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　　甲醇廠(chǎng)空分車(chē)間液氨儲罐液位測量?jì)x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(wú)法消除，導致雷達液位計顯示值波動(dòng)較大，不能滿(mǎn)足廠(chǎng)工藝*監控要求；2010年該儲罐液位測量?jì)x表改用了雙法蘭式差壓變送器，但在實(shí)際使用中，發(fā)現該差壓變送器指示值與實(shí)際液位仍有較大偏差，仍然不能滿(mǎn)足工藝過(guò)程的*控制和監視要求。為此，對現場(chǎng)工藝指標進(jìn)行了大量數據收集和系統的分析，找出了導致實(shí)際值與顯示值存在較大偏差的根本原因，并提出了切實(shí)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。

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　　2 測量誤差原因分析

　　甲醇廠(chǎng)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(lái)計算和測量液位的。其將一個(gè)空間用敏感元件（多用膜盒），分割成兩個(gè)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(shí)，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(chǎn)生位移（或位移的趨勢），這個(gè)位移量和兩個(gè)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(jìn)行輸出，DCS控制系統（或二次儀表）通過(guò)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(shí)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(chǎn)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*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(shí)際安裝的高度H0。同時(shí)被測液體汽液相密度差（ρ液-ρ汽），是隨著(zhù)介質(zhì)溫度而變化，但差壓式液位變送器本身對這些因素是無(wú)法測量的， 差壓式變送器本身在計算液位高度值H時(shí)，采用的是（ρ液-ρ汽）的測量值。這樣，必然會(huì )造成液體實(shí)際液位高度值和儀表測量指示值之間的偏差。同時(shí)，由于被測液體實(shí)際溫度和壓力的變化，在汽氨的導壓管路中，也會(huì )使汽氨液化，從而產(chǎn)生不同高度的液柱（不同高度的液柱將產(chǎn)生不同的壓力），進(jìn)而影響測量的精度。

　　設導壓管內液化產(chǎn)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(shí)際值無(wú)法測量（同時(shí)H1也和安裝高度、環(huán)境溫度以及維護人員素質(zhì)有關(guān)）而經(jīng)常被忽略不計，這必然會(huì )造成實(shí)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(huì )造成不同程度的測量偏差。綜上所述，甲醇廠(chǎng)液氨儲罐液位測量偏差的主要來(lái)源包括：被測液氨實(shí)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(shí)際溫度變化的補償方案

　　要降低被測介質(zhì)的實(shí)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(zhì)進(jìn)行保溫，保證被測介質(zhì)溫度保持相對恒定。②對被測介質(zhì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，對被測介質(zhì)溫度變化引起的測量偏差進(jìn)行補償。方案一工程量較大，造價(jià)高，而且由于環(huán)境溫度、工藝控制等不同因素的影響，很難保證在生產(chǎn)過(guò)程中介質(zhì)溫度的**恒定；方案二的工程量?。▋H安裝一套測溫變送儀表即可），雖然需要進(jìn)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(shí)現的。因此，選用方案二進(jìn)行補償。

　　要實(shí)現對被測液體溫度變化引起的液位偏差進(jìn)行補償，**要明確測量介質(zhì)（氨）的密度隨溫度變化的函數關(guān)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(shí)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(zhì)的實(shí)時(shí)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(shí)際液位高度值。

　　3.1.1 氨的密度與溫度之間函數關(guān)系式的確定

　　目前，被測介質(zhì)氨的密度與溫度之間的函數關(guān)系，很難用非常準確的數學(xué)模型來(lái)表示，但氨這種介質(zhì)在飽和狀態(tài)下的密度與溫度之間的關(guān)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(guān)技術(shù)，來(lái)擬合出一條近似的曲線(xiàn)來(lái)表示它們之間的關(guān)系。表1列出的是在0℃~30℃的溫度范圍內，介質(zhì)氨在飽和狀態(tài)下的密度與溫度之間的對應的關(guān)系。

　　為了進(jìn)一步分析被測介質(zhì)氨的密度與溫度之間的對應關(guān)系，根據表1的數據，描出了汽氨和液氨的密度—溫度關(guān)系散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖2。

　　從圖2可以看出：在一定的溫度范圍內，被測介質(zhì)氨的密度與溫度有很密切的相關(guān)性，即汽氨的密度與溫度的函數關(guān)系，可以近似為指數函數關(guān)系，而液氨的密度與溫度則是線(xiàn)性相關(guān)。

　　為了進(jìn)一步得到氨的密度與溫度之間變化的*數學(xué)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(guān)系進(jìn)行線(xiàn)性回歸。同時(shí)，對汽氨的密度與溫度的關(guān)系進(jìn)行指數回歸，可以得出如下關(guān)系式：

　　ρ液=0.639-0.00145×t （7）

　　ρ汽=3.5125×1.0324t （8）

　　3.1.2 函數關(guān)系回歸偏差的排除

　　為了降低數學(xué)模型回歸本身帶來(lái)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(xué)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(xué)模型回歸密度值，ρ液標、ρ汽標為該溫度下氨的實(shí)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(huì )真正處于飽和狀態(tài)，汽氨的實(shí)際溫度往往會(huì )高于液氨的實(shí)際溫度（zui高差距有時(shí)可達到10℃以上）。當汽氨的實(shí)際溫度變化時(shí)，其密度也會(huì )產(chǎn)生相應的變化。因此，如果用飽和狀態(tài)下的液氨溫度，來(lái)計算汽氨當前的密度，會(huì )引起測量的偏差。因此在計算中，當液氨的實(shí)際溫度為15℃時(shí)，（10）式中的ρ液標應取t=（10+15）℃時(shí)相對應的溫度值。此時(shí)，△H/H=-0.0429%。由此可以看出：在此溫度范圍內，氨的數學(xué)模型擬合過(guò)程本身引起的zui大正偏差為0.070%，zui大負偏差為0.0429%，這個(gè)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(xué)模型，相對準確地再現了氨的密度與溫度之間的函數關(guān)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中現場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度變化，對液位測量的影響。消除液柱引起的偏差有兩個(gè)方案：**可以在汽氨導壓管的zui高點(diǎn)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?jì)揄敳康钠眽毫蛢薜撞康囊喊眽毫?lái)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(tài)就可以實(shí)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(shí)際測量值，P汽為汽氨壓力的實(shí)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(zhì)氨在飽和狀態(tài)下的實(shí)際溫度值。從（17）式可以看出，儲罐液氨實(shí)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(jīng)測量到的變量值。

　　4 結論

　　本論文找出了導致甲醇廠(chǎng)液氨儲罐液位，在實(shí)際測量過(guò)程中存在較大偏差的根本原因，并提出了切實(shí)可行的溫度和液柱補償糾偏方案，采用差壓液位變送器進(jìn)行液位計測量方案，基本消除了液氨實(shí)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*監測和控制的要求。同時(shí)，對解決同行業(yè)、同類(lèi)相關(guān)介質(zhì)液位的*測量問(wèn)題，提供了理論思路。