李芳，张超，魏佳佳
(河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南 新乡 453700 )
二甲醚作为一种重要的工业原料，广泛应用于医药、燃料、农药以及其他化工产品的生产。由于二甲醚的密度随温度、压力变化而变化，且挥发性强，在生产过程中二甲醚的存储一般采用球罐(压力容器)。想要准确测量球罐中二甲醚的质量，则要测量球罐的液位、温度以及压力等参数，同时根据压力、温度补偿二甲醚的密度，但是该方法复杂且不便于工业计算。
近年来国内外对二甲醚的专用状态方程研究比较多，尤其是基于Helmholtz形式的状态方程[1]，为计算二甲醚密度提供指导。然而在实际生产以及DCS的组态中，由于该方程比较复杂，需要改进。同时二甲醚是一种极易挥发的介质，且介电常数较小[2]，给液位计的选用带来了一定的困扰，尤其是在大型球罐中，要求采用3种不同形式的液位测量。因此，如何准确地测量球罐中二甲醚液位是一个难题。为了满足采购、销售、生产的需要，需准确地计算出球罐内二甲醚的质量。采用测量球罐内温度和压力并实时补偿的方式，计算出的二甲醚密度只能用于实验室研究，可采用安装振动管密度计[3]实时测量二甲醚的密度，但是其使用范围相对较窄。通过与技术人员沟通、交流，最终采用逆推方法测量二甲醚的密度，即通过实时测量差压和液位的方式计算出二甲醚的密度，经过验证该方案可以满足实际应用需求。
二甲醚是一种极易挥发的介质，在球罐的上部空间充满了气化后的二甲醚，且介电常数随温度变化相对较小，饱和二甲醚在温度为287～313 K时，介电常数为8.81～3.04[3]，一般采用雷达液位计、磁质伸缩液位计、伺服液位计、差压式液位计等不同测量形式的液位计测量球罐液位，根据不同的测量原理，每种液位计各有优缺点[4-5]。伺服液位计结构复杂，安装要求苛刻，长期运行磨损严重，一旦球罐液位出现快速变化，响应速度较慢，但是运行稳定。外测式液位计主要应用在后期的改造过程中[7-8]，优点是安装方便。普通的差压变送器，可能会出现负压[9-10]，在罐体较高的情况下安装不方便，测量经常出现虚假液位，必须经过特殊处理。随着测量技术的不断发展，出现了电子远传液位计，克服了普通差压变送器以及毛细管液位计测量的不足[11]，并逐步应用到罐体液位测量中。如果采用普通喇叭口雷达液位计测量液位，对安装位置要求较高，容易产生虚假回波，因虚假回波峰值与真实回波峰值接近，会造成液位计的滤波功能无法滤去虚假回波，很难满足使用要求，采用长喇叭形天线并加装导波杆的方式保证雷达液位计测量的准确性[12]，但是对于较大球罐，导波杆安装维护不方便。
在重大危险源设计时至少采用2种不同测量方式的液位计。以某公司二甲醚球罐液位测量为例，原设计采用普通喇叭口方式的雷达液位计，根据喇叭口“光圈”作用原理，喇叭口越大，接收物料反射的雷达波信号越强[13]，但在运行过程中经常出现虚假液位甚至在低液位时无法测量的问题。通过查阅大量的球罐液位计应用案例以及相关文献，决定该球罐的液位测量采用2台电子远传差压液位计LIA-01B和LIA-01C，1台缆式导波雷达液位计LIA-01A，在该球罐L1管口安装雷达液位计，L2和L3管口安装电子远传液位计，二甲醚球罐液位计设置如图1所示。需测量安装液位计管口的底部高度以便在正式运行后校对比较，在安装雷达液位计的导波缆绳时要测量缆绳底部与L2和L3管口的高度差，并尽可能保持高度一致，如果不一致，可能测量出误差，在密度计算时进行补偿，如果无法保证安装高度的一致，可以采用文献[14]的方案修正偏差。
图1 二甲醚球罐液位计设置示意
导波雷达液位计的测量原理见文献[15]，该项目采用的电子远传差压液位计，由2台3051变送器构成，采用法兰式密封系统，在主副传感器之间采用信号线连接，应用CAN总线通信协议保证信号的同步。在主传感器计算差压并将其转换为4～20 mA信号输出到分散控制系统(DCS)。
由于液位及差压的测量对计算二甲醚的密度很重要。结合实际应用，查询DCS中LIA-01A, LIA-01B，LIA-01C的历史数据，3台液位计测量数据结果对比如图2所示。
从图2可以看出, LIA-01C和LIA-01A的测量偏差保持在0.08 m以内，而LIA-01C和LIA-01B的测量偏差在0.1 m以内。通过修正后，偏差可以控制在0.02 m以内。该球罐的高度为18 m，液位间的偏差相对较小，可满足二甲醚密度计算要求。
二甲醚的密度随温度和压力的变化而变化，无法实时测量，利用目前已经安装的电子远传差压变送器测量差压值，雷达液位计测量实时液位，计算获取球罐内二甲醚的实时密度，应用反推法计算球罐内液体二甲醚的质量，步骤和计算过程如下。
1)根据该球罐压强pCH可以推算出液体二甲醚的密度ρ，计算如式(1)所示：
pCH=ρg(h+h1)
(1)
式中：h——球罐内二甲醚的实际液位；
h1——设备制造过程中产生的液位修正误差；
g——重力加速度。
2)h已知时，计算球罐内二甲醚的体积V，如式(2)所示：
(2)
式中：D——球罐的直径。
3)结合式(2)和式(3)可以实时计算出球罐内液体二甲醚的质量m，如式(3)所示：
(3)
将式(3)应用于DCS，可以实时计算出球罐内液相二甲醚的质量。
饱和气相二甲醚密度与温度的关系如图3所示，将各点连接起来，近似一条直线。
图3 饱和气相二甲醚密度与温度关系示意
该球罐内的二甲醚温度变化范围为10～42 ℃，采用最小二乘法计算气相二甲醚密度ρ1如式(4)所示：
ρ1=kθ+b
(4)
式中：k——二甲醚气相密度随温度变化的系数；
b——补偿值。
当罐内二甲醚温度为10 ℃≤θ≤20 ℃时，k取值0.28，b取值4.8；
当罐内二甲醚温度为20 ℃<θ≤40 ℃时，k取值0.365，b取值3.1。
当有计算偏差时，可通过查询图3中温度对应饱和气相二甲醚的密度，反推验证式(4)，进行修正计算值。
该球罐气相二甲醚的质量m1计算，如式(5)所示：
(5)
通过式(5)计算出气相二甲醚密度，由于式(5)主要考虑温度对二甲醚密度的影响，忽略了压力对气相二甲醚密度的影响，计算结果存在一定误差，因此在DCS内设置一个选择开关，在压力变化较大时，使得操作人员可以手动输入气相二甲醚的密度，修正相应的误差。联合式(3)和式(5)就可以计算出该罐内二甲醚的质量m+m1。
利用反推方法测量现场无法直接获取的工艺变量，除了对仪表测量的准确度要求较高外，设备的制造精度也会对测量的工艺变量产生影响，因此在选择好测量方案后，除了要分析仪表误差外，也要考虑设备的制造误差，如果偏差结果大需要通过一定方式进行补偿，提高测量的准确性。该球罐采用不同测量原理的两种液位计，计算球罐内二甲醚的密度和质量，在近一年的运行中，与工艺人员通过估算得到的质量与外售二甲醚的整体质量偏差较小，可以满足工艺运行需要。对于气相二甲醚的密度，由于无法实时测量，需要在后续的技术改造中，通过其他方式间接或者直接地测量其密度。
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