显著降低上文所述在毛细管处产生的误差。

4.3 比对差压大小对测量的影响

该实验研究差压液位变送器高、低压侧差压的大小对测量结果的影响,设置单一变量为差压。差压值在选型时通常不是直接定义,而是根据工艺条件确定,根据差压计算公式Δp=ρgH,在介质不变的情况下,可通过改变高、低压侧法兰距离来改变变送器差压,对象五为法兰距离为5 m,对象六为10 m,其余参数不变。

通过对象五、对象六的计算结果对比可知,当差压液位变送器高、低压侧管口距离增大,则差压增大,对RS型双法兰差压液位变送器的影响为响应时间显著增加,而系统误差和容差略微增加。对ERS型双法兰差压液位变送器的响应时间几乎没有影响,而误差显著减小。

综上,当差压液位变送器高、低压侧差压值增大,ERS型双法兰差压液位变送器更能满足需求。

4.4 比对静压大小对测量的影响

该实验研究被测介质的静压大小对测量结果的影响,设置单一变量为静压,对象七与对象八分别假设操作表压为1 MPa和4 MPa,其余参数保持不变。对比2个计算结果可以得出： 总体ERS型双法兰差压液位变送器的表现优于RS型双法兰差压液位变送器,被测介质的静压值对RS型及ERS型双法兰差压液位变送器的响应时间影响较小;静压值增大,RS型双法兰差压液位变送器误差增加较小,ERS型双法兰差压液位变送器误差增加较大。

综上所述,静压大小对ERS型双法兰差压液位变送器影响更大。

4.5 重复实验

为避免实验样本较少影响研究的可靠性,将样本进一步扩大,改变变送器的尺寸、磅级、介质以及材质等,作为新的实验样本,重复实验一至四,得到新的几组计算数据进行分析,得到的规律与结论与上述基本一致。

5 ERS型架构适用性分析结果

综上,通过对ERS型双法兰差压液位变送器的几个轮次的实验对比分析,得出如下结论：

1)总结变送器的动态性能的影响因素,通过分析变送器响应时间,可以得出：

a)对于RS型双法兰差压液位变送器,毛细管长度越长,响应时间随之增加。

b)对于RS型双法兰差压液位变送器,温度变化对毛细管中硅油的体积有很大影响,环境温差越大,响应时间随之增加。

c)ERS型双法兰差压液位变送器相比RS型双法兰差压液位变送器,响应时间显著减少。

d)变送器精度、变送器高低压侧差压以及被测介质的静压对响应时间影响极小。

2)总结变送器的稳态性能的影响因素,通过分析变送器的系统误差及容差,可以得出：

a)对于RS型双法兰差压液位变送器,毛细管长度越长,误差随之增大。

b)对于RS型双法兰差压液位变送器,同样因为温度变化对毛细管中硅油的体积有很大影响,环境温差越大,误差随之增大。

c)对于差压液位变送器高低压侧管口距离较大,高低压侧差压较大,以及被测介质的静压较小的工况下,ERS双法兰差压液位变送器的优势更明显。

d)ERS双法兰差压液位变送器的总体误差要远小于RS双法兰差压液位变送器的总体误差。

e)特别注意： 一些对称式RS双法兰差压液位变送器不适用的情况,非对称式RS双法兰差压液位变送器却很适用。

6 应用建议

通过参考某制造商对ERS变送器进行实验所获得的庞大的计算数据,以及近年来ERS双法兰差压液位变送器在某1.6×106t/a乙烯装置的实际应用经验,总结出了ERS双法兰差压液位变送器的应用建议如下：

1)ERS型双法兰差压液位变送器在环境温度变化范围较宽,温差变化较大的地区优势更明显,在高纬度或高海拔地区尤为适用。

2)根据实际经验,两管口安装间距超过8 m,建议优先考虑ERS型双法兰差压液位变送器,管口间距小于8 m则不需要优先考虑。

3)两管口差压大,静压小的情况下,更适宜选用ERS型双法兰差压液位变送器。参考制造商大量计算数据,理论上,静压(p1)和差压(p2)在(p1+p2)/p2<100∶1的情况下,ERS型双法兰差压液位变送器更适用。但实际工程中,变送器通常不会满量程使用,根据实际经验,静压和差压在(p1+p2)/p2<30∶1,ERS型双法兰差压液位变送器优势更加显著。

4)当使用RS型双法兰差压液位变送器需要伴热的情况下,推荐使用ERS双法兰差压液位变送器,该型变送器无需考虑毛细管伴热,更具有优势。

5)当选用智能差压液位变送器或RS型双法兰差压液位变送器出现引压管或毛细管过长的情况时,可优先考虑使用ERS型双法兰差压液位变送器。

6)变送器测量有漂移的情况,影响测量精度,更适宜使用ERS型双法兰差压液位变送器。

7)因ERS型双法兰差压液位变送器表头离管口距离非常近,所以该型变送器不适宜在高温条件下使用。但是在实际应用时,可以通过增加一小段毛细管,同时兼顾高温和变送器表现性能两方面问题。

8)当变送器测量介质具有强酸、强碱、腐蚀、振动或黏度高等特性,或易堵塞引压管时,建议选用RS型双法兰差压液位变送器,也可考虑选用ERS型双法兰差压液位变送器。

9)在精度要求较高的情况下可考虑选用高精度ERS型双法兰差压液位变送器,但在一般工况下经典ERS型双法兰差压液位变送器已能够满足精度要求。

10)ERS型双法兰差压液位变送器成本约为同精度、同材质RS型双法兰差压液位变送器的两倍,高精度ERS型双法兰差压液位变送器成本较经典ERS型双法兰差压液位变送器更高,因此选用ERS型双法兰差压液位变送器时需适当考虑成本相关问题。

7 结束语

在乙烯装置中,大型塔器的物位测量极为关键,包括在C3汽提塔蒸汽再沸器和C3重整吸入罐等较高的设备的液位测量,以及初级分馏塔、燃料油汽提塔和盘油汽提塔等测量黏度较大介质时,以及废碱汽提塔、废碱汽提塔塔顶汽包和废碱脱气罐等测量腐蚀性介质时,以及有响应时间和精度要求的重要测量位置,都选用了ERS型差压液位变送器,取得了较好的效果,解决了乙烯项目中高低压侧法兰间距过大、保冷伴热困难等测量问题,在重要的物位测量节点满足了精度要求。