化工生產粉料工況的測量技術

江 沛 柯英宇

(1.中國寰球工程公司設計部，北京 100021；2.ABB(中國)有限公司工業解決方案業務單元，北京 100021)

為了提高粉料工況的測量精度，更好地滿足化工生產檢測和控制的需要，筆者針對粉料測量過程中的物位、壓力和流量信號，介紹其專用測量技術。

1 粉料工況測量技術①

1.1 物位測量

1.1.1差壓變送器

采用傳統導壓管測量壓差的方法，固體顆粒會堆積在導壓管中。在聚合反應中，還會有局部聚合反應生成塊狀顆粒引發堵塞，使測量不能正常進行的情況發生。為此，建議采用隔離介質的方法進行測量[1～3]。

一種是采用液體介質硅油配合法蘭膜片進行測量。硅油充裝在毛細管中，連接法蘭膜片和變送器。工藝介質接觸法蘭膜片，法蘭膜片將壓力傳遞給硅油，硅油將壓力進一步傳導至變送器的測壓元件[4]。采用法蘭膜片加毛細管的變送器進行測量時需要注意：由于溫度會影響硅油密度，進而引入測量誤差，毛細管過長使累積誤差過大，且生產制造困難，而且差壓變送器的兩側毛細管長度應相等來抵消環境溫度變化引起的誤差對差壓變送器正負壓室的影響，因而要限制毛細管的長度；毛細管進行鎧裝和機械保護，防止損壞，造成硅油泄漏；硅油的使用有溫度要求，工藝介質溫度過低可以伴熱，過高可延長取壓口短管的長度，并對該取壓短管不保溫；法蘭膜片尺寸越大，受壓面積越大，測量精度越高，受管道主管或工藝設備尺寸限制時需擴大取壓口的尺寸；粉料含量較大的工況，采用平面法蘭膜片(圖1)時，粉料會堆積在管口或管臺處，較長時間后，會引起部分堵塞，故應采用長凸法蘭膜片(圖2)，使法蘭膜片填充整個管口或管臺內部，填充的吻合性必須滿足長凸的長度與管口的深度相等，外徑匹配，實現長凸膜片和管口或管臺內部間隙足夠小，法蘭膜片前表面與管道或設備內部平齊，如果管道或設備內壁不是平面，法蘭膜片需要特殊加工，保證管道或設備內壁的平滑，防止凸出或凹陷引起的粉料堆積，為提高測量精度，還應縮短長凸膜片的長度，即盡量縮短管口高度；采用硅油作為隔離介質進行測量，會附加額外壓力，使測量值偏移實際值，因此需要對測量值進行遷移，變送器量程遷移的工作原理如圖3所示。

圖1 平面法蘭膜片

圖3 變送器量程遷移工作原理

變送器量程遷移的第一種方法是理論計算法，根據法蘭中心距離h和硅油密度ρ硅油計算遷移的壓差值ρ硅油gh，計算式如下：

Δp示=p1′-p2′

p1′=p1+ρ硅油gh1

p2′=p2+ρ硅油gh2

Δp=p1-p2=Δp示+ρ硅油gh

變送器量程遷移的第二種方法是實際法，即在儀表安裝好后，將法蘭隔膜與工藝介質隔離，并充分與大氣接觸，此時變送器的示值就是遷移量。第三種方法是惰性氣體反吹測量法，引入惰性氣體吹向變送器和工藝介質，形成隔離氣[5，6]。

在糖尿病微血管慢性并發癥中,糖尿病腎病較為常見,已成為糖尿病及終末期腎病的主要死因。現階段臨床中針對糖尿病腎病高的治療主要采用血管緊張素轉化酶抑制劑(ACEI)及血管緊張素受體拮抗劑(ARB)進行治療,但療效不佳[1]。本研究探討羥苯磺酸鈣治療糖尿病腎病的療效及安全性,現作如下報道。

以某流化床反應器的床高測量信號為例。變送器的安裝位置應高于兩個取壓口，導壓管線應自上而下傾斜，實現固體顆粒自排。反吹惰性氣體N2的壓力要比較高，經過濾器、止回閥、自力式調節閥或限流孔板減壓，使壓力略高于工藝介質壓力，產生穩定的流量，形成填充氣膜。工藝介質的壓力通過氣膜傳導到變送器。應保證導壓管線無泄漏并減少彎頭，降低反吹氣的壓力損失。流化床反應器的下半部分是固體顆粒和循環氣混合物，上半部分是循環氣，如圖4所示。由于惰性氣體N2的密度與工藝介質的密度不同，需補償計算，計算式如下：

Δp實際=Δp固體顆粒+Δp循環氣

Δp測量=p1′-p2′=(p1-ρ氮氣gh1)-(p2-ρ氮氣gh2)

=Δp實際-Δp氮氣

Δp固體顆粒=Δp測量-Δp循環氣+Δp氮氣

=Δp測量-(ρ循環氣-ρ氮氣)gh

h床高=Δp固體顆粒/(ρ固體顆粒g)

≈Δp固體顆粒/(ρ底部固體顆粒及循環氣g)

其中ρ底部固體顆粒及循環氣可通過流化床底部設置的差壓變送器測量得到。

圖4 流化床反應器內的物位測量原理

惰性氣體的密度會受壓力和溫度影響，因此在高精度測量場合需對氣體密度進行補償，補償公式如下：

ρ氮氣=(pReactor+0.101325)×28.01/[8314×(TTubing+

273.14)]

1.1.2放射性料位變送器

對于純粉料工況，可采用放射性料位變送器。放射源的強度計算需考慮設備直徑、工藝介質密度、設備壁厚、設備材料、保溫層厚度及密度等因素。

對粉料進出設備的動態工況，不能僅考慮堆積物料對放射性元素的吸收，還要考慮流動粉料對放射性元素的吸收。如果僅以儀表接收端的實際接收值來反算物位，會產生虛假高物位。故需適當增強放射源的強度，提高接收器的計數率，以補償測量結果[7，8]。

1.1.3導波雷達變送器

粒料相對于粉料顆粒直徑較大，結構相對穩定。對介電常數較高的粒料，可采用導波雷達測量儀表[9]。應考慮粒料在導波繩或導波桿上的粘附，還需考慮粒料在設備中堆積時其界面不是平面，而是有一定凸起或凹陷，測量中應避免虛假滿罐或空罐。

1.1.4稱重儀表

通過測量設備內部的物料質量，根據物料密度和設備外形，反算物位高度[10]。

1.2 壓力測量

壓力信號的測量同采用差壓變送器測量物位信號的方法類似。壓力變送器僅單側有毛細管，硅油密度的變化不能被抵消[1，10]，毛細管長度應當盡可能短。

1.3 流量測量

采用節流元件測量流量時，一般采用文丘里管，防止喉徑處堵塞。差壓變送器可以采用法蘭隔膜或反吹測量法。水平安裝的流量計，可不考慮因硅油或反吹氣引起的遷移。垂直安裝的流量計，由于兩取壓口距離很短，可根據實際情況選擇是否遷移[10]。

對含粉量較低的工況，可采用偏心孔板或圓缺孔板；質量流量計同樣可以較好地滿足含粉工況的測量。

2 測量技術的比較

進行物位測量時，放射性儀表是在其他類型儀表都不能滿足測量的前提下而不得已選用的儀表，其危險性高、維護要求高、成本高。壓差法測量時，反吹法比法蘭隔膜測量方法的儀表一次性投資成本低，但需要消耗公用工程氮氣，并且反吹法的維護量較大，需要定期大流量反吹以防止導壓管因長期積累的粉料而堵塞。法蘭隔膜變送器維修成本高，一旦損壞，需要整體返修或更換，并且由于毛細管長度的限制，不能進行較大范圍的物位測量。液態硅油在高溫時易汽化，因此其使用受到溫度的限制。長凸法蘭膜片比平面法蘭膜片的成本高，法蘭面尺寸越大精度越高，但成本也越大。稱重儀表投資較大，安裝復雜，使用過程中受振動和風的影響較大[1，10]。粉料工況物位的幾種測量技術綜合性能比較見表1。

需要說明的是，壓力測量參考物位壓差測量法。

流量測量中，質量流量計精度最高(0.5%～1.0%)，安裝要求較低，不考慮直管段長度要求，受溫度、壓力和密度變化影響小，但價格昂貴，壓力損失大。節流元件的精度在1.0%～1.5%，引入硅油和反吹氣會降低測量精度，對安裝直管段要求較高。文丘里管相對標準孔板成本較高，安裝空間要求較大，壓力損失相對小。

3 結束語

根據化工生產粉料工況的特殊性，詳細介紹物位、壓力和流量信號的測量技術，以及各種測量技術的使用細節和注意事項，并綜合比較了各種測量方法，為設計和使用人員根據工藝特點、投資成本及維護等因素選擇合適的測量方法提供借鑒。

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