差压仪表在球罐液位测量中的深化应用

（淮安清江石油化工有限责任公司，江苏 淮安 223002）

差压仪表在球罐液位测量中的深化应用

王明虎

（淮安清江石油化工有限责任公司，江苏 淮安 223002）

通过对早期LPG球罐液位改造的介绍，讲述不同方式的差压仪表在球罐液位测量上的运用，剖析了各种方式产生误差的主要根源，提出了一种以Emerson 3051S ERS与温度补偿相结合的解决方案，为大量程的液位测量提供一条高精度的简便办法。

液位测量;差压;误差;温度补偿

0 引言

在众多老企业中，液化石油气（以下简称LPG）球罐由于建设年代较早，受当时的技术水平、规范要求等众多因素制约，其液位测量普遍存在使用较为原始的测量方法，例如仅有带远传磁性浮子现场液位计。随着国家技术规范要求的不断提高，这些测量方法越来越不符合规范及现场工艺操作的要求，迫切需要对液位测量进行技术改造。由于早期的LPG球罐已制造成型，再开设新的仪表检测口难度较大，这就造成无法利用现有先进成熟的液位测量技术（如雷达、伺服等）进行液位测量，只能利用球罐上已有的开口做技术改造，而这些早期的球罐，一般留给仪表的检测口除了磁性浮子液位计口外，剩下的就是上下各一个的压力测量口和一个温度测量口，如何利用现有的开口，进行液位测量的升级改造，是需要做一番努力的。

1 差压仪表测量液位的几种方法及分析

为了满足同一储罐至少配备两种不同类型的液位检测仪表[1]这一规范要求，综合现场条件，本着既现实可行又符合规范要求的原则，保留原磁翻板液位计作为LPG液位的一种测量方法。利用罐体上原上、下压力表检测口增设另一种液位测量方法，由于现场条件所限，新增设的液位测量方法只能采用差压仪表测量液位的技术路线。

1.1导压管差压变送器测量液位

首先采用的是最简便、也是最经典的测量方法，即常规导压管差压变送器测量液位法。如图1所示。

图1 常规导压管测量液位示意Fig.1 Normal pressure pipe measuring liquid level signal

这种方法是基于△P=ρgh[2]的原理，由于LPG的密度基本一定，故测出差压就知道了液位。但这种办法在实际使用中效果不理想，主要表现在两点：故障率高和准确性差。故障率高的主要原因是：受制于LPG介质的属性，采用导压管差压变送器测量液位需要在负压室内充满液柱以形成湿柱，而负压室液体是不流动的，这就造成负压室液体不断浓缩、集聚，使原本冬季不需伴热LPG还要轻伴热（不能重伴热），夏季即使不拌热有时也气化，这就造成冬夏两季故障率极高，根本无法使用。准确性差的主要原因是：负压室内液体浓缩、集聚造成密度变化；夏季气

化使负压室液柱产生变化；罐内LPG密度亦不是一个恒定值，这些都造成仪表显示与现场产生较大偏差，这个偏差有时达30～40cm左右，由于故障率和准确性两方面原因使得该仪表根本无法满足工艺操作要求，操作工反应强烈。

1.2隔膜密封式差压变送器测量液位

由于常规导压管差压变送器测量液位法在现场无法正常使用，自然就想到了隔膜密封式差压变送器测量液位（以下简称双法兰变送器）的方法，如图2所示。

图2 双法兰测量液位示意Fig2 Double flange measuring liquid level signal

这种方法似乎基本上消除了导压管差压变送器测量液位所带来的缺点，如负压室引压用毛细管取代了湿柱，既解决了冬季防冻、夏季气化的问题，又解决了负压室液柱密度和高度变化的问题，但从现场使用效果来看只解决了原先的故障率高的问题，准确性差的问题没有好转，通过现场比对，这种方法的误差最高达到30cm左右，通过分析，形成较大误差的原因主要是：

1）毛细管罐充液受环境温度的影响，增加了测量误差。

以某品牌的双法兰变送器为例，毛细管罐充液受环境温度影响产生的漂移量指标为±1.4%/50℃，以夏季早晚温差15℃计，粗略估算其漂移量在±0.4%以上，对一量程为20m的液位测量来说仅这一项的误差就达10cm左右。

2） 双法兰差压变送器的精度原本就较普通差压变送器低。

某品牌的双法兰变送器的标称精度为0.2%，而普通差压变送器的标称精度为0.025%，别小看了这0.15%的误差，在大量程的液位测量中引起的绝对误差是不可小觑的。

3）多台仪表形成的叠加误差及介质密度变化引发的误差。

一般的LPG球罐，其直径都在15m以上。由于单台双法兰一般仅可测量直径在10m以内的球罐（如毛细管太长，则温度产生的误差将更大），所以一般LPG球罐都需要3台以上的双法兰液位变送器进行分段测量，并将其测量的数据进行累加。这就造成最终的测量结果是由多个数值合成而得，按照合成标准不确定度原理[2]，这样势必造成整个测量系统的误差增大较多。另外由于球罐内的LPG处于动态变化过程之中，其密度受进罐介质组份、温度及环境温度的影响，这些变化都将引起介质密度变化，最终影响液位测量的准确性。

1.3Emerson的3051S ERS测量液位

为了能解决双法兰变送器的一系列弊端，Emerson推出了3051S ERS，它是一种利用两台3051S传感器测量液位的方法。如图3所示，就相当于将一台双法兰变送器拆分成两部分进行异地安装一样，一台3051S测量罐顶压力，一台3051S测量罐底压力，两台3051S之间使用普通电缆通过专用协议进行通讯，通过通讯使两块表形成一个整体，由罐底的3051S作为主表，罐顶作为副表，主表计算出两者之间的压差，进而计算出液位值并输出。由于两台3051S变送器之间巧妙使用电缆通讯，取代了双法兰变送器的毛细管，从而避免了毛细管因受环境温度影响而产生较大误差。由于通讯线的长度可达40m，因此不存在多段测量的问题，完全消除了双法兰变送器在大量程液位测量中的问题，这种方法只需在两台3051S之间做好相应设置，执行总系统调零，使用起来与一台双法兰变送器仪表没有什么区别。

图3 3051S ERS测量液位示意Fig.3 3051S ERS Measuring liquid level signal

2 温度补偿在液位测量中的运用

从现场3051S ERS使用效果可以看出，球罐液位测量可靠性和准确性有了很大提高，但这种方法有时误差亦可达20cm左右，这既与3051标称精度相差较多（3051S标称精度为0.025%），又无法满足工艺操作要求。通过仔细分析，其产生误差的原因除仪表固有精度原因外，主要是由于LPG球罐内液位密度受介质温度的影响引起的。本文查阅了LPG物理特性表，其比重在10℃为0.554， 20℃为0.544，则15℃时约为0.549，假设液位测量系统内设置的密度以20℃时为准（0.544），当液位固定在15m处未变，温度由20℃下降到15℃时，通过下面的理论计算就可以看出固定密度产生的误差。

因 △P=ρgh[3]

则 △P15=549*gh

但系数显示为h=△P15/（544*g）≈15.136 （m）

由此可见，温度仅变化了5℃，在15m处仪表显示液位与现场实际液位相差近13.6cm。由此可见必须补偿温度变化引起的密度变化，才有可能提高仪表的准确度。由于球罐上有温度测量口，将该温度信号引入系统，对3051S ERS的测量值进行温度补偿，就可以弥补介质温度引起的误差。由于LPG在0～30°C内密度随温度基本呈线性变化，因此温度修正密度可采取简单的区间线性插入法，以下是简单的区间线性插入法计算方法。

The Improvement of Differential Pressure Instrument in the Measurement of Spherical Tanks Liquid Level

Wang Minghu
（Huaian Qingjiang Petrochemical Co, Ltd, Jiangsu Huaian 223002,China）

By the introduction of the early LPG spherical tanks liquid level transforming, this article tells different ways of liquid level measurement in the con dition of differential pressure. Also it analyses the main reasons that cause the errors by different measuring methods. It offers the solution by combination of Emerson 3051S ERS and the temperature compensation technology. It provides a simple method for the wide range liquid level measurement.

:liquid level measurement;differential pressure;error;temperature compensation

Th

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.016