翻板液位計與質量流量計計量分析

    一、前言

    近年來，隨著企業經濟體制改革的逐漸深入，對于節能及能源計量管理工作、能源計量器具的配備提出了新的要求。能源計量工作對于一個企業是非常重要的，是企業實現現代化管理的重要基礎，能源計量是企業對能源進行科學管理，實現節能降耗，提高經濟效益的重要手段。沒有正確的計量，談不上維護企業的利益，提高經濟效益；能源計量器具是能源計量工作的物質基礎，科學合理地配置、管理計量器具是企業做好能源計量工作的技術保證，因此企業中能源計量工作尤顯重要。

    二、問題提出

    液化氣第三分公司坐落在大港區板廠路，長期擔負著通過80公里液化石油氣輸送管線的輸送任務和少量的鋼瓶罐裝業務。液化氣*分公司坐落在西青區汪莊子村南，擔負著全市及近郊約10萬民用戶和部分工商戶的用氣業務。一直以來，對一、三分公司通過80公里高壓管線輸送液化石油氣的情況始終采用液化石油氣儲罐的液位計量，方法是采用磁翻板液位計的計量方法。磁翻板液位計是利用磁耦合作用的原理，儀表和儲罐連接形成連通器，在儀表內設有磁性浮子，為確保液位顯示準確，磁性浮子的比重參數按容器內介質的密度設計，在儀表連通管外表面設有顯示器，顯示器安裝外顯磁翻板。磁性浮子在連通管內隨儲罐液位的變化上、下浮動時，通過磁耦合作用，顯示器的磁翻板也同步翻轉變換顏色，紅色顯示液相，白色顯示氣相，紅白顏色交界處就是儲罐內的實際液位。此種液位計及計量方式一直沿用至今，但是，我們經過一段時間的跟蹤監測。發現按磁翻板液位計的讀數來計算，結果不可靠。例如一臺1000M³的液化石油氣儲罐，不同時間讀取的數據，計算出的結果有時（特別是夏季）相差10噸左右。見數據1：

    三、問題分析

    以1000M³（直徑為12.3m）為例。我們知道，液體受熱會膨脹，其密度會變小。相反，液體受冷時其體積會縮小，密度會變大。特別是罐體內液體較多時，在環境溫度高于罐內溫度時，儲罐吸熱，而在環境溫度低于儲罐內溫度時，儲罐放熱，根據一年多時間的觀察、觀測，也就是說儲罐內的溫度變化不如環境溫度變化大。見數據2：

    表中可見罐內溫度變化比較平穩。而液位計與儲罐相連接的連通管直徑較小（DN50），管內的液體數量很少，受環境溫度影響很大，特別是連通管處在陽光直射位置時，其溫度變化更大，就是說，儲罐內的液體溫度和與液位計連通管內的液體溫度不同，則其密度也不同。一般認為，連通管內的液面高度和罐內液面高度應處于同一水平上，其實不一定。我們做了一個實驗，在室外溫度為30℃時，連通管的溫度為30℃，儲罐內的溫度為22℃，特別是由于液化石油氣的膨脹系數比水大得多，密度的差異就更大。這時，儲罐內液體與連通管內液體關系如同U型壓差計的工作原理一樣，兩側的液體相對連接管底部水平段的作用力相等，假設儲罐內的液化石油氣組份為：

    1、丙烷：丁烷=50:50
    2、儲罐內液化石油氣平均溫度T℃
    3、連通管內液化石油氣平均溫度t℃
    4、儲罐內液位為H（m）
    5、連通管內液位為h（m）

    10℃時  ρ_丙10=0.516
            ρ_丁10=0.570
    40℃時  ρ_丙40=0.469
            ρ_丁40=0.532

    則混合密度為：

    ρ_ш10=∑ρ_iV_i-0.516×0.5+0.570×0.5=0.543

    ρ_ш40=∑ρ_iV_i=0.469×0.5+0.532×0.5=0.501

    液體密度變化的溫度系數為：

    v=（ρ_ш40-ρ_ш10）/（40-10）=（0.501-0.543）/（40-10）= -0.0014

    在某一溫度t℃時的密度為

    ρ_t=ρ₁₀+v（t-10）

    連通管的液位高度為h時，對連通管底部水平的壓強為：

    P=P₀+ρqh

    任意時刻，連通管內液柱和儲罐內液柱對連通管水平段所產生的壓強必定相等，則：

    P₀+ρgh=P₀+ρvgH

    H=ρth/ρT=（1-v（T-t）/（ρ₁₀+（T-l0）））h       式-l

    ①當環境溫度高于儲罐內溫度時，

    設t=30℃ ，T=20℃ ，由式-l可得

    H=（1+0.0014×（20-30）/（0.543-0.0014（20-10）））h       式-2

    ②當環境溫度低于儲罐內的溫度時，

    設t=10℃，T=20℃

    H=（1+0.026）h=1.026h              式-3

    以上分析說明，液位計液位讀數與儲罐內的實際液位是有差距的，而且溫差越大，則差距就越大，這樣用液位計的讀數h直接查儲罐容積表，計算出的質量結果必然不準確，而且罐的容積越大，誤差越大，特別是液位剛好在儲罐赤道帶附近時，誤差更大，這樣就印證了前面所觀測的數據變化情況。

    以1000M³球罐為例，不考慮氣相的影響，設液位計讀數h=7m，設液位計內的液體溫度為30℃，罐內液體平均溫度為20℃，根據式-2，得罐內液位為：

    H=0.974h=0.974×7=6.82m，查罐容表，得到液體的體積分別為：

    586.928m³和565.873m³

    罐內在20℃時的混合密度：

    ρ₂₀=ρ₁₀+v（T-10）=0.543-0.0014（20-10）=0.529

    310.48噸和299.347噸，則偏多11.13噸，反之則偏少。

    四、解決問題的辦法

    按上述分析的情況看，磁翻板液位計在計量上確實存在讀數誤差的問題，解決該問題可以采用：① 將磁翻板液位計安裝防曬裝置，選好讀取時間，能在一定程度上克服環境因素對液位計讀數的影響，選擇在氣溫比較接近儲罐內溫的時候，如夏天在日出之前讀數，冬天在早上9:00左右讀數，但該辦法對生產運行有一定的影響；②在讀數前，將液位計中液體全部放掉，換入罐內新的液化石油氣，然后盡快讀取液位數據，這種方法不安全。③采用浮子式鋼帶液位計計量，該液位計是根據力平衡原理，當液面上升時，鋼帶張力減少松馳，系統平衡受到破壞，而作為力平衡源的盤簧力矩減少而做相應收卷，把已松馳的鋼帶纏在鋼帶輪上使鋼帶張緊，使系統平衡，液面下降的則反之。鋼帶上打有非常均勻的小孔，當鋼帶上下移動時，其孔正好與鏈輪上的齒咬合，并帶動表頭上的齒輪及指針進行液位顯示。由于制造技術和安裝質量上存在問題，目前，就國產鋼帶液位計而言，很大一部分是失效的，在罐內液位很低時，高速進人的液化石油氣容易使鋼帶液位計系統的浮筒及其導向鋼絲波動很大。再有，不同組份的液化石油氣及不同溫度下，密度不同，致使液體對浮筒的浮力不同，出現誤差，影響液位計的顯示精度。④為更好地、科學合理地配置計量裝置，維護企業利益，我們在啟用三分公司美國產質量流量計的基礎上，在一分公司也安裝上美國產DS300S/56SU型質量流量計，該種流量計由傳感器、變送器、顯示器三部分組成，該設備具有壓力、溫度、密度補償功能，流量計精度可達±0.2%，系統精度可達±0.35%，它是通過輸送液體流量由傳感器將采集數據信號傳送給變送器，由變送器將采集的數據進行分析調整以獲得高精度的質量流量信號，通過顯示器將流量、噸數顯示出來。經一段時間的運行，兩單位計量數據誤差基本控制在0.6%以下。見數據3：

    運行中，該質量流量計出現零點漂移現象，經數據跟蹤采集觀察，密度值在0.54噸/m3以下時，流量計開始出現零點漂移現象，經分析驗證管道中確實存在氣相液化石油氣。怎樣才能解決這一問題，我們考慮流量計安裝位置起決定性作用，安裝流量計zui高點必須低于工藝管道的高度，只有這樣，才能保證流量計在非工作時的充滿度，避免液相管道中出現氣化而產生流量計零點漂移。

    綜上所述，采用質量流量計，可避免因溫度、壓力、密度的影響而產生誤差，同時，儲罐的安全運行，仍離不開浮子式磁翻板液位計，雙重并用，既可保證安全運行，又確保計量的準確。