1 引 言
乏燃料后处理厂工艺流程中的大部分化工设备,都安装在设备室中,其特点是:在运行过程中由于设备中的介质均为放射性很高的酸性(或碱性)物质,所以工作人员很难进入设备室,因此,在设计上对介质各种参数的测量,采取了非接触测量的方法,以便自控系统及仪表的维护和检修。但大多数非接触仪表(如超声、红外线等)都无法做到既能测量设备内介质的液位,又能使变送仪表远离设备(变送仪表不需装在设备室内)并且探测器能够长久耐用。利用吹气法测量技术,就可以克服以上这些缺点。
“吹气法”是非接触的测量方法之一。吹气液面计是静压式液位计的一种,它将液面高度(或液体密度)的测量转化为差压的测量,所以,利用吹气法可测量设备中介质的液位、密度、界面等参数。在20世纪60年代,我国的核放化厂房就开始采用吹气法测量放射性料液的界面和密度。虽然我厂使用吹气法已接近30年的历史,但以往我厂在吹气法中所采用的元件属于分立元件,很难做到集中安装,不利于管理和维护。把这些“分立元件”集中在一个控制箱中,这就是所谓的吹气装置。这种装置为用户提供了极大的方便。“吹气法”所用的关键设备就是吹气装置。该装置在中试厂工程中就需近300台套,但目前在国内,只有上海光华仪表厂生产,每台近12 000元,价格昂贵,若从国外进口,则价格更高,所以,对吹气装置的研究就显得非常必要。
2 测量原理及方法
吹气测量装置的原理如图1。
净化后的压缩空气经过减压阀后,进入恒流器,再经转子流量计后,以一定流量均匀地送入吹气测量管,当长吹气测量管内气体压力高于其下端到液面的液柱静压时,该吹气测量管下端便连续不断地吹出气泡,由于吹气量很小,在忽略管道阻力等其它影响因素的情况下,可以认为差压变送器的高压腔所受的压力等于长吹气测量管内的压力。由于另外一个吹气测量管插入较浅且不和液体接触,虽然有一定流量的气体通过,但是在忽略了管道阻力等影响因素的情况下,差压变送器低压腔所受的压力就等于大气压力(测量环境在常压时),即不受压力。因此,差压变送器所测量的差压值ΔP就等于长吹气测量管下端到液面的液柱静压值。
该差压ΔP和液位h有如下关系:
h =ΔP/ρg
式中:ρ———液体密度;g———当地重力加速度。
设常数K=1/ρg,则h = K·ΔP即被测液体的液位与差压变送器的差压测量值有线性关系。
由于吹气压力、吹气流量、介质温度、密闭容器的压力等因素对测量精度有影响;因此,需要通过实验合理地选择吹气流量、吹气压力、工作压力等参数值的范围,以满足吹气装置精度、稳定性的要求。对温度的影响可以给出修正参数。
下面用图2所示原理图,说明用吹气法测量液位和密度时的理论公式。
(1)测液位时,用Ⅰ、Ⅲ吹气管即有:
PⅠ= P0,PⅢ= P0+ρgh
ΔPⅢ1= PⅢ- P1= P0+ρgh- P0=ρgh (1)
式中:P1———Ⅰ吹气管中的压力值;PⅢ———Ⅲ吹气管中的压力值;ΔPⅢⅠ———Ⅲ吹气管与Ⅰ吹 气管之间的压力差;P0———大气压力;ρ———液体密度;g———重力加速度;h———被测液位高度。
则:h =ΔPⅢⅠ/ρg (2)
当被测液体密度为常数时,设常数K1=1/ρg。
则:h = K1·ΔPⅢⅠ (3)
(2)测密度时,用吹气管Ⅱ、Ⅲ即有:
PⅡ= P0+ρg(h-H) PⅢ= P0+ρgh
式中:PⅡ———Ⅱ吹气管中的压力值;ΔPⅢⅡ———Ⅲ吹气管与Ⅱ吹气管之间的差压值;H———Ⅱ、Ⅲ吹气管的高度差。
则有:ΔPⅢⅡ= PⅢ- PⅡ= P0+ρgh-(P0+ρgh-ρgH) =ρgH (4)
则:ρ=ΔPⅢⅡ/gH (5)
设K2=1/gH
由于H为已知,g为常数,则K2为常数
则:ρ= K2·ΔPⅢⅡ (6)
由式(3)、(6)可见,分别测出差压ΔPⅢⅠ、ΔPⅢⅡ,即可相应地测出不同状况下的液位h和液体密度ρ。
(3)当被测液体密度为变量时,将式(5)代入式(2),可得:
h =ΔPⅢⅠ/ΔPⅢⅡ·H (7)
即可以用式(7)来修正密度变化时液位值。
由此,可以进一步演化,根据吹气管的不同组合,还可以测量被测液体的分界面,双密度,液位上、下限报警等参数,并使用带微压的密封容器(带压时,上面推导中的P0应等于容器内的压 力)。
由于吹气压力、吹气流量、界面温度、密闭容器压力等因素对测量精度有影响,因此要通过实验选择合理的工艺参数值,以满足吹气装置精度和稳定性的要求,至于温度的影响,也可通过实验找出修正的方法。
3 吹气装置的设计
在选定元件后,根据元件的尺寸,设计一不锈钢外壳,把元件按照原理图布置安装在壳体内部,壳体上有窥视窗。通过窥视窗可以观察到玻璃转子流量计的示值,其装置内部的气源压力,也可以通过壳体外部的观察孔进行观察。
吹气装置的壳体外部留有气源接头和吹气管的接口,装置为壁挂式。
4 吹气装置的试验
(1)试验目的。吹气装置在不同条件下能否达到精度要求,是否稳定运行等。
(2)实验系统。试验系统有以下部分组成:
a.自制Ф30、高1.5 m有机玻璃圆筒和不锈钢圆筒一个,三根不同长度的不锈钢管Ф10×1插入其中;
b.吹气装置一套;
c.CECC-410G电容式差压变送器2台,测量范围2~250 kPa;
d.XMT-Ⅲ型智能数字显示仪表2台;
e.温度计、1 000W加热器1个,比重计1只;
f.试剂:工业用碱;
g.配件:尼龙管Ф10×1 200 m,管道接头10个,截止阀4个。
试验系统如图3所示。
(3)试验内容。
a.在气源压力一定时,通过调节玻璃转子流量计,试验吹气流量对液位、密度的测量精度及稳定性的影响,找出合理的吹气流量范围;
b.在吹气流量一定时,通过调节减压阀,试验吹气压力对液位、密度的测量精度及稳定性的影响,找出合理的吹气压力范围;
c.在确定的吹气流量、压力范围内:①液位测量上下行程值的误差考核试验;②容器内介质温度变化(20~80℃)的液位测量试验;③容器内压力变化(包括正压及负压变化)的液位测量试验;
④吹气装置稳定程度的考核试验。
5 注意事项
(1)吹气管的长管管口应距离设备底部5~10 cm之间,以利于吹气管中气泡的逸出。这部分的高度为液位测量的盲区。
(2)一般情况下,吹气管的管口采用平口方式,若采用斜口45°方式,液位测量盲区应是斜口上端点到设备底部的距离。
(3)测量带压设备时,吹气管内的压力P与设备内最大压力值P设备max、气路元件的压降P气路和最大液位压力Phmax之间的关系应为:
P > P设备max+ P气路+ Phmax
这样,设备中的溶液才不可能倒灌出来,这对放射性介质的测量非常重要,所以在测量带压容器内的介质时,一定要在吹气管上安装逆止阀,以防止气流反向。
(4)吹气装置和差压变送器的安装标高要大于设备内最高液面的标高,以防止液体倒流。
6 结 论
(1)气源压力可以从0.025~0.3MPa进行选择;吹气管中的气体流量可以从5~80 l/h进行选择。这说明在调节气源压力时,只要从0.025~0.3MPa中选择一个就行,并不要求十分准确,而吹气管中的气体流量只要选择两路(或三路)中的值在5~80 l/h之间相等,便可以满足精度的要求。这给吹气装置工作点的设置提供了极大的方便。
(2)吹气装置可检测压力在-13.3~+80kPa、温度为0~80℃之间密闭容器内酸性(或碱性)介质的液位及密度。这时根据前面的试验可知,吹气装置的工作点最好设置在压力:0.3MPa;流量:60ml/min。
(3)根据试验,可选用2、3、4路吹气管测量装置与差压变送器配套使用测量液位、密度、界面及带密度补偿的液面。吹气管的引压管可达30m。
(4)通过实验得出,当被测液体中,气泡(它可以是吹气管来的压空,也可以是液体的蒸发过程或放气,也可以是搅拌过程用的压空)过多,形成局部的通路时,此时气泡不再是一个一个孤立地冒出,而显线性,仪表指示降低,并随着气泡量的增加误差越大。所以吹气液位计对有剧烈放气反应的液体不适用。
(5)该测量装置已经由四零四厂组成的验收组验收并投入生产。
