Pomiar poziomu w zbiornikach ciśnieniowych: LPG i amoniak

Pomiar poziomu w zbiornikach ciśnieniowych polega na ciągłym wyznaczaniu położenia granicy gaz–ciecz w zbiorniku o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego, zwykle bezkontaktowym radarowym przetwornikiem poziomu 80 GHz. Dotyczy LPG, ciekłego amoniaku i ciekłego tlenu; granice zastosowania wyznaczają przenikalność elektryczna par, materiały do warunków kriogenicznych i dopuszczenie do pracy w strefie zagrożenia wybuchem. Typowy zakres wynosi 0-12 m przy ciśnieniu do 25 bar g.

Dlaczego pomiar poziomu w zbiornikach ciśnieniowych wymaga kompensacji wpływu par

Radarowy przetwornik poziomu FMCW mierzy czas przejścia mikrofalowego sygnału o przestrajanej częstotliwości przez przestrzeń nad cieczą i oblicza odległość jako d = c*t/2. W suchym powietrzu przy 20 °C względna przenikalność elektryczna wynosi około 1.0006, więc c różni się od wartości w próżni o nie więcej niż 0.03 %. W zbiorniku ciśnieniowym nad cieczą znajduje się para nasycona, a nie powietrze, i fala zwalnia do c/sqrt(er). Przetwornik nadal stosujący prędkość w próżni zawyża odległość sqrt(er) razy, czyli o (sqrt(er) - 1) rzeczywistej odległości.

Ponieważ poziom jest równy odległości E do dna pustego zbiornika pomniejszonej o zmierzoną odległość, zawyżenie odległości powoduje takie samo zaniżenie poziomu. Przy drodze przez parę wynoszącej 8.000 m i er = 1.021 wskazywana odległość wynosi 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m, a wskazany poziom jest o 83.6 mm niższy od rzeczywistej granicy faz. Odchylenie rośnie wraz z długością drogi przez parę, dlatego jest największe przy niemal pustym zbiorniku, gdzie ustawia się alarmy niskiego poziomu. Efekt dotyczy zarówno bezkontaktowego FMCW, jak i radaru falowodowego, ponieważ fala przechodzi przez parę pod ciśnieniem. Korekcję zapewnia wprowadzenie stałego er, reflektor odniesienia w znanej odległości lub sonda odniesienia w rurze uspokajającej.

Jak niewielka zmiana przenikalności elektrycznej przekłada się na milimetry

Prędkość fali w przestrzeni nad cieczą wynosi v = c0/sqrt(er), gdzie c0 = 299 792 458 m/s. Przetwornik mierzy czas przejścia echa i mnoży go przez c0/2, więc wskazywana odległość wynosi d_read = d_true*sqrt(er), a błąd poziomu dL = -d_true*(sqrt(er) - 1).

Przykład obliczeniowy oparty na założonych warunkach obiektu (obliczenie poglądowe, a nie dane z pomiarów terenowych): zbiornik kulisty LPG z drogą przez parę wynoszącą 8.000 m, nasyconą parą propanu przy 8 bar g i 20 °C oraz założonym er = 1.021. Wtedy sqrt(1.021) = 1.010445 i dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m, czyli -83.6 mm. Przy 8 bar g i er = 1.015 odchylenie wynosi -59.8 mm; przy 12 bar g i er = 1.030 osiąga -119.1 mm. Warunkiem stosowalności są stabilne ciśnienie, temperatura i skład pary. Zmiana ciśnienia podczas napełniania unieważnia jedno stałe er, dlatego potrzebna jest korekcja na podstawie pomiaru odniesienia.

Są to typowe inżynierskie wartości odniesienia dla pary nasyconej, a nie parametry produktu. Przed wprowadzeniem kompensacji sprawdź er dla rzeczywistego składu gazu i ciśnienia w aktualnej karcie właściwości gazu.

Kiedy wykluczyć ultradźwięki w zbiornikach zamkniętych

Nie należy dobierać ultradźwiękowego przetwornika do pomiaru poziomu w zbiornikach ciśnieniowych, jeśli skład pary, ciśnienie lub temperatura mogą się zmieniać podczas napełniania. Mierzy on czas przejścia fali mechanicznej, której prędkość zależy od masy cząsteczkowej gazu, ciśnienia i temperatury. W odpowietrzanym zbiorniku wody wystarcza kompensacja temperatury; w przestrzeni parowej LPG lub amoniaku nie ma jednej prędkości dźwięku, ponieważ gęstość i skład gazu zmieniają się z ciśnieniem nasycenia. Tor akustyczny wprowadza wtedy niekontrolowany składnik błędu znacznie większy niż zwykle wymagane przy ochronie przed przepełnieniem ±2 mm–±10 mm.

Dwa dalsze ograniczenia wykluczają tę metodę. Dźwięk nie rozchodzi się w próżni, więc zbiornik, który można opróżnić z gazu, całkowicie traci echo. Gęsta para nasycona, piana lub krople kondensatu tłumią impuls, aż sygnał powrotny zanika mimo obecności cieczy. W takich warunkach właściwym rozwiązaniem jest radarowy przetwornik poziomu z opisaną wyżej kompensacją wpływu par.

Jak warunki kriogeniczne zmieniają wymagania wobec materiałów stykających się z medium

Ciekły tlen przechowuje się w temperaturze około -183 °C i pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego, natomiast ciekły amoniak lub LPG podczas przechowywania z chłodzeniem mogą mieć temperaturę około -40 °C. Austenityczne stale nierdzewne zachowują wtedy odporność na kruche pękanie; zwykłe stale węglowe i wiele elastomerów stają się kruche. Antena, uszczelnienie procesowe, uszczelka i każda powłoka muszą być dobrane do minimalnej temperatury metalu, a nie tylko normalnej temperatury pracy, ponieważ schładzanie lub zadziałanie upustu ciśnienia może obniżyć temperaturę zespołu poniżej punktu projektowego.

Praca z tlenem wymaga dodatkowo czystości: części stykające się z medium muszą być wolne od oleju i smaru, a czyszczenie udokumentowane. Przedłużenie termiczne utrzymuje obudowę elektroniki poza zimną strefą; jego długość musi zapewniać certyfikowany zakres temperatury otoczenia. Obudowy dopuszczonej do -40 °C nie można osadzić bezpośrednio na króćcu o temperaturze -183 °C. Podczas schładzania na czole anteny często tworzą się kondensat i lód, dlatego zwykle przewiduje się przedmuch lub szczelną antenę ze sprawdzonym uszczelnieniem niskotemperaturowym. Przed montażem potwierdź gatunki wszystkich materiałów stykających się z medium, mieszankę uszczelki i certyfikowany zakres temperatury otoczenia na tabliczce dostarczonego urządzenia.

Jak pozostawić użyteczny zapas zakresu nad cieczą

Przyjmijmy odległość E od czoła kołnierza do dna pustego zbiornika równą 12.000 m. Dla anteny soczewkowej 80 GHz zamontowanej na równo odległość blokowania wynosi 0.10-0.20 m; tutaj zachowawczo przyjęto 0.400 m dla wydłużonego króćca, co wymaga sprawdzenia w aktualnej karcie katalogowej. Przetwornik nie może więc wskazać poziomu powyżej 11.600 m. Jeżeli próg wyłączenia high-high wynosi 11.200 m, a wymagany wolny zapas 0.300 m, odstęp od progu do górnej granicy pomiaru wynosi 0.400 m i spełnia wymaganie. Króciec 0.600 m zmniejszyłby zapas do 0.200 m, co oznacza wynik negatywny.

W arkuszu zamówienia należy zapisać: użyteczny górny zapas = E - odległość blokowania - maksymalny poziom roboczy. W zbiorniku 12.000 m zapas 0.400 m stanowi 3.3 % zakresu; w zbiorniku poniżej 2.000 m ta sama odległość blokowania zajmuje 20 % zakresu.

• Zapisz E od czoła kołnierza, a nie od dachu.
• Podaj odległość blokowania dla zamówionej anteny i króćca, a nie minimum katalogowe.
• Sprawdź ponownie margines po każdej wymianie adaptera, przedłużenia lub izolacji.
• Ustaw próg wyłączenia high-high poniżej górnej granicy pomiaru, a nie na tej granicy.

Z czym musi być zgodny certyfikat dostarczonej konfiguracji

W przypadku pomiaru poziomu w zbiornikach ciśnieniowych należy zapoznać się z certyfikatem dotyczącym zamówionej konfiguracji, a nie z broszurą. Grupa gazowa, klasa temperaturowa, poziom ochrony urządzenia i certyfikowany zakres otoczenia muszą być podane na dostarczonej tabliczce znamionowej i odpowiadać klasyfikacji zbiornika do strefy niebezpiecznej. Urządzenia dopuszczonego do pracy w temperaturze otoczenia od -20°C do +60°C nie można instalować tam, gdzie temperatura obudowy wynosi -40°C, nawet jeśli parametry uszczelnienia procesowego są niższe. Adapter, przedmuch, grzałka lub zdalny wyświetlacz dodane później muszą być objęte aprobatą.

Sprawdź krzyżowo każdy wiersz z aktualnym arkuszem danych i tabliczką znamionową; poproś o brakującą wartość przed wydaniem. Strona produktu każdego radaru zawiera listę konfiguracji posiadających dany certyfikat, a artykuł techniczny na temat oznaczeń homologacji wyjaśnia oznaczenie.

Często zadawane pytania

Pytanie 1. Czy pomiar poziomu w zbiornikach ciśnieniowych wymaga kompensacji oparów w każdym naczyniu?

Nie. Jest potrzebna tylko wtedy, gdy przenikalność elektryczna par przesuwa wskazanie poza dopuszczalny błąd. Powietrze przy 1 bar i drodze 2.000 m daje około 0.6 mm, co można pominąć; nasycona para LPG przy 8 bar g i drodze 8.000 m daje około 84 mm. Sprawdź er na podstawie aktualnych danych gazu.

Pytanie 2. Czy ultradźwiękowy przetwornik poziomu może zastąpić radar w szczelnym zbiorniku amoniaku?

Nie, nie w przypadku zmiany ciśnienia lub składu pary w trakcie cyklu. Czas ultradźwiękowy zależy od jednej prędkości dźwięku, a w zamkniętej przestrzeni nad amoniakiem prędkość ta zmienia się wraz z ciśnieniem, temperaturą i gęstością gazu. Próżnia usuwa echo, a gęsta para może je wchłonąć. Zamiast tego użyj radaru z kompensacją oparów.

Pytanie 3. Która kontrola materiału w niskiej temperaturze jest najczęściej pomijana?

Uszczelkę i uszczelnienie procesowe, a nie antenę. Gatunki materiałów anteny określa się dla pracy kriogenicznej, lecz uszczelka elastomerowa dopuszczona jedynie do -20 °C stwardnieje i zacznie przeciekać przy -40 °C. Sprawdź minimalną temperaturę metalu każdej części stykającej się z medium, zakres temperatury otoczenia obudowy oraz protokół czyszczenia z oleju.

Pytanie 4. Jaki górny zapas nad progiem wyłączenia high-high przewidzieć w zamówieniu?

Częstym punktem wyjścia jest co najmniej 0.300 m, lecz zapas należy wyznaczyć z odległości blokowania i geometrii zbiornika. Przy E = 12.000 m i odległości blokowania 0.400 m górna granica pomiaru wynosi 11.600 m; próg 11.200 m pozostawia 0.400 m. Przelicz go po każdej zmianie króćca.

Pytanie 5. Czy radar falowodowy eliminuje problem przenikalności elektrycznej par?

Nie. Impuls nadal przechodzi przez przestrzeń parową wzdłuż sondy, więc jego prędkość maleje wraz ze wzrostem er i obowiązuje ten sam współczynnik sqrt(er), choć geometria różni się od bezkontaktowego FMCW. Przy wysokim ciśnieniu nadal potrzebna jest sonda odniesienia lub wprowadzenie stałego er.

Pytanie 6. Z czym musi być zgodny certyfikat dopuszczenia dostarczonego urządzenia?

Z zamówioną konfiguracją i klasyfikacją obiektu. Sprawdź rodzaj ochrony, grupę gazową, klasę temperaturową, poziom zabezpieczenia urządzenia i certyfikowany zakres temperatury otoczenia z planem stref zagrożenia wybuchem, a następnie potwierdź ich obecność na tabliczce znamionowej. Później dodane adapter, przedmuch lub grzałka muszą być objęte dopuszczeniem.

STRESZCZENIE

Pomiar poziomu w zbiornikach ciśnieniowych opiera się na trzech kontrolach: kompensacji przenikalności elektrycznej par, potwierdzeniu przydatności materiałów stykających się z medium do niskich temperatur oraz pozostawieniu zapasu zakresu pomiarowego. W przykładzie obliczeniowym założone er = 1.021 na drodze przez parę 8.000 m przesuwa wskazanie poziomu o 83.6 mm, znacznie więcej niż zwykle wymagane przy ochronie przed przepełnieniem ±2 mm–±10 mm. Następnym krokiem jest przygotowanie arkusza odbioru i sprawdzenie każdego wiersza w aktualnej karcie katalogowej przed dopuszczeniem do użytkowania.