差压液位变送器在甲醇厂液氨储罐液位精确测量的应用方案介绍

　　1 前言
甲醇厂空分车间液氨储罐液位测量仪表设计选用P+H雷达液位计。2009年投入运行后，因回波对测量波干扰强度无法消除，导致雷达液位计显示值波动较大，不能满足厂工艺精确监控要求；2010年该储罐液位测量仪表改用了日本的双法兰式差压变送器，但在实际使用中，发现该差压变送器指示值与实际液位仍有较大偏差，仍然不能满足工艺过程的精确控制和监视要求。为此，对现场工艺指标进行了大量数据收集和系统的分析，找出了导致实际值与显示值存在较大偏差的根本原因，并提出了切实可行的解决方案，大大降低了测量误差，达到了工艺监测和控制的要求。

 
　　2 测量误差原因分析
甲醇厂使用的差压液位变送器，是依据液体静压力原理和液体连通器原理来计算和测量液位的。其将一个空间用敏感元件（多用膜盒），分割成两个不同的腔室，如果分别向正压腔室和负压腔室引入不同的压力时，差压液位变送器传感器在正压腔压力和负压腔压力的共同作用下产生位移（或位移的趋势），这个位移量和两个腔室压力的差（差压）成正比，差压液位变送器的变送单元装置，将这种位移量转换成可以反映差压大小的标准信号（一般是电流为4～20mA直流信号）进行输出，DCS控制系统（或二次仪表）通过接收差压式液位变送器输出的标准信号，然后按照接收到的标准信号的大小和测量液体的密度，计算出被测液体的实际液位。其测量原理如图1所示。
 
　　由液体静压力原理得:
　　H=（P0-P1）/ρ液（1）
　　由液体连通器原理得:
　　P0=P++H0×ρ液（2）
　　P1=P--（H-H0）×ρ汽（3）
其中，H为储罐液位，H0为差压式液位变送器安装位置距储罐底部的距离，P1为储罐内部液体表面静压，P0为储罐内液体本身产生的压力，ρ液为储罐内部液体的密度，ρ汽为储罐内部气体的密度，P+为差压式变送器正压腔室内部压力，P-为差压式变送器负压腔室内部压力。
 
　　将式（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，影响储罐液位测量高度是否精确的因素，不仅取决与差压式位变送器测量的差压值△P，还取决与被测量液体汽液相密度的差（ρ液-ρ汽）和差压式变送器实际安装的高度H0。同时被测液体汽液相密度差（ρ液-ρ汽），是随着介质温度而变化，但差压式液位变送器本身对这些因素是无法测量的， 差压式变送器本身在计算液位高度值H时，采用的是（ρ液-ρ汽）的测量值。这样，必然会造成液体实际液位高度值和仪表测量指示值之间的偏差。同时，由于被测液体实际温度和压力的变化，在汽氨的导压管路中，也会使汽氨液化，从而产生不同高度的液柱（不同高度的液柱将产生不同的压力），进而影响测量的精度。
 
　　设导压管内液化产生液柱的高度为H1，则原（3）式、（4）式应修正为:
　　P1=P-（H-H0）×ρ汽-（H-H1-H0）×ρ汽（5）
　　H=△P/（ρ液-ρ汽）+H0+H0+H1 （6）
在测量中，由于H1的实际值无法测量（同时H1也和安装高度、环境温度以及维护人员素质有关）而经常被忽略不计，这必然会造成实际液位高度值和仪表指示值之间的偏差。zui后，仪表本身的制造精度，也会造成不同程度的测量偏差。综上所述，甲醇厂液氨储罐液位测量偏差的主要来源包括：被测液氨实际温度和压力的变化、汽氨引压管路中液柱的高度，以及仪表制造精度本身的测量偏差。
 
3 纠偏方案
 
　　3.1 对液氨实际温度变化的补偿方案
要降低被测介质的实际温度变化对液位测量精度的影响，目前常常采用以下两种方案：①对被测介质进行保温，保证被测介质温度保持相对恒定。②对被测介质温度进行实时测量，对被测介质温度变化引起的测量偏差进行补偿。方案一工程量较大，造价高，而且由于环境温度、工艺控制等不同因素的影响，很难保证在生产过程中介质温度的**恒定；方案二的工程量小（仅安装一套测温变送仪表即可），虽然需要进行非常繁琐的计算，但是在原有的DCS控制系统中却是很容易实现的。因此，选用方案二进行补偿。
 
要实现对被测液体温度变化引起的液位偏差进行补偿，**要明确测量介质（氨）的密度随温度变化的函数关系：ρ液=F（T）和ρ汽=f（T），二是根据液体的静压力原理和连通器原理，求出液体实际高度计算公式：即h=H（T，△P），zui后修改DCS控制系统程序，用已测量出介质的实时温度和液差压式液位变送器测量出的差压值，计算出储罐中氨的实际液位高度值。
 
　　3.1.1 氨的密度与温度之间函数关系式的确定
目前，被测介质氨的密度与温度之间的函数关系，很难用非常准确的数学模型来表示，但氨这种介质在饱和状态下的密度与温度之间的关系是一定的，在一定的温度范围内，完全可以用统计分析等相关技术，来拟合出一条近似的曲线来表示它们之间的关系。表1列出的是在0℃~30℃的温度范围内，介质氨在饱和状态下的密度与温度之间的对应的关系。
   
为了进一步分析被测介质氨的密度与温度之间的对应关系，根据表1的数据，描出了汽氨和液氨的密度—温度关系散点图，见图2。
   
从图2可以看出：在一定的温度范围内，被测介质氨的密度与温度有很密切的相关性，即汽氨的密度与温度的函数关系，可以近似为指数函数关系，而液氨的密度与温度则是线性相关。
 
为了进一步得到氨的密度与温度之间变化的精确数学模型，利用Excel软件提供的函数公式，依据表1列出的数据，对液氨的密度与温度之间的关系进行线性回归。同时，对汽氨的密度与温度的关系进行指数回归，可以得出如下关系式：
 
　　ρ液=0.639-0.00145×t （7）
ρ汽=3.5125×1.0324t （8）
 
　　3.1.2 函数关系回归偏差的排除
为了降低数学模型回归本身带来的偏差，假设△P、H1、H0均为常数，且H1、H0均为零。这样，由（6）式得：H=△P/（ρ液-ρ汽） （9）
 
　　数学模型回归本身引起的偏差即为：
　　△H=△P/（ρ液-ρ汽）-△P/（ρ液标-ρ汽标） （10）其中：ρ液、ρ汽为某一特定温度下氨的数学模型回归密度值，ρ液标、ρ汽标为该温度下氨的实际密度值。将（10）式除以（9）式得：
△H/H=1-（ρ液-ρ汽）（/ ρ液标-ρ汽标） （11）
 
在0℃~30℃范围内，储罐中氨的存在形式往往不会真正处于饱和状态，汽氨的实际温度往往会高于液氨的实际温度（zui高差距有时可达到10℃以上）。当汽氨的实际温度变化时，其密度也会产生相应的变化。因此，如果用饱和状态下的液氨温度，来计算汽氨当前的密度，会引起测量的偏差。因此在计算中，当液氨的实际温度为15℃时，（10）式中的ρ液标应取t=（10+15）℃时相对应的温度值。此时，△H/H=-0.0429%。由此可以看出：在此温度范围内，氨的数学模型拟合过程本身引起的zui大正偏差为0.070%，zui大负偏差为0.0429%，这个偏差小到可以忽略不计的程度。因此，按照以上方案拟合的数学模型，相对准确地再现了氨的密度与温度之间的函数关系。
 
　　3.1.3 储罐液位的计算
　　将（7）式、（8）式代入（6）式可得：
　　H=△P/（0.639-0.00145×t-3.5125×1.0324t）-H0-H1 （12）
按照上式计算出的液氨液位，基本上可以消除实际生产过程中现场实时温度变化，对液位测量的影响。消除液柱引起的偏差有两个方案：**可以在汽氨导压管的zui高点加一隔离罐，使式（6）中的H1为一常数；二是取消差压液位变送器，直接采用压力变送器，测量储罐顶部的汽氨压力和储罐底部的液氨压力来计算液位。方案二可以直接利用现已安装的压力变送器，不需要再增加设备，只需要在现有的DCS控制系统中，改变原有的组态就可以实现。因此，选用了二种方案。
 
　　根据液体的静压力原理和液体的连通器原理得：
　　H=（P0-P1）/ρ液（13）
　　P0=P液-H0×ρ液（14）
　　P1=P汽+（H1-H）×ρ汽（15）
　　将（10）式、（11）式带入（9）式：
　　H=（P液-P汽）（/ ρ液-ρ汽）-H0-（H1+H0）×ρ汽（/ ρ液-ρ汽）（16）将（7）式、（8）式带入（12）式，求出的液位计算公式为：
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液为液氨压力的实际测量值，P汽为汽氨压力的实际测量值，H1为液氨压力变送器安装位置距液氨储罐底部的距离，H0为汽氨压变送器表安装位置距液氨储罐底部的距离，t为被测介质氨在饱和状态下的实际温度值。从（17）式可以看出，储罐液氨实际高度H的大小取决于P液、P汽、H1、t和H0的值，压力变送器的安装高度H1、和H0的值是固定不变的，t是现有DCS控制系统中已经测量到的变量值。
 
　　4 结论
　　本论文找出了导致甲醇厂液氨储罐液位，在实际测量过程中存在较大偏差的根本原因，并提出了切实可行的温度和液柱补偿纠偏方案，采用差压液位变送器进行液位计测量方案，基本消除了液氨实际温度变化和液柱高度等不确定因素，对测量精度的影响，达到了液氨储罐液位精确监测和控制的要求。同时，对解决同行业、同类相关介质液位的精确测量问题，提供了理论思路。


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