化工生产粉料工况的测量技术

江 沛 柯英宇

(1.中国寰球工程公司设计部，北京 100021；2.ABB(中国)有限公司工业解决方案业务单元，北京 100021)

为了提高粉料工况的测量精度，更好地满足化工生产检测和控制的需要，笔者针对粉料测量过程中的物位、压力和流量信号，介绍其专用测量技术。

1 粉料工况测量技术①

1.1 物位测量

1.1.1差压变送器

采用传统导压管测量压差的方法，固体颗粒会堆积在导压管中。在聚合反应中，还会有局部聚合反应生成块状颗粒引发堵塞，使测量不能正常进行的情况发生。为此，建议采用隔离介质的方法进行测量[1～3]。

一种是采用液体介质硅油配合法兰膜片进行测量。硅油充装在毛细管中，连接法兰膜片和变送器。工艺介质接触法兰膜片，法兰膜片将压力传递给硅油，硅油将压力进一步传导至变送器的测压元件[4]。采用法兰膜片加毛细管的变送器进行测量时需要注意：由于温度会影响硅油密度，进而引入测量误差，毛细管过长使累积误差过大，且生产制造困难，而且差压变送器的两侧毛细管长度应相等来抵消环境温度变化引起的误差对差压变送器正负压室的影响，因而要限制毛细管的长度；毛细管进行铠装和机械保护，防止损坏，造成硅油泄漏；硅油的使用有温度要求，工艺介质温度过低可以伴热，过高可延长取压口短管的长度，并对该取压短管不保温；法兰膜片尺寸越大，受压面积越大，测量精度越高，受管道主管或工艺设备尺寸限制时需扩大取压口的尺寸；粉料含量较大的工况，采用平面法兰膜片(图1)时，粉料会堆积在管口或管台处，较长时间后，会引起部分堵塞，故应采用长凸法兰膜片(图2)，使法兰膜片填充整个管口或管台内部，填充的吻合性必须满足长凸的长度与管口的深度相等，外径匹配，实现长凸膜片和管口或管台内部间隙足够小，法兰膜片前表面与管道或设备内部平齐，如果管道或设备内壁不是平面，法兰膜片需要特殊加工，保证管道或设备内壁的平滑，防止凸出或凹陷引起的粉料堆积，为提高测量精度，还应缩短长凸膜片的长度，即尽量缩短管口高度；采用硅油作为隔离介质进行测量，会附加额外压力，使测量值偏移实际值，因此需要对测量值进行迁移，变送器量程迁移的工作原理如图3所示。

图1 平面法兰膜片

图3 变送器量程迁移工作原理

变送器量程迁移的第一种方法是理论计算法，根据法兰中心距离h和硅油密度ρ硅油计算迁移的压差值ρ硅油gh，计算式如下：

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

变送器量程迁移的第二种方法是实际法，即在仪表安装好后，将法兰隔膜与工艺介质隔离，并充分与大气接触，此时变送器的示值就是迁移量。第三种方法是惰性气体反吹测量法，引入惰性气体吹向变送器和工艺介质，形成隔离气[5，6]。

在糖尿病微血管慢性并发症中,糖尿病肾病较为常见,已成为糖尿病及终末期肾病的主要死因。现阶段临床中针对糖尿病肾病高的治疗主要采用血管紧张素转化酶抑制剂(ACEI)及血管紧张素受体拮抗剂(ARB)进行治疗,但疗效不佳[1]。本研究探讨羟苯磺酸钙治疗糖尿病肾病的疗效及安全性,现作如下报道。

以某流化床反应器的床高测量信号为例。变送器的安装位置应高于两个取压口，导压管线应自上而下倾斜，实现固体颗粒自排。反吹惰性气体N2的压力要比较高，经过滤器、止回阀、自力式调节阀或限流孔板减压，使压力略高于工艺介质压力，产生稳定的流量，形成填充气膜。工艺介质的压力通过气膜传导到变送器。应保证导压管线无泄漏并减少弯头，降低反吹气的压力损失。流化床反应器的下半部分是固体颗粒和循环气混合物，上半部分是循环气，如图4所示。由于惰性气体N2的密度与工艺介质的密度不同，需补偿计算，计算式如下：

Δp实际=Δp固体颗粒+Δp循环气

Δp测量=p1′-p2′=(p1-ρ氮气gh1)-(p2-ρ氮气gh2)

=Δp实际-Δp氮气

Δp固体颗粒=Δp测量-Δp循环气+Δp氮气

=Δp测量-(ρ循环气-ρ氮气)gh

h床高=Δp固体颗粒/(ρ固体颗粒g)

≈Δp固体颗粒/(ρ底部固体颗粒及循环气g)

其中ρ底部固体颗粒及循环气可通过流化床底部设置的差压变送器测量得到。

图4 流化床反应器内的物位测量原理

惰性气体的密度会受压力和温度影响，因此在高精度测量场合需对气体密度进行补偿，补偿公式如下：

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

273.14)]

1.1.2放射性料位变送器

对于纯粉料工况，可采用放射性料位变送器。放射源的强度计算需考虑设备直径、工艺介质密度、设备壁厚、设备材料、保温层厚度及密度等因素。

对粉料进出设备的动态工况，不能仅考虑堆积物料对放射性元素的吸收，还要考虑流动粉料对放射性元素的吸收。如果仅以仪表接收端的实际接收值来反算物位，会产生虚假高物位。故需适当增强放射源的强度，提高接收器的计数率，以补偿测量结果[7，8]。

1.1.3导波雷达变送器

粒料相对于粉料颗粒直径较大，结构相对稳定。对介电常数较高的粒料，可采用导波雷达测量仪表[9]。应考虑粒料在导波绳或导波杆上的粘附，还需考虑粒料在设备中堆积时其界面不是平面，而是有一定凸起或凹陷，测量中应避免虚假满罐或空罐。

1.1.4称重仪表

通过测量设备内部的物料质量，根据物料密度和设备外形，反算物位高度[10]。

1.2 压力测量

压力信号的测量同采用差压变送器测量物位信号的方法类似。压力变送器仅单侧有毛细管，硅油密度的变化不能被抵消[1，10]，毛细管长度应当尽可能短。

1.3 流量测量

采用节流元件测量流量时，一般采用文丘里管，防止喉径处堵塞。差压变送器可以采用法兰隔膜或反吹测量法。水平安装的流量计，可不考虑因硅油或反吹气引起的迁移。垂直安装的流量计，由于两取压口距离很短，可根据实际情况选择是否迁移[10]。

对含粉量较低的工况，可采用偏心孔板或圆缺孔板；质量流量计同样可以较好地满足含粉工况的测量。

2 测量技术的比较

进行物位测量时，放射性仪表是在其他类型仪表都不能满足测量的前提下而不得已选用的仪表，其危险性高、维护要求高、成本高。压差法测量时，反吹法比法兰隔膜测量方法的仪表一次性投资成本低，但需要消耗公用工程氮气，并且反吹法的维护量较大，需要定期大流量反吹以防止导压管因长期积累的粉料而堵塞。法兰隔膜变送器维修成本高，一旦损坏，需要整体返修或更换，并且由于毛细管长度的限制，不能进行较大范围的物位测量。液态硅油在高温时易汽化，因此其使用受到温度的限制。长凸法兰膜片比平面法兰膜片的成本高，法兰面尺寸越大精度越高，但成本也越大。称重仪表投资较大，安装复杂，使用过程中受振动和风的影响较大[1，10]。粉料工况物位的几种测量技术综合性能比较见表1。

需要说明的是，压力测量参考物位压差测量法。

流量测量中，质量流量计精度最高(0.5%～1.0%)，安装要求较低，不考虑直管段长度要求，受温度、压力和密度变化影响小，但价格昂贵，压力损失大。节流元件的精度在1.0%～1.5%，引入硅油和反吹气会降低测量精度，对安装直管段要求较高。文丘里管相对标准孔板成本较高，安装空间要求较大，压力损失相对小。

3 结束语

根据化工生产粉料工况的特殊性，详细介绍物位、压力和流量信号的测量技术，以及各种测量技术的使用细节和注意事项，并综合比较了各种测量方法，为设计和使用人员根据工艺特点、投资成本及维护等因素选择合适的测量方法提供借鉴。

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[10] 陆德民.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000:981～995.