差壓液位變送器在甲醇廠液氨儲罐液位精確測量的應用方案介紹

　　1 前言
甲醇廠空分車間液氨儲罐液位測量儀表設計選用P+H雷達液位計。2009年投入運行后，因回波對測量波干擾強度無法消除，導致雷達液位計顯示值波動較大，不能滿足廠工藝精確監控要求；2010年該儲罐液位測量儀表改用了日本的雙法蘭式差壓變送器，但在實際使用中，發現該差壓變送器指示值與實際液位仍有較大偏差，仍然不能滿足工藝過程的精確控制和監視要求。為此，對現場工藝指標進行了大量數據收集和系統的分析，找出了導致實際值與顯示值存在較大偏差的根本原因，并提出了切實可行的解決方案，大大降低了測量誤差，達到了工藝監測和控制的要求。

 
　　2 測量誤差原因分析
甲醇廠使用的差壓液位變送器，是依據液體靜壓力原理和液體連通器原理來計算和測量液位的。其將一個空間用敏感元件（多用膜盒），分割成兩個不同的腔室，如果分別向正壓腔室和負壓腔室引入不同的壓力時，差壓液位變送器傳感器在正壓腔壓力和負壓腔壓力的共同作用下產生位移（或位移的趨勢），這個位移量和兩個腔室壓力的差（差壓）成正比，差壓液位變送器的變送單元裝置，將這種位移量轉換成可以反映差壓大小的標準信號（一般是電流為4～20mA直流信號）進行輸出，DCS控制系統（或二次儀表）通過接收差壓式液位變送器輸出的標準信號，然后按照接收到的標準信號的大小和測量液體的密度，計算出被測液體的實際液位。其測量原理如圖1所示。
 
　　由液體靜壓力原理得:
　　H=（P0-P1）/ρ液（1）
　　由液體連通器原理得:
　　P0=P++H0×ρ液（2）
　　P1=P--（H-H0）×ρ汽（3）
其中，H為儲罐液位，H0為差壓式液位變送器安裝位置距儲罐底部的距離，P1為儲罐內部液體表面靜壓，P0為儲罐內液體本身產生的壓力，ρ液為儲罐內部液體的密度，ρ汽為儲罐內部氣體的密度，P+為差壓式變送器正壓腔室內部壓力，P-為差壓式變送器負壓腔室內部壓力。
 
　　將式（2）、式（3）代入式（1）整理后可得:
　　H=△P/（ρ液-ρ汽）+H0 （4）
由式（4）可以分析出，影響儲罐液位測量高度是否精確的因素，不僅取決與差壓式位變送器測量的差壓值△P，還取決與被測量液體汽液相密度的差（ρ液-ρ汽）和差壓式變送器實際安裝的高度H0。同時被測液體汽液相密度差（ρ液-ρ汽），是隨著介質溫度而變化，但差壓式液位變送器本身對這些因素是無法測量的， 差壓式變送器本身在計算液位高度值H時，采用的是（ρ液-ρ汽）的測量值。這樣，必然會造成液體實際液位高度值和儀表測量指示值之間的偏差。同時，由于被測液體實際溫度和壓力的變化，在汽氨的導壓管路中，也會使汽氨液化，從而產生不同高度的液柱（不同高度的液柱將產生不同的壓力），進而影響測量的精度。
 
　　設導壓管內液化產生液柱的高度為H1，則原（3）式、（4）式應修正為:
　　P1=P-（H-H0）×ρ汽-（H-H1-H0）×ρ汽（5）
　　H=△P/（ρ液-ρ汽）+H0+H0+H1 （6）
在測量中，由于H1的實際值無法測量（同時H1也和安裝高度、環境溫度以及維護人員素質有關）而經常被忽略不計，這必然會造成實際液位高度值和儀表指示值之間的偏差。zui后，儀表本身的制造精度，也會造成不同程度的測量偏差。綜上所述，甲醇廠液氨儲罐液位測量偏差的主要來源包括：被測液氨實際溫度和壓力的變化、汽氨引壓管路中液柱的高度，以及儀表制造精度本身的測量偏差。
 
3 糾偏方案
 
　　3.1 對液氨實際溫度變化的補償方案
要降低被測介質的實際溫度變化對液位測量精度的影響，目前常常采用以下兩種方案：①對被測介質進行保溫，保證被測介質溫度保持相對恒定。②對被測介質溫度進行實時測量，對被測介質溫度變化引起的測量偏差進行補償。方案一工程量較大，造價高，而且由于環境溫度、工藝控制等不同因素的影響，很難保證在生產過程中介質溫度的**恒定；方案二的工程量小（僅安裝一套測溫變送儀表即可），雖然需要進行非常繁瑣的計算，但是在原有的DCS控制系統中卻是很容易實現的。因此，選用方案二進行補償。
 
要實現對被測液體溫度變化引起的液位偏差進行補償，**要明確測量介質（氨）的密度隨溫度變化的函數關系：ρ液=F（T）和ρ汽=f（T），二是根據液體的靜壓力原理和連通器原理，求出液體實際高度計算公式：即h=H（T，△P），zui后修改DCS控制系統程序，用已測量出介質的實時溫度和液差壓式液位變送器測量出的差壓值，計算出儲罐中氨的實際液位高度值。
 
　　3.1.1 氨的密度與溫度之間函數關系式的確定
目前，被測介質氨的密度與溫度之間的函數關系，很難用非常準確的數學模型來表示，但氨這種介質在飽和狀態下的密度與溫度之間的關系是一定的，在一定的溫度范圍內，完全可以用統計分析等相關技術，來擬合出一條近似的曲線來表示它們之間的關系。表1列出的是在0℃~30℃的溫度范圍內，介質氨在飽和狀態下的密度與溫度之間的對應的關系。
   
為了進一步分析被測介質氨的密度與溫度之間的對應關系，根據表1的數據，描出了汽氨和液氨的密度—溫度關系散點圖，見圖2。
   
從圖2可以看出：在一定的溫度范圍內，被測介質氨的密度與溫度有很密切的相關性，即汽氨的密度與溫度的函數關系，可以近似為指數函數關系，而液氨的密度與溫度則是線性相關。
 
為了進一步得到氨的密度與溫度之間變化的精確數學模型，利用Excel軟件提供的函數公式，依據表1列出的數據，對液氨的密度與溫度之間的關系進行線性回歸。同時，對汽氨的密度與溫度的關系進行指數回歸，可以得出如下關系式：
 
　　ρ液=0.639-0.00145×t （7）
ρ汽=3.5125×1.0324t （8）
 
　　3.1.2 函數關系回歸偏差的排除
為了降低數學模型回歸本身帶來的偏差，假設△P、H1、H0均為常數，且H1、H0均為零。這樣，由（6）式得：H=△P/（ρ液-ρ汽） （9）
 
　　數學模型回歸本身引起的偏差即為：
　　△H=△P/（ρ液-ρ汽）-△P/（ρ液標-ρ汽標） （10）其中：ρ液、ρ汽為某一特定溫度下氨的數學模型回歸密度值，ρ液標、ρ汽標為該溫度下氨的實際密度值。將（10）式除以（9）式得：
△H/H=1-（ρ液-ρ汽）（/ ρ液標-ρ汽標） （11）
 
在0℃~30℃范圍內，儲罐中氨的存在形式往往不會真正處于飽和狀態，汽氨的實際溫度往往會高于液氨的實際溫度（zui高差距有時可達到10℃以上）。當汽氨的實際溫度變化時，其密度也會產生相應的變化。因此，如果用飽和狀態下的液氨溫度，來計算汽氨當前的密度，會引起測量的偏差。因此在計算中，當液氨的實際溫度為15℃時，（10）式中的ρ液標應取t=（10+15）℃時相對應的溫度值。此時，△H/H=-0.0429%。由此可以看出：在此溫度范圍內，氨的數學模型擬合過程本身引起的zui大正偏差為0.070%，zui大負偏差為0.0429%，這個偏差小到可以忽略不計的程度。因此，按照以上方案擬合的數學模型，相對準確地再現了氨的密度與溫度之間的函數關系。
 
　　3.1.3 儲罐液位的計算
　　將（7）式、（8）式代入（6）式可得：
　　H=△P/（0.639-0.00145×t-3.5125×1.0324t）-H0-H1 （12）
按照上式計算出的液氨液位，基本上可以消除實際生產過程中現場實時溫度變化，對液位測量的影響。消除液柱引起的偏差有兩個方案：**可以在汽氨導壓管的zui高點加一隔離罐，使式（6）中的H1為一常數；二是取消差壓液位變送器，直接采用壓力變送器，測量儲罐頂部的汽氨壓力和儲罐底部的液氨壓力來計算液位。方案二可以直接利用現已安裝的壓力變送器，不需要再增加設備，只需要在現有的DCS控制系統中，改變原有的組態就可以實現。因此，選用了二種方案。
 
　　根據液體的靜壓力原理和液體的連通器原理得：
　　H=（P0-P1）/ρ液（13）
　　P0=P液-H0×ρ液（14）
　　P1=P汽+（H1-H）×ρ汽（15）
　　將（10）式、（11）式帶入（9）式：
　　H=（P液-P汽）（/ ρ液-ρ汽）-H0-（H1+H0）×ρ汽（/ ρ液-ρ汽）（16）將（7）式、（8）式帶入（12）式，求出的液位計算公式為：
H=（P 液 - P 汽）（/ 0.639- 0.00145 × t- 0.0035125 ×1.0324t）- H0-（H1 + H0）× 0.0035125 × 1.0324（t/ 0.639-0.00145×t-0.0035125×1.0324t） （17）
 
其中，P液為液氨壓力的實際測量值，P汽為汽氨壓力的實際測量值，H1為液氨壓力變送器安裝位置距液氨儲罐底部的距離，H0為汽氨壓變送器表安裝位置距液氨儲罐底部的距離，t為被測介質氨在飽和狀態下的實際溫度值。從（17）式可以看出，儲罐液氨實際高度H的大小取決于P液、P汽、H1、t和H0的值，壓力變送器的安裝高度H1、和H0的值是固定不變的，t是現有DCS控制系統中已經測量到的變量值。
 
　　4 結論
　　本論文找出了導致甲醇廠液氨儲罐液位，在實際測量過程中存在較大偏差的根本原因，并提出了切實可行的溫度和液柱補償糾偏方案，采用差壓液位變送器進行液位計測量方案，基本消除了液氨實際溫度變化和液柱高度等不確定因素，對測量精度的影響，達到了液氨儲罐液位精確監測和控制的要求。同時，對解決同行業、同類相關介質液位的精確測量問題，提供了理論思路。


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