球罐內(nèi)二甲醚質(zhì)量的測量研究

李芳，張超，魏佳佳

(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700 )

二甲醚作為一種重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、燃料、農(nóng)藥以及其他化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。由于二甲醚的密度隨溫度、壓力變化而變化，且揮發(fā)性強，在生產(chǎn)過程中二甲醚的存儲一般采用球罐(壓力容器)。想要準(zhǔn)確測量球罐中二甲醚的質(zhì)量，則要測量球罐的液位、溫度以及壓力等參數(shù)，同時根據(jù)壓力、溫度補償二甲醚的密度，但是該方法復(fù)雜且不便于工業(yè)計算。

近年來國內(nèi)外對二甲醚的專用狀態(tài)方程研究比較多，尤其是基于Helmholtz形式的狀態(tài)方程[1]，為計算二甲醚密度提供指導(dǎo)。然而在實際生產(chǎn)以及DCS的組態(tài)中，由于該方程比較復(fù)雜，需要改進。同時二甲醚是一種極易揮發(fā)的介質(zhì)，且介電常數(shù)較小[2]，給液位計的選用帶來了一定的困擾，尤其是在大型球罐中，要求采用3種不同形式的液位測量。因此，如何準(zhǔn)確地測量球罐中二甲醚液位是一個難題。為了滿足采購、銷售、生產(chǎn)的需要，需準(zhǔn)確地計算出球罐內(nèi)二甲醚的質(zhì)量。采用測量球罐內(nèi)溫度和壓力并實時補償?shù)姆绞?，計算出的二甲醚密度只能用于實驗室研究，可采用安裝振動管密度計[3]實時測量二甲醚的密度，但是其使用范圍相對較窄。通過與技術(shù)人員溝通、交流，最終采用逆推方法測量二甲醚的密度，即通過實時測量差壓和液位的方式計算出二甲醚的密度，經(jīng)過驗證該方案可以滿足實際應(yīng)用需求。

1 二甲醚球罐液位測量

二甲醚是一種極易揮發(fā)的介質(zhì)，在球罐的上部空間充滿了氣化后的二甲醚，且介電常數(shù)隨溫度變化相對較小，飽和二甲醚在溫度為287～313 K時，介電常數(shù)為8.81～3.04[3]，一般采用雷達液位計、磁質(zhì)伸縮液位計、伺服液位計、差壓式液位計等不同測量形式的液位計測量球罐液位，根據(jù)不同的測量原理，每種液位計各有優(yōu)缺點[4-5]。伺服液位計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝要求苛刻，長期運行磨損嚴(yán)重，一旦球罐液位出現(xiàn)快速變化，響應(yīng)速度較慢，但是運行穩(wěn)定。外測式液位計主要應(yīng)用在后期的改造過程中[7-8]，優(yōu)點是安裝方便。普通的差壓變送器，可能會出現(xiàn)負壓[9-10]，在罐體較高的情況下安裝不方便，測量經(jīng)常出現(xiàn)虛假液位，必須經(jīng)過特殊處理。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了電子遠傳液位計，克服了普通差壓變送器以及毛細管液位計測量的不足[11]，并逐步應(yīng)用到罐體液位測量中。如果采用普通喇叭口雷達液位計測量液位，對安裝位置要求較高，容易產(chǎn)生虛假回波，因虛假回波峰值與真實回波峰值接近，會造成液位計的濾波功能無法濾去虛假回波，很難滿足使用要求，采用長喇叭形天線并加裝導(dǎo)波桿的方式保證雷達液位計測量的準(zhǔn)確性[12]，但是對于較大球罐，導(dǎo)波桿安裝維護不方便。

在重大危險源設(shè)計時至少采用2種不同測量方式的液位計。以某公司二甲醚球罐液位測量為例，原設(shè)計采用普通喇叭口方式的雷達液位計，根據(jù)喇叭口“光圈”作用原理，喇叭口越大，接收物料反射的雷達波信號越強[13]，但在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)虛假液位甚至在低液位時無法測量的問題。通過查閱大量的球罐液位計應(yīng)用案例以及相關(guān)文獻，決定該球罐的液位測量采用2臺電子遠傳差壓液位計LIA-01B和LIA-01C，1臺纜式導(dǎo)波雷達液位計LIA-01A，在該球罐L1管口安裝雷達液位計，L2和L3管口安裝電子遠傳液位計，二甲醚球罐液位計設(shè)置如圖1所示。需測量安裝液位計管口的底部高度以便在正式運行后校對比較，在安裝雷達液位計的導(dǎo)波纜繩時要測量纜繩底部與L2和L3管口的高度差，并盡可能保持高度一致，如果不一致，可能測量出誤差，在密度計算時進行補償，如果無法保證安裝高度的一致，可以采用文獻[14]的方案修正偏差。

圖1 二甲醚球罐液位計設(shè)置示意

導(dǎo)波雷達液位計的測量原理見文獻[15]，該項目采用的電子遠傳差壓液位計，由2臺3051變送器構(gòu)成，采用法蘭式密封系統(tǒng)，在主副傳感器之間采用信號線連接，應(yīng)用CAN總線通信協(xié)議保證信號的同步。在主傳感器計算差壓并將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號輸出到分散控制系統(tǒng)(DCS)。

由于液位及差壓的測量對計算二甲醚的密度很重要。結(jié)合實際應(yīng)用，查詢DCS中LIA-01A, LIA-01B，LIA-01C的歷史數(shù)據(jù)，3臺液位計測量數(shù)據(jù)結(jié)果對比如圖2所示。

從圖2可以看出, LIA-01C和LIA-01A的測量偏差保持在0.08 m以內(nèi)，而LIA-01C和LIA-01B的測量偏差在0.1 m以內(nèi)。通過修正后，偏差可以控制在0.02 m以內(nèi)。該球罐的高度為18 m，液位間的偏差相對較小，可滿足二甲醚密度計算要求。

2 二甲醚密度及質(zhì)量計算

二甲醚的密度隨溫度和壓力的變化而變化，無法實時測量，利用目前已經(jīng)安裝的電子遠傳差壓變送器測量差壓值，雷達液位計測量實時液位，計算獲取球罐內(nèi)二甲醚的實時密度，應(yīng)用反推法計算球罐內(nèi)液體二甲醚的質(zhì)量，步驟和計算過程如下。

1)根據(jù)該球罐壓強pCH可以推算出液體二甲醚的密度ρ，計算如式(1)所示：

pCH=ρg(h+h1)

(1)

式中：h——球罐內(nèi)二甲醚的實際液位；h1——設(shè)備制造過程中產(chǎn)生的液位修正誤差；g——重力加速度。

2)h已知時，計算球罐內(nèi)二甲醚的體積V，如式(2)所示：

(2)

式中：D——球罐的直徑。

3)結(jié)合式(2)和式(3)可以實時計算出球罐內(nèi)液體二甲醚的質(zhì)量m，如式(3)所示：

(3)

將式(3)應(yīng)用于DCS，可以實時計算出球罐內(nèi)液相二甲醚的質(zhì)量。

飽和氣相二甲醚密度與溫度的關(guān)系如圖3所示，將各點連接起來，近似一條直線。

圖3 飽和氣相二甲醚密度與溫度關(guān)系示意

該球罐內(nèi)的二甲醚溫度變化范圍為10～42 ℃，采用最小二乘法計算氣相二甲醚密度ρ1如式(4)所示：

ρ1=kθ+b

(4)

式中：k——二甲醚氣相密度隨溫度變化的系數(shù)；b——補償值。

當(dāng)罐內(nèi)二甲醚溫度為10 ℃≤θ≤20 ℃時，k取值0.28，b取值4.8；當(dāng)罐內(nèi)二甲醚溫度為20 ℃<θ≤40 ℃時，k取值0.365，b取值3.1。

當(dāng)有計算偏差時，可通過查詢圖3中溫度對應(yīng)飽和氣相二甲醚的密度，反推驗證式(4)，進行修正計算值。

該球罐氣相二甲醚的質(zhì)量m1計算，如式(5)所示：

(5)

通過式(5)計算出氣相二甲醚密度，由于式(5)主要考慮溫度對二甲醚密度的影響，忽略了壓力對氣相二甲醚密度的影響，計算結(jié)果存在一定誤差，因此在DCS內(nèi)設(shè)置一個選擇開關(guān)，在壓力變化較大時，使得操作人員可以手動輸入氣相二甲醚的密度，修正相應(yīng)的誤差。聯(lián)合式(3)和式(5)就可以計算出該罐內(nèi)二甲醚的質(zhì)量m+m1。

3 結(jié)束語

利用反推方法測量現(xiàn)場無法直接獲取的工藝變量，除了對儀表測量的準(zhǔn)確度要求較高外，設(shè)備的制造精度也會對測量的工藝變量產(chǎn)生影響，因此在選擇好測量方案后，除了要分析儀表誤差外，也要考慮設(shè)備的制造誤差，如果偏差結(jié)果大需要通過一定方式進行補償，提高測量的準(zhǔn)確性。該球罐采用不同測量原理的兩種液位計，計算球罐內(nèi)二甲醚的密度和質(zhì)量，在近一年的運行中，與工藝人員通過估算得到的質(zhì)量與外售二甲醚的整體質(zhì)量偏差較小，可以滿足工藝運行需要。對于氣相二甲醚的密度，由于無法實時測量，需要在后續(xù)的技術(shù)改造中，通過其他方式間接或者直接地測量其密度。