CN102822758A - 用于测量加注液位的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过一个容器中的液体入口阀来调节一种液体-气体混合物的加注液位的测量装置，该测量装置包括至少一个竖直的液体立管，该液体立管被固定到该容器的侧向外壁上并且通过多个水平的管状液压装置而流体性地连接到该容器的内部。本发明的特征在于：提供了一个第一下部液压装置，该第一下部液压装置被安置于容器基座附近，这样使得该液体立管中的加注液位随着在该容器中的加注液位而变化；提供了一个第二液压装置，该第二液压装置高于该容器中所希望的加注液位值，这样使得该容器中的一个可自由选择的所希望的加注液位值被超过时该液体立管中的加注液位改变；该测量装置配备了以受控方式连接到该容器的液体入口阀上的一个显示和调节装置；该容器包括用于液体和气体的多个入口和多个出口；该液体立管配备了至少一个额外的第三管状液压装置，该第三管状液压装置水平地伸入到该容器中、并且在该加注液位的所希望的值或低于所希望的值的液位处被安排在该容器中；并且，该第一下部液压装置相对于其他所提供的液压装置被配置为一个回流抑制器。

Description

用于测量加注液位的装置和方法

本发明涉及一种新型测量装置以及一种方法，并且涉及其作为具有液体-气体混合物的容器中的液位控制件的应用。可以想到，本发明还可用于蒸汽鼓中并且一般用于两相混合物的分离器中、还用在蒸发器中。

从现有技术已知了多种液位计，这些液位计是作为立管来实施的，这些立管被安排在相应容器的侧面上且装备有观察镜以观察容器中的流体液位。这些立管各自具有一个上部液位计连接件和一个下部液位计连接件，这些连接件都以传导流体的方式与容器的内部腔室相连接。下部液位计连接件被安装在容器底部附近，并且上部液位计连接件被定位为显著高于流体液位的所希望的设定点。

根据“联通管”的原理来进行测量。只要流体立管中的液体与容器中的液体具有相同密度ρ，流体立管就会显示与容器中所展示的状态相同的液位状态。在纯液体的情况下，容器中的液体与测量管中的液体具有相同ρ值的这一基本前提是以良好的准确度得到满足的，并且可以毫不困难地应用所描述的测量原理。

然而，在容器中的液体-气体混合物中，密度取决于液体中包含的气体量。这意味着当涉及到具有两相混合物的容器的液位测量时，上述要求并不是始终被满足，因为两相混合物在立管中分离，并且纯液体具有对应的较高密度。因此，存在与这一测量相关联的一定程度的不确定性。实际上存在容器中液体的ρ仅为流体立管中的ρ一半大的操作条件。对于蒸发器，上升的气泡的数量并且因此有效密度的减小随蒸发器负荷而变；因此，两相混合物与液体之间的比重不存在恒定偏差。这就意味着对下部液位计连接件的有效压力取决于蒸发器腔室中的介质的有效密度。然而，这一密度通过蒸发介质的蒸气泡浓缩而减小到无法从外部直接确定的程度。

因此，对于蒸发器，蒸发器腔室中的介质的有效密度减小的程度根本上取决于液体蒸发的量，即取决于蒸发器负荷。为此原因，有可能该蒸发器腔室中的加注液位将上升到液滴分离器，而所显示的加注液位却提示加注液位是正常的。

当所有热交换器管被液体覆盖且蒸发器可以发挥其全部能力时，在蒸发器中达到最佳加注液位。更高的加注液位既不必要也不希望，因为存在流体也会随气体而离开容器的风险。这又可能导致损坏下游机器。

一般来说，已知这里使用蒸发器的实例所展示的这一问题也会发生在例如蒸汽鼓等具有两相混合物的其他容器中。在这一情况下，目标通常是具有处于容器中央加注液位附近的设定点，以确保到气体和液体相的分离尽可能干净。

一般说来，来自这一类型容器的液体富含气体相是不理想的，因为例如盐等杂质可随气相排出。这可导致下游设备部分的锈蚀和腐蚀。在蒸发器就在下游的工厂中，如在例如氨水工厂中的冷却设备中的情况下，这可导致损坏叶轮。

由此得出结论，在两相混合物存在时，所描述的测量原则具有有限的应用。在此情况下，使用本地光学显示器还是使用了电压力传感器的远程显示器就无关紧要。

如果依赖于测量管中的显示器而不考虑所描述的测量不准确性，那么操作这一类型的控制回路来控制具有液体-气体混合物的容器的加注液位就需要许多经验和敏感性。不可能对容器中的加注液位进行最佳调整以适合于所有可能想到的负荷条件。

这意味着，取决于容器的构造和应用或操作，最佳操作水平是已知的，但如何对其进行准确测量这一问题仍有待解决。

因此，本发明的目标是提供一种测量装置、一种操作这一测量装置的方法、以及这一测量装置的应用，在容器中的加注液位的某一设定点处，该测量装置、该方法和这些应用使得有可能保证容器中的流体液位不会上升到将液体随气体相排出容器外的液位。

这是通过一种使用容器中的液体送入阀来控制液体-气体混合物的加注液位的新型测量装置实现的，该测量装置包括至少一个竖直的流体立管，该竖直的流体立管被安装在该容器的侧向外壁上、并且通过水平的管状液压装置而以一种流体承载的方式与容器的内部腔室相连接，其中

一个第一下部液位液压装置被安装在该容器的底部附近，这样使得在该流体立管中的加注液位随着在该容器中的加注液位而变化，并且

一个第二液压装置提供在该容器中的加注液位的设定点上方，这样使得当该容器中该加注液位的可自由选择的设定点被超过时该流体立管中的加注液位改变，并且

该测量装置装备有一个与该容器的液体送入阀具有一种控制性连接的一个显示和控制单元，并且

该容器包括用于液体和气体的多个入口和出口管线，并且

该流体立管装备有至少一个另外的第三管状液压装置，该第三管状液压装置水平地伸入该容器中、并且安装在该容器中的加注液位的设定点的高度处或低于该设定点，并且

该第一下部液位液压装置相对于所提供的其他液压装置设计为对逆流进行抑制。

在这么做的过程中，表达“在容器中的加注液位的设定点的高度处”是指安装第三管状液压装置，使之水平地伸入容器中、并且直接对应于在该管状液压装置的中心点处测量的设定点。

将这个第三液压装置安装在该设定点下方保证了在到达容器中的设定点时，除了显示流体立管中的流体液位以外，相应的值还会显示在流体立管中。在本发明的一个优选实施方案中，如在该液压装置的直径的中心点处测量的，该水平地伸入容器中的该第三管状液压装置相对于该设定点安装在设定点下方1%到25%处、优选在1%到15%处、并且特别优选地在8%到12%处。

在本发明的一个优选实施方案中，该容器是蒸发器，其中该蒸发器中的加注液位的设定点是通过完全覆盖该蒸发器中所含的加热单元而实现的。在这么做的过程中，该蒸发器中的这些加热单元包括至少一个热交换器管。该液体可以是例如从现有技术中已知的任何冷却液体。

在本发明的另一个实施方案中，该容器是蒸汽鼓，其中该蒸汽鼓中的加注液位的设定点是在一个中央加注液位处实现的，其中准许在该蒸汽鼓中该中央流体液位的偏差为0至20%、优选0至10%、并且特别优选0至5%。

第一液压装置的逆流抑制实施方案优选包括以下方法之一：轮廓限制装置和/或阀和/或逆流抑制阀。

有利的是这些管状液压装置是选自喷嘴类和管类的组。

有利的是该显示和控制装置装配有多个传感器和/或多个探针。

通过所描述的测量装置来控制一个容器中的液体-气体混合物的加注液位的对应方法包括以下方法步骤：

将一种液体送入到该容器中，其中该液体通过一个第一液压装置流进被固定至该容器外部的该流体立管中，该第一液压装置被安装在该容器的底部附近、并且相对于所提供的其他液压装置被设计用于对逆流进行抑制，并且

在该加注液位在该容器中进一步上升且达到了对应液位时，该液体通过至少一个额外的第三液压装置被送入，该第三液压装置被安装在该容器的加注液位的设定点的高度处或低于该设定点，并且该流体立管中的液体被加注到实际液位，并且

在将额外液体送入到该容器中时，该流体立管中的液体的液位进一步被加注，并且

从该外部流体立管中的液体逸出的任何气体是通过一个第二液压装置送入的，该第二液压装置被安装在该容器中的加注液位的设定点上方，并且

在达到该设定点时，通过该流体立管中的一个显示装置发送一个信号至一个控制装置而使进入该容器中的液体送入停止，该信号致使该容器的液体逆流阀关闭，并且

在未达到该设定点的情况下，该显示和控制装置发送一个信号，由此使该容器的液体逆流阀被打开。

在该方法的另一个实施方案中，将一种液体送入到该容器中，该容器是一个蒸发器，并且这种液体在该蒸发器中通过多个加热单元被加热、并且作为气体从该蒸发器排出。

在本发明的另一个可能实施方案中，将一种富含气泡的液体送入到该容器中，该容器是一个蒸汽鼓，并且在该蒸汽鼓中使这种液体与这些气泡分离，并且气体和液体在多个分开的流中从该蒸汽鼓排出。

一种优选应用是将用于控制加注液位的该测量装置用于具有两相混合物的冷蒸发器中。这一应用对于氨水工厂特别有利。它还可以用于热蒸发器中。

另一可能应用是将用于控制加注液位的该测量装置用于蒸汽鼓中，在这些蒸汽鼓中，将一种水/蒸汽混合物分离。

使用下图来更详细地描述本发明的不同设计变体：

图1：通过一个容器的截面来示出根据现有技术的用于控制液体-气体混合物的加注液位的测量装置的示意性图示。

图2：通过一个容器的截面来示出根据本发明的用于控制液体-气体混合物的加注液位的测量装置的示意性图示。

图3：使用根据本发明的装置所预计的液体液位的测量误差的图示。

图4：使用一个壳管式冷蒸发器来示出根据本发明的用于液体-气体混合物的加注液位的测量装置的示意性图示。

图5：使用一个蒸汽鼓的截面来示出根据本发明的用于水-蒸汽混合物的加注液位的测量装置的示意性图示。

图1示出了具有送入管线2的容器1，该送入管线配备有一个可控的液体送入阀3，该液体送入阀具有到根据现有技术的测量装置4的一种控制性连接。如果在容器1中液体终止，那么这种液体流入根据现有技术的测量装置4的第一下部液位计连接件5中，该第一下部液位计连接液体终止于被安装在该容器1的底部附近。随着容器1中的加注液位上升，根据现有技术的测量装置4的流体立管7中的液柱6也上升。流体立管7中的液柱6一直上升到液体的停止值8。

如果液体含有气泡，那么在流体立管7中所显示的液体液位6具有误差，该误差是由于作用于第一下部液位计连接件5上的有效静态压力9依赖于容器内部中的介质的有效密度而出现的。这个密度通过容器中液体的气泡浓缩而减小。在根据现有技术的测量装置中，气体和液体在外部流体立管7中分离，气体通过被提供在容器1中的设定点10上方的该第二上部液位计连接件13排出，并且液柱6只包含具有相应更高密度的液体。由于在下部液位计连接件5中存在压力平衡，所以原则上液柱6的高度低于容器中的高度。

为此原因，有可能该容器内部中的液体高度的实际值11已经高于流体立管中的液柱6。如果yd是容器中的液体的平均蒸汽含量，那么可以从下部液位计连接件5中的流体静力学压力平衡导出该常规测量装置的相对误差的方程式：Fh=(hb-hm)/hb=1-hb/hm=yd。该误差根本上取决于液体的体积气体含量、并且在很大程度上在整个测量范围内是恒定的。在该方程式中，hb表示容器中液体液位的实际液位8，并且hm表示根据图1的测量值6。

为此原因，极难借助于测量装置4来维持容器内部中的两相混合物的所希望的设定点10并且防止液体通过气体排出喷嘴12从容器1排出。

较晚识别出容器1中的实际液体液位是非常不利的，因为这会最终导致液体通过气体相被排出，该气体相是通过气体排出喷嘴12从容器1排出的。

图2示出了具有根据本发明的测量装置15的容器1，在此图中，当液体流入时，液体还会接着通过测量装置15的第一下部液位计连接5流到流体立管7中。在这么做的过程中，流体立管中的液柱上升到液体的停止值8。这对应于与来自图1的液柱6相同的值。

如果液体含有气泡，那么流体立管7中所显示的液体液位具有与图1中的描述所表示的误差相同的误差，即使通过根据本发明的测量装置15也是这样。如果容器1中的液体液位更进一步上升，那么液体通过一个额外的计量器连接件14被送入，该额外的计量器连接件安装在容器1的加注液位的设定点10下方。来自图1的液柱6在流体立管7中从而被加注到实际液位。由于位于流体立管7最底部处的静态压力9高于容器底部处的静态压力，因此现在于流体立管7中出现了驱动力。这是由以下事实引起的：当容器1中的加注液位处于相同高度时，两相混合物起作用，而在流体立管7中存在的是纯液体。这就导致在流体立管7中开始了循环流动，并且流体立管7中的液体通过第一下部液位计连接件5流回到容器1中。在根据本发明的测量装置15的情况下，这种逆流是通过逆流抑制器16而被阻止的，这样使得液体无法比液体流过该额外计量器连接件更快地从流体立管逸出。为此原因，在此操作点处的测量是非常准确、并且几乎对应于设定点10。此测量误差在以下关于图3的描述中解决。

然而，由于尚未完全达到此操作点的设定点，因此送入阀3保持打开，并且流体立管7中的液柱17继续上升。从流体立管7中的液体逸出的气体通过被提供在容器1中的设定点10上方的该第二上部液位计连接件13而离开流体立管7。在达到设定点时，借助于通过多个传感器向该可控的液体送入阀3发送信号而停止将液体送入到容器1中，并且使液体送入阀3关闭。

如果容器1中的液体继续上升，那么这种液体通过上部液位计连接件13流入该流体立管7中，其中流体立管7中的液柱17进一步被加注，并且显示一个过大值。在达到该过大值时，通过多个传感器将一个新信号发送到该可控的液体送入阀3，其中该液体送入阀3随后关闭，并且因此不再有液体可进入容器1中。

仅在已超过设定点10时，才会将新信号被发射至该液体送入阀3，该信号致使液体送入阀3再次打开、并且液体再次流回到容器1中。

下文使用图3来详细描述根据本发明的装置所预计的测量误差。如图2中所示，如果容器中液体的体积蒸汽含量表示为y_d，容器中的液体表示为h_b，该新型测量装置中的液体液位表示为h_m，第三送入阀14的高度表示为H，并且下部液位计连接件的流速系数表示为K_VS,D1，并且送入阀14的流速系数表示为K_VS,D2，那么对于以下情况，这导致了容器中的实际液体液位h_b与所显示的测量值h_m之间的相关性：

h_m<H

到

h_b=h_m ^*[1+H/h_m ^*(1–y_d)²*(K_VS,D2/K_VS,D1)²]/[(1–y_d)+(1–y_d)²*(K_{VS, D2}/K_VS,D1)²]

以及实际值与测量值6之间的相对误差

F_u=(h_b–h_m)/h_b=1-h_m/h_b

F_u=1-[(1-y_d)+(1-y_d)²*(K_VS,D2/K_VS,D1)²]/[1+H/h_m ^*(1-y_d)²*

(K_VS,D2/K_VS,D1)²]

并且对于以下情况

h_m≥H

得到了容器中的实际液体液位h_b与所显示的测量值h_m之间的相关性

h_b=h_m ^*[y_d*H/h_m+(1-y_d)+(1-y_d)²*(K_VS,D2/K_VS,D1)²]/[(1-y_d)+(1-y_d)²*(K_VS,D2/K_VS,D1)²]

以及实际值与测量值之间的相对误差

F_o=[(1–y_d)+(1–y_d)²*(K_VS,D2/K_VS,D1)²]/[y_d*H/h_m+(1–y_d)+(1–y_d)²*(K_VS,D2/K_VS,D1)²]

图3示出了用该新型测量装置时的残差是如何依赖于对下部液位计连接件5的流动特性（K_VS,D1）以及该额外的第三计量器连接件14（K_VS,D2）的选择、并且展示了当选择适当的相互关系K_VS,D2/K_VS,D1时残差的极小范围，即使对于液体中高水平的蒸汽含量y_d也是如此。在这一方面，图3a示出了对于范围h_m<H的误差，并且图3b示出了对于范围h_m≥H的误差。

图4使用例如在氨水工厂中使用的冷蒸发器23示出了根据本发明的测量装置的应用。如果在程序上可能的话，也可以从空的冷蒸发器23开始。液体冷却剂21、22一进入第一下部液位计连接件5，如以下在图2中所描述的测量装置就开始起作用。在这该应用中，通过用冷却剂21、22完全覆盖热交换器管18来实现设定点10。由于冷蒸发器中包含的这些热交换器管18，处于冷蒸发器23中的液体冷却剂21、22蒸发、并且在液体中形成上升的气泡，由此出现两相混合物。这些气泡通过该气体排出阀12离开冷蒸发器23。该气态的冷却剂通过一个管道19被送入一个蒸发器20中，在该蒸发器的帮助下，该气态的冷却剂被液化、并且被送入回到冷蒸发器23，由此该冷却回路关闭。可以通过管道22而加注外部冷却剂。在这个应用中优选的是使用氨水作为冷却剂。

当将冷蒸发器23的操作从满负荷改变到轻负荷时，条件是使得当冷蒸发器23处于轻负荷条件时，液体中存在较少气泡，因为有较少的液体蒸发。因此，该两相混合物的体积减小了这个量。这种情况的结果是冷蒸发器23中的加注液位急剧下降。图2中所描述的控制过程现在开始，并且使加注液位的设定点10再次成为最佳液位。

如果冷蒸发器23经历从轻负荷操作到满负荷操作的相反负荷转换，那么存在着如果存在自发改变则冷蒸发器23可能溢流的风险。此情况的原因在于以下事实：冷蒸发器23中的加注液位对于轻负荷操作是位于最佳点，其中如上所述，由于产生了低水平的气泡而要对液体冷却剂进行重新调节。如果气泡浓度由于冷蒸发器23突然进入到满负荷操作而自发地增加，那么冷蒸发器23中的加注液位的体积也增加。这就意味着负荷变化的梯度不可以超过冷蒸发器23的腔室体积。如果满足了这一要求，那么过高的加注液位将会通过蒸发而减小，同时可控的送入阀3保持关闭，直到再次达到最佳加注液位，即设定点10，并且该测量装置恢复如图2中所述的其正常操作。

图5使用蒸汽鼓26示出了根据本发明的测量装置的应用。此外，通过送入管道2将水-蒸汽混合物24送入到蒸汽鼓26中。一旦水-蒸汽混合物24进入第一下部液位计连接件5中，如图2所描述的，该测量装置就开始起作用。在这个应用中，如专家已知的，当蒸汽鼓的加注液位大致在中央时可实现该设定点10。在蒸汽鼓26中，液体从上升的气泡27中分离，并且蒸汽25通过该气体排出阀被排出。所释放的液体29通过一个液体排出阀28从蒸汽鼓26排出。

从本发明得出的优势如下：

-可以在花费不大的情况下实现

-始终在容器中实现最佳加注液位

-在蒸发器中负荷改变的情况下也保证最佳加注液位

-一旦已实现该测量装置的额外第三液压装置的容器中的加注液位，只有极微小的误差会妨碍液体量杯中光学显示的误差

1  容器

2  送入管线

3  可控的流体送入阀

4  根据现有技术的测量装置

5  第一下部液位计连接件

6  液柱

7  液体立管

8  停止值

9  静态压力

10 设定点

11 实际值

12 气体排出喷嘴

13 第二上部液位计连接件

14 额外的计量器连接件

15 根据本发明的测量装置

16 逆流抑制阀

17 液柱

18 热交换器管

19 管道

20 蒸发器

21 液体冷却剂

22 液体冷却剂

23 冷蒸发器

24 水-蒸汽混合物

25 蒸汽

26 蒸汽鼓

27 上升的蒸汽泡

28 液体排出喷嘴

29 去除蒸汽后的液体

Claims (14)

1.用于通过使用容器中的液体送入阀来控制液体-气体混合物的加注液位的测量装置，该测量装置包括至少一个竖直的流体立管，该竖直的流体立管被安装在该容器的侧向外壁上并且通过多个水平的、管状的液压装置而与该容器的内部腔室以一种流体承载方式相连接，其中

一个第一下部液位液压装置被安装于该容器的底部附近，这样使得该流体立管中的加注液位随着在该容器中的加注液位而变化，并且

一个第二液压装置被提供在该容器中的加注液位的设定点上方，这样使得当该容器中的可自由选择的加注液位的设定点被超过时该流体立管中的加注液位改变，并且

该测量装置装备有与该容器的液体送入阀具有一种控制性连接的一个显示和控制单元，并且

该容器包括用于液体和气体的多个入口和出口管线，

其特征在于，

该流体立管装备有至少一个另外的第三管状液压装置，该第三管状液压装置水平地伸入该容器之中、并且被安装在该容器中的加注液位的设定点的高度处或低于该设定点，并且

该第一下部液位液压装置相对于所提供的其他液压装置被设计成对逆流进行抑制。

2.根据权利要求1所述的用于控制加注液位的测量装置，其特征在于，该容器是一个蒸发器，其中该蒸发器中的加注液位的设定点是通过完全覆盖该蒸发器中包含的加热单元而实现的。

3.根据权利要求2所述的用于控制加注液位的测量装置，其特征在于，该蒸发器中的这些加热单元包括至少一个热交换器管。

4.根据权利要求1所述的用于控制加注液位的测量装置，其特征在于，该容器是一个蒸汽鼓，其中该蒸汽鼓中的加注液位的设定点是由一个中央加注液位给出的，其中准许在该蒸汽鼓中该中央流体液位的偏差为0至20%、优选为0至10%、并且特别偏差为0至5%。

5.根据以上权利要求之一所述的用于控制加注液位的测量装置，其特征在于，如在该液压装置的直径的中心点处测量的，水平地伸入该容器中的该第三管状液压装置相对于该设定点被安装在该设定点下方1%到25%处、优选在1%到15%处、并且特别优选在8%到12%处。

6.根据以上权利要求之一所述的用于控制加注液位的测量装置，其特征在于，该第一液压装置的逆流抑制实施方案包括以下方法之一：轮廓限制装置和/或阀和/或逆流抑制阀。

7.根据以上权利要求之一所述的用于控制加注液位的测量装置，其特征在于，这些管状液压装置是选自喷嘴类和管类的组。

8.根据以上权利要求之一所述的用于控制加注液位的测量装置，其特征在于，该显示和控制装置装配有多个传感器和/或多个探针。

9.用于在根据以上权利要求之一所述的容器中控制液体-气体混合物的加注液位的方法，其中

将一种液体送入该容器中，其中该液体通过一个第一液压装置流入被固定在该容器外部的该流体立管中，该第一液压装置被安装在该容器的底部附近、并且相对于所提供的其他液压装置被设计成对逆流进行抑制，并且

在该加注液位在该容器中进一步上升时，该液体通过至少一个额外的第三液压装置被送入，该额外的第三液压装置被安装在该容器的加注液位的设定点的高度处或低于该设定点，并且该流体立管中的液体被加注到实际液位，并且

在将额外液体送入该容器中时，该流体立管中的液体的液位被进一步加注，并且

从该流体立管中的液体逸出的任何气体是通过一个第二液压装置送入的，该第二液压装置被安装在该容器中的加注液位的设定点上方，并且

在达到该设定点时，通过在该流体立管中的一个显示和控制装置发送一个信号使向该容器中的液体送入停止，该信号致使该容器的液体逆流阀关闭，并且

在未达到该设定点的情况下，由该显示和控制装置发送一个信号，由此使该容器的液体逆流阀被打开。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将一种液体送入该容器中，该容器是一个蒸发器，并且这种液体通过多个加热单元在该蒸发器中被加热并且作为气体从该蒸发器排出。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将一种富含气泡的液体送入该容器中，该容器是一个蒸汽鼓，并且在该蒸汽鼓中使这种液体与这些气泡分离，并且将气体和液体在多个分开的流中从该蒸汽鼓排出。

12.根据以上权利要求之一所述的应用，其特征在于，该用于控制加注液位的测量装置被用于具有两相混合物的多个冷蒸发器中。

13.根据以上权利要求之一所述的应用，其特征在于，该用于控制加注液位的测量装置被用于氨水工厂中的多个冷蒸发器中。

14.根据权利要求1到8之一所述的应用，其特征在于，该用于控制加注液位的测量装置被用于多个蒸汽鼓中，在这些蒸汽鼓中将一种水/蒸汽混合物分离。

Images