液氨储罐内液氨质量精确计算

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摘 要：通过对液氨储罐结构分析及对液氨、气氨密度与温度的关系和现有液氨储罐液位检测系统的分析，并经过温度修正和体积修正，对不同环境温度下DCS显示液位所代表的液氨储存体积进行精确计算，达到在不增加质量检测系统的情况下，做到准确知道液氨储罐储存的液氨质量及装卸的液氨质量

关键词：D-237/1 液氨质量 温度修正 体积修正

一、问题提出

由于液氨储罐没有质量计，且液氨及氨气受温度影响密度变化较大，为准确计量液氨储罐的液氨质量，有必要引入方法对液氨储罐内液氨质量进行确定。

二、体积计算

如何通过液位显示计算液氨质量，关键在于液位显示与罐容积的关系。下图为某液氨储罐D-237/1结构示意图

图1 液氨储罐D-237/1结构示意图

其中：L1=11623mm，L2=708mm，b=11623mm，D=2600mm，h2=1050mm，h3=950mm

FF为液位检测双法兰安全位置

储罐体积V等于圆柱体积V柱与封头体积V封之和： …………（1）

通过计算公式得出结论：

实际检测液位高度在DCS上以百分数形式出现，以d表示。参考上图：=

所以实际液位在0―50%之间的液位高度：h=+ ：………………………………（2）

为减少误差，当液位高度d>50%时，D-237/1实际介质体积应为储罐总体积V总减去上部空间的体积V上减来求，即：

上部空间高度h’=+ ………………（3）

其中=。

三、质量计算与偏差

根据图1及公式（1）―（3），利用EXCEL编辑公式计算D-237/1现场DCS上显示液位高度d对应液氨体积部分数据如表（1）所示。液氨密度在不同温度下是不同的，取全年平均温度为25℃，液氨密度为0.6028kg/l，带入EXCEL计算表计算液氨质量，其部分数据如表（1）：

表（1）液位高度d对应液氨质量

液位高度d 1% 8% 14% 20% 25%

液氨体积m3 3.8727533 7.093244 10.21259 13.58101 16.53718

液氨质量t 2.3344957 4.275808 6.156148 8.186635 9.968609

液位高度d 30% 31% 38% 42% 50%

液氨体积m3 19.601 20.22473 24.67504 27.27326 32.56137

液氨质量t 11.81548 12.19146 14.87411 16.44032 19.62799

液位高度d 51% 55% 62% 73% 80%

液氨体积m3 34.74206 37.14256 41.28622 47.60142 51.44433

液氨质量t 20.94251 22.38954 24.88733 28.69413 31.01064

通过EXCEL计算表液位对应的液氨质量，可以计算出液氨外装量。如液氨装车前液位62%，装车后液位20%，则二者对应的质量相减即为液氨外装质量。但实际运行中，计算的液氨质量与标准重量往往存在较大偏差，其中的原因是由于液氨密度随环境温度的变化而变化，如表（2）。

表（2）液氨密度与温度关系

温度℃ 液氨密度（kg/l） 温度℃ 液氨密度（kg/l） 温度℃ 液氨密度（kg/l）

-10 0.6520 7 0.6289 24 0.6043

-9 0.6507 8 0.6275 25 0.6028

-8 0.6494 9 0.6261 26 0.6013

-7 0.6480 10 0.6247 27 0.5998

-6 0.6467 11 0.6232 28 0.5983

-5 0.6453 12 0.6219 29 0.5968

-4 0.6440 13 0.6204 30 0.5952

-3 0.6426 14 0.6190 31 0.5937

-2 0.6413 15 0.6176 32 0.5921

-1 0.6399 16 0.6161 33 0.5906

0 0.6386 17 0.6146 34 0.5890

1 0.6372 18 0.6132 35 0.5874

2 0.6358 19 0.6117 36 0.5859

3 0.6345 20 0.6103 37 0.5843

4 0.6331 21 0.6088 38 0.5827

5 0.6317 22 0.6073 39 0.5811

6 0.6303 23 0.6058 40 0.5795

为准确计算液氨质量，需根据当时环境温度输入液氨密度值，从而计算出不同液位所代表的准确液氨质量，从表（2）中可以看出，液氨的密度与温度存在密切关系，以表（2）数值做散点图，可知液氨密度与温度存在线性相关。通过EXCEL的INTERCEPT和SLOPE函数，可以得出液氨密度与温度的回归方程： ρ液=0.6386-0.00145t ………………………………（4）

将公示（4）编入EXCEL计算表，则在计算液氨质量时先输入环境温度，质量可直接计算出来，通过温度修正可减少不同温度引起液氨密度变化而导致的液氨质量计算的偏差。

通过上述修正，消除了温度对液氨密度的影响。但与标准重量比较时，仍发现计算结果与标准重量存在较大偏差。通过实际工作经验，知道在夏天时D-237/1液位显示d与实际玻璃板显示液位会存在偏差，有时还会很大。因此可以得出结论，温度不仅对液氨密度有影响，还会影响DCS检测的液氨高度d，继而影响液氨体积的计算值，从而导致液氨质量计算值与标准重量的偏差，为计算出准确的液氨质量，必须进行温度对d的影响的修正，即体积修正。

四、体积修正

体积修正即为液位检测高度的修正。D-237/1液位计为双法兰液位计，即压差式液位计，其原理示意图如图5所示。根据静力学原理可知

……（5）

……（6）

…（7）

将公式（6）和（7）带入公式（5），同除重力加速度g，并简化为得公式（8）

…（8）

设：

由公式（8），D-237/1的液位高度与液氨及气氨的密度相关，从而与环境温度相关。公式中当检测液位小于50%时，；液位大于50%时，

。当DCS显示液位高度d时，由公式（8）可以计算出P（其中ρ为20℃时气液密度差），再将实际温度下ρ带入公式（8），再带入计算的P，则可得实际液位高度。知道实际液位高度即可计算出实际液氨质量。

图5液氨储罐液位检测示意图

表（3）为气氨密度与温度的关系。

表（3）气氨密度与温度关系

温度℃ 气氨密度

（kg/m3） 温度℃ 气氨密度

（kg/m3） 温度℃ 气氨密度

（kg/m3）

-10 2.389 7 4.399 24 7.564

-9 2.483 8 4.550 25 7.794

-8 2.579 9 4.704 26 8.032

-7 2.667 10 4.864 27 8.278

-6 2.779 11 5.025 28 8.525

-5 2.884 12 5.192 29 8.780

-4 2.991 13 5.365 30 9.042

-3 3.102 14 5.540 31 9.302

-2 3.216 15 5.721 32 9.579

-1 3.333 16 5.907 33 9.862

0 3.454 17 6.094 34 10.140

1 3.578 18 6.289 35 10.440

2 3.706 19 6.489 36 10.750

3 3.837 20 6.693 37 11.050

4 3.973 21 6.901 38 11.360

5 4.110 22 7.117 39 11.680

6 4.254 23 7.337 40 12.000

通过表（3）数据我们可以得出气氨密度与温度散点图，并通过EXCEL的LOGEST函数，可以得出气氨密度与温度的回归方程：

…（9）

将公式（6）和（9）带入公式（8），得出D-231/1体积修正公式：

……（10）

五、两次修正后的质量计算

通过公式（10），在前述EXCEL工作表中输入温度值来修正液氨密度及储罐体积检测，再计算液氨质量，可以很好的避免液氨质量与标准重量的偏差，从而准确的估算储存液氨的重量，以解决实际工作的需要。表（4）列出两次修正后的固定体积液氨质量的估算值。

表（4）温度修正后液位高度d（66%）对应的液氨质量

温度℃ -5 0 6 11 17

液氨体积m3 44.99368485 44.73531215 44.41198024 44.13018397 43.77523264

液氨质量t 29.05917136 28.56797034 27.97510635 27.47765905 26.87580408

温度℃ 20 23 25 32 37

液氨体积m3 43.59009543 43.39932492 43.26879396 42.78841856 42.41974028

液氨质量t 26.57252217 26.26744141 26.06295804 25.33930147 24.81342708

参考文献：

[1]液氨罐D-237/1装配图