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化工行业中压力变送器的选型和特殊工况下的选型应用

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摘 要:压力变送器的类型、材质、量程、防爆等级等的选择与环境条件、应用工况、安装条件、介质特性、经济性等息息相关,变送器的合理选型可更好地保证变送器的使用寿命并确保化工生产过程的测量控制稳定。

1 概述
         变送器在化工行业中有着广泛的应用,尤其是压力变送器占据了较大比例。以我司为例,我司以烧碱为基础,拥有丙烯-环氧丙烷(PO)-聚醚(PPG)和甲醇-1,4-丁二醇(BDO)-聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)两条主产业链,压力变送器在我司远传测量仪表中占比约为 40%,主要应用于压力、差压、液位、流量等测量领域,在生产中作为过程测量、过程控制和过程联锁等的检测仪表。根据环境条件、应用工况、安装条件、介质特性、经济性的不同,对变送器的选型具有不同的要求。压力变送器以下简称变送器。

2 变送器的类型
2.1 按测量对象来划分
         压力分为绝对压力、表压、差压三种。变送器按测量压力对象的不同,可分为压力变送器(表压)、绝对压力变送器、差压变送器三种。

         绝对压力即参照压力为真空时所测量的压力值;表压即参照压力为当地的大气压力时,所测量的压力值,表压为负值时称为负压力或真空度;差压即测量两个压力之差,对于变送器而言,即变送器上有两种感压膜盒,称为正负压室,变送器通过对正负压室两端测量的压力值进行计算得出两者的差压值。

2.2 按膜盒制作结构来划分
         变送器按膜盒制作结构来进行分类,可分为普通型和隔离式。 普通型变送器即其测量膜盒只有一个,直接感受被测介质的压力或差压。而隔离式变送器则由普通型的内膜盒和直接感压的外膜盒组成,外膜盒感压后通过一种稳定液(硅油、氟油、乙二醇等,一般为硅油)将压力传递至内膜盒上,从而实现压力的测量。隔离式变送器常用的为法兰式安装,也可作成螺纹连接型,法兰连接隔离式变送器又可分为平膜片和凸膜片型。从安装形式上,隔离式变送器可分为一体式直接安装型和远传安装密封型。在使用环境较好,易接近的场合,可选用直接安装型变送器。远传型即外膜盒与内膜盒间通过毛细管进行连接。(本段落中提到的所有变送器都在/chaya/

3 变送器的应用领域及选型
         根据应用领域、工艺管道和设备结构、开孔情况、安装位置的不同,变送器的选型也不同。由于变送器的类型较多,应用面广,故在变送器选型,尤其是在备品备件变送器选型上,建议按通用性、适用范围广等原则来统一考量,以减少备品备件的库存数量。

3.1 变送器在压力测量领域的类型选择
         在压力测量上选用的变送器有压力变送器(中低表压)、高压力变送器(中高表压)和绝对压力变送器、单法兰隔膜密封式压力变送器(中低表压)。根据测量安装方式的不同,压力、高压力和绝对压力变送器可分为管道直连式安装和导压管取压安装两种安装类型。对于微小压力工况,直接测量压力可能存在测量波动不稳定的情况,根据《自动化仪表选型设计规范》HG/T 20507-2014 中的 5.3.1,测量微小压力(小于 500Pa)时,宜选用差压变送器。

3.2 变送器在差压、液位测量领域的类型选择
         差压测量即通过差压变送器测量正负压室的压力差进行计算得出差压值。在液位测量领域中,可通过测压力或差压的方式来间接测得液位。

         测量介质特性和安装方式的不同,液位测量选用的差压变送器有差压变送器(静压为中低压)、高静压差压变送器(静压为高压)、法兰安装式差压变送器隔膜密封式双法兰差压变送器等。

(1)常压容器液位测量
         常压容器与大气连通,P - 即等于大气压,可直接选用压力变送器或单法兰隔膜密封式压力变送器来进行测量,如选用差压变送器则负压室直接通大气不需连接。根据液柱压强公式 P=ρgh,
         ΔP=P + -P - =ρ 1 gh
         式中,ΔP——变送器正、负压室之间的压差;
         ρ 1 ——在设计温度和压力下,被测容器内的介质密度,kg/m3;
         h——测量液位,m。

(2)密闭容器液位测量
         常压容器的密负压室可能存在气相挥发,或是容器顶部进行氮封,如选用法兰安装式差压变送器则负压室需引导压管连接,如选用隔膜密封式变送器,则正负压室均使用远传法兰连接。
         ΔP=P + -P - =ρ 1 gh+ρ 2 g(H-h)
         式中,H——被测容器正、负取压点之间的高度,m;
         ρ 1 ——在设计温度和压力下,被测容器内液体上部气体介的质密度,kg/m3。

         注:由于智能变送器可通过手操器进行零点迁移操作,在这里不考虑由于安装引起的零点漂移问题。这里也暂不考虑由于变送器安装位置与液位零点不在同一高度而产生的毛细管内硅油的压差影响。

(3)敞开水池
         敞开水池一般采用投用入液位计较为经济,但对于水池底部有污泥的工况,使用投入式液位计可能存在维护量较大的问题,此情况下也可选用单法兰密封隔膜式压力变送器进行液位测量。

3.3 变送器在流量测量领域的类型选择
         变送器在流量中,一般使用差压变送器,与孔板、阿牛巴、文丘里等节流装置配套使用实现流量测量,差压变送器检测出来的是对差压值,对于蒸汽、气体等介质还需要进行相应的运算,一般在二次表或 DCS/PLC 等上位系统上进行运算得出相应的流量值。流量测量选用的差压变送器有差压变送器和隔膜密封式双法兰差压变送器等。

4 变送器在几种特殊工况的选型及应用
4.1 高温工况
        高温工况应注意考虑传感器填充液、毛细管灌充液的选择。常用毛细管灌充液的硅油一般为 200 硅油和高温 704硅油。在大气压力下,200 硅油可用范围为-45~205℃,高温 704 硅油可用范围为 0~305℃。在实际选型中,除了了解工况温度外,工况压力也是一种重要参数。随着温度的升高,介质饱和蒸汽压也会相应降低,在选型中应根据厂家的饱和蒸汽温压曲线来选择,建议 130℃以上考虑选用高温硅油。对于测量介质温度较高的场合,过程温度超过变送器的正常工作范围,且不能通过导压管或直接安装型隔离膜把温度调节到极限范围内,可选用远传型变送器,通过毛细管引压,避免由于高温对变送器电子元件造成的影响。

4.2 易结晶高粘度工况
        介质离开工艺设备后易产生结晶现象或是介质粘度太大时,如采用导压管连接易造成堵塞,需要经常进行清理疏通,且易造成测量的不稳定,一般选用隔离式变送器。对于结晶较为严重的工况,可选用凸膜片型变送器,将感压膜片直接插入设备内部,从而可直接感受介质的温度,使介质在膜盒处不易结晶,更好地保证测量的稳定可靠。结晶工况往往同时需要伴热保温,对于此工况,隔离液宜选用高温硅油。对于介质在法兰连接处易凝结、沉积的工况,建议在过程法兰和隔膜密封法兰之间装夹冲洗环,通入水等,通过冲洗环侧面的孔冲洗掉沉积物,保持隔膜清洁,从而保证膜盒的正常感压。

4.3 腐蚀性工况
        腐蚀性工况包括环境条件、应用工况的腐蚀性。如在导压管材质为碳钢或不锈钢适用的工况,选择普通型的压力和差压变送器;如碳钢或不锈钢无法满足工况要求时,应选用隔离式变送器。

        腐蚀性工况需特别注重材质的选型。变送器的材质包括了变送器的膜片及接液材质、法兰材质、外壳材质、排气/排液阀材质、传感器填充液材质、毛细管灌充液材质、螺栓螺母材质等,选型中最需要关注的是膜片及接液材质、法兰材质、外壳材质。

4.3.1 膜片及接液材质
        根据介质化学特性的不同,来进行选择,不同浓度的同种介质在不同温度下的腐蚀性也有所不同。隔膜密封式变送器,一般内膜盒选用不锈钢材质,接液外膜盒根据介质特性进行选择。

以下为我司常见的几种介质的膜片材质选择

        对于其它材质,可查阅《仪表工手册》表 1-5-18 仪表常用金属材质防腐性能表,或《仪表常用数据手册》中的8.1 仪表常用耐腐蚀材料。

4.3.2 法兰材质
        对于法兰连接的变送器,法兰材质一般有碳钢、304SST、316SST 三种选型,法兰材质的选择与环境条件、介质特性有关,由于法兰并非直接接液部分,如果在环境条件良好、经济性考量较多的情况下,可选用碳钢材质。但对重要的监控点或安环控制点,为避免出现膜片腐蚀导致法兰也迅速腐蚀的情况,建议按 316SST 来选择。

4.3.3 外壳材质
        根据环境条件和经济性来考虑变送器的外壳材质,外壳材质一般包括铝合金和不绣钢材质,如果不是处于腐蚀性较强的环境条件,选择铝合金材质更经济些。

4.4 安装位置不便于维护工况
        如可选用导压管连接,一般选用普通型变送器,在经济性允许的情况下,也可选用远传型,将变送器装至合适的位置以便进行日常维护。同时应根据工况选择合适长度的毛细管,毛细管的长度不同响应时间也不相同,常用的毛细管长度为 3~5 米。远传型变送器的价格一般为直接安装型的0.5-1倍以上,在选型时应从实际应用需要和经济性两方面来权衡考虑。

5 变送器的其它参数选型
5.1 量程的选择
        量程选择时应遵循量程上下可调、保证精度(一般精度要求为 0.075%)、通用性强等原则来进行综合考虑。量程的选择以工况要求的最大压力或差压为依据,通过按工况要求的 1.5~2 倍确定量程。

5.2 防爆等级的选择
        变送器从防爆等级来划分,可分为普通型、防爆、粉尘防爆、防火、本质安全型等。对于化工行业来说主要为防爆型和本质安全型,应根据装置的系统设计来进行选择。

5.3 变送器的接线方式、电源和输出信号的选择
        变送器的接线方式分为四线制和两线制,电源类型有24VDC 和 220VAC,目前常用的为 24VDC 两线制变送器。变送器的输出信号分为 4~20mADC 输出 BRAIN 协议、4~20mADC HART 协议、FF 现场总线协议、PROFIBUS PA 总线协议等,1~5VDC 低功耗输出等,4~20mADC HART 是目前应用较广的一种信号类型。

6 结束语
        变送器作为应用较为广泛的仪表,在日常选型中应尽可能考虑全面,选用更适用现场工况、性价比高的产品。合理的选型同时进行正确的安装,才能更效地发挥变送器在化工生产中的作用。

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