氯碱生产装置温度仪表选型研究

谢 楠，万 阳，李 阳，裴允彤

（蓝星（北京）化工机械有限公司，北京 100176）

氯碱行业是重要的基础化学工业，主要以盐为原料，电解盐水后，产生氯气、氢气、氢氧化钠等产品，进一步加工生产以聚氯乙烯为代表的多种耗氯产品，并以其为原料生产一系列化工产品，广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化工业以及公用事业等。 随着工业自动化的快速发展，自动化仪表在氯碱生产过程中的重要性日益凸显。 仪表选型的准确性对生产运行、经济效益以及安全性都具有重要影响。 温度是工业生产中最基本的工艺参数之一，任何化学反应或物理变化的进程都与温度密切相关，因此温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务之一。

1 氯碱行业自动化仪表选型的重要性

（1）提高生产效率

自动化仪表的准确选型可以提高氯碱生产过程的控制精度，提高生产效率。 如在温度控制方面，正确选用合适的温度仪表可以确保生产过程中反应温度的稳定性，提高反应效率。

（2）降低能源消耗

自动化仪表的选型与能源消耗密切相关。 通过高精度的测量和控制可以降低能源的消耗，提高能源的利用率。

（3）降低生产成本

选型准确的自动化仪表能够减少维护、更换以及停机时间等方面的成本。 此外，合理选型还可以减少误操作引起的事故风险，降低潜在损失。

（4）确保产品质量和安全生产

自动化仪表选型的准确性直接影响到产品质量的稳定性和生产安全性。 通过选用合理的仪表设备，可以有效控制工艺参数，确保产品质量的一致性。 在安全方面，选型准确的仪表能够对生产过程进行精确监控，消除潜在安全隐患。 不同的生产工艺对温度的要求不同，需要严格控制反应温度避免副反应的发生，合适的选型对于系统安全的重要性尤为关键。

2 仪表选型一般规定

仪表选型应根据工艺要求的操作条件、设计条件、精度等级、工艺介质特性、检测点环境、配管材料等级规定及安全环保要求等因素确定，并满足工程项目对仪表选型的总体技术水平要求， 总之，所选仪表应安全可靠、技术先进、经济合理。

仪表选型在性能要求上应根据测量用途、测量范围、范围度、精度、灵敏性、分辨率、重复性、线性度、可调比、永久压损、输出信号特性、响应时间、控制系统要求、安全系统要求、防火要求、环保要求、节能要求、可靠性及经济性等因素来综合考虑。

设计选用的仪表应为国家授权机构批准并取得制造许可证的合格产品，不得选用未经鉴定的研制仪表，除特殊要求外，仪表宜选用供货商的标准系列产品。

在爆炸危险区内应用的电子式仪表应取得国家授权防爆认证机构颁发的《产品防爆合格证》；计量仪表应取得国家授权机构颁发的《制造计量器具许可证》或《计量器具型式批准证书》；属于消防电子产品的火灾、可燃气体检测及报警等仪表应取得应急管理部消防产品合格评定中心颁发的《中国国家强制性认证证书》（即CCCF 认证）或《产品型式认可证书》。

测量与控制仪表优先采用电子式，首选测量与控制信号为4～20 m ADC 带HART 协议的智能化现场仪表， 其次可选用信号为4～20 mA DC 的非智能现场仪表，也可选用FF、Profibus 等现场总线仪表和工业无线仪表。

3 氯碱行业常用温度仪表

温度检测根据敏感元件与被测介质接触与否，分为接触式和非接触式两大类。 接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测介质的温度必然相等，温度计的显示值就是被测介质的温度。 接触式测温的测温精度相对较高，直观可靠，测温元件价格较低，但由于感温元件与被测介质直接接触，会影响被测介质的热平衡状态，而接触不良又会增加测温误差；若被测介质具有腐蚀性或温度太高亦将严重影响感温元件的性能和寿命。 根据测温转换的原埋，接触式测温可分为膨胀式（如温度管水银温度计、双金属温度计）、热阻式、热电式等多种形式。

非接触式温度测量的特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。 因此，非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。 例如机场、学校用来测体温的红外温度计就属于非接触式温度计。

氯碱生产装置中，常用接触式温度仪表较多使用的热电阻、一体化温度变送器、双金属温度计，温度仪表构成及工作原理如下。

（1）热电阻

热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度，绝大多数金属的电阻值随温度而变化，温度越高，电阻越大，即具有正的电阻温度系数，而大多数半导体材料具有负的电阻温度系数，即温度越高，电阻越小。

常用热电阻元件为有铂热电阻，铜热电阻，半导体热敏电阻。 氯碱生产装置采用铂热电阻居多，铂热电阻采用高纯度铂丝绕制而成， 具有测量精度高、性能稳定、复现性好、抗氧化等优点，因此在基准、实验室和工业中被广泛应用，但其在高温下容易被还原性气体所污染，使铂丝变脆，改变其电阻温度特性，需用套管保护方可使用。 铂丝纯度是决定温度计精度的关键。 铂丝纯度越高其稳定性越高、复现性越好、测温精度也越高。

铜热电阻的电阻值与温度近于呈线性关系，电阻温度系数也较大，且价格便宜，所以在一些测量精度要求不是很高的情况下，常采用铜热电阻。但其在高于100 ℃的气体中易氧化， 故多用于测量－50～+100 ℃范围。

半导体热敏电阻优点是负电阻温度系数大，因此灵敏度高。 电阻率大，可作为体积小而电阻值大的电阻元件，具有热惯性小和可测量点温度或动态温度。 缺点是同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差、精度较低。

（2）一体化温度变送器

一体化温度变送器是通过温度电流变送器，把温度传感器的信号转变为电流信号，连接到二次仪表上，从而显示出对应的温度。 温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I 转换、 恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20 mA 电流信号输出。

现场安装热电阻传输信号类型为Pt100Ω，可通过在热电阻接线盒内安装二线制温变模块，将信号类型改为4～20 mA 电流信号输出，DCS 端卡件可保证一致性，无需额外采购RTD 信号输入卡件，同时三线制仪表改为二线制，导线可以减少一芯，经济性更好，是目前很多业主方采取的方案。

（3）双金属温度计

双金属温度计是将绕成螺纹旋形的热双金属片作为感温器件，并把它装在保护套管内，其中一端固定，称为固定端，另一端连接在一根细轴上，称为自由端。 在自由端线轴上装有指针。 当温度发生变化时，感温器件的自由端随之发生转动，带动细轴上的指针产生角度变化，在标度盘上指示对应的温度。双金属温度计的测温范围一般为-80～500 ℃，允许误差为标尺量程的±1.5%。

按双金属温度计指针盘与保护套管的连接方向可以把双金属温度计分成轴向型、径向型、135°向型和万向型4 种。 轴向型双金属温度计指针盘与保护套管垂直连接；径向型双金属温度计指针盘与保护套管平行连接；135°向型双金属温度计指针盘与保护套管成135°连接；万向型双金属温度计指针盘与保护套管连接角度可任意调整。

氯碱装置中， 管道配置常因不同项目所处位置、要求会有所差异，因此双金属温度计常用万向型，方便现场巡检人员查看。

4 温度仪表的选型方式

（1）工艺要求

根据不同的工艺要求，选择适合的温度仪表类型。 不同的测量对象对其测量要求有所不同，因此对于仪表性能的选择侧重点也会有所不同。 一般情况下，测温元件首选铠装型结构热电阻，远传监测、控制测温点。 对于不涉及联锁控制、失效后不会造成安全隐患的测温点，可采用就地温度仪表，优先选择双金属温度计。 通过日常巡检对测温点位进行监测，氯碱生产装置中，通常在二次盐水一次加热、碱液冷却时，采用双金属温度计。

氯碱装置生产系统中，物料温度的稳定性对于离子膜电解槽的电解效率有着至关重要的作用，因此，物料温度调节多采用热电阻或一体化温度变送器，对关键点位进行测量，远传至DCS，实现远程监控、系统监测介质温度是否超限，必要时进行相关联锁动作，以保证系统运行的安全性，减少对重要设备的伤害。

温度仪表的测量单位，应采用摄氏度（℃）。双金属温度计表盘直径宜为Ø100； 在照明条件较差、安装位置较高及观察距离较远的场合，双金属温度计表盘直径宜为Ø150。 表盘外壳宜为不锈钢，面板宜为白底黑字，应带防爆玻璃。

（2）环境条件

氯碱装置内，温度仪表外壳应选择适应性能好、耐用的材质， 外壳防护级别建议选择IP65 以上；温度检测元件保护套管材质应根据管线内介质的设计温度、设计压力、防腐要求、防磨蚀要求及被测介质的特性，选择耐用材质，最低应选用316SS，并且不应低于设备或管道材质， 例如测量盐水介质，温度检测元件保护套材质选择Ti。

保护套管宜选用整体钻孔锥形保护套管，采用法兰安装方式。 仪表的防护可有效避免因腐蚀过度，影响仪表测量的准确性与传输性能。 氯碱生产装置测温点接触介质常为盐水、烧碱、氯气、冷却水、蒸汽，温度保护套管常用材质选择表见表1。

表1 氯碱装置温度计套管常用材质选择表

（3）测量范围和精度要求

测量范围是选型的一个重要指标。 温度仪表的测量单位，应采用摄氏度（℃），对于就地温度计的操作温度应为刻度/量程的30%～70%； 对于温度变送器，应为量程的10%～90%。 氯碱装置生产运行过程中，需对仪表的准确性有严格要求，温度仪表正常测量值宜在仪表测量范围上限值50%左右，测量最高值不大于测量范围上限值90%。

热电阻精度宜选择A 级 （±0.15+0.2% ℃），双金属温度计可选用1.5 级， 一体化温度变送器精度宜选择±0.5%。 这里值得一提的是，在HG/T 20507-2014 《自动化仪表选型设计规范》中，对于仪表精度有如下描述： 精密测量用温度计应选用0.5 级或0.25 级。 而在SH/T 3005-2016 《石油化工自动化仪表选型设计规范》中，对于精度的描述为：温度变送器读书精确度不应低于±0.2 ℃， 在实际选型过程中，以重庆川仪温度仪表为例，常用一体化温度变送器由温度传感器（热电偶或热电阻）与二线制温变模块构成，Pt100 输入信号测量范围为-200～850 ℃，测量精度（取最大值）为±0.1%或±0.1 ℃，氯碱装置介质测温最高温度约为150 ℃，精度远远高于行业标准，被测介质温度大于200 ℃时，需额外注意精度要求。

（4）插入深度

温度检测仪表安装位置为管道，需满足检测仪表终端完全接触被检测介质， 配管时建议放置在U型弯低点处或肘弯处，保证测温元件的端点位于被测介质温度变化的灵敏区域， 以保证测量的可靠性。 一般浸入长度大于100 mm，以保证测量的准确性，管道不满足保护套管插入长度时，可进行扩径安装。 一般保护管插入深度宜为管道直径1/3～1/2处； 热电阻固定底座底座高度多为150 mm， 例如DN200 管道，可选择热电阻保护管长度为250 mm。如明确温度检测元件在满管流体管道上，插入深度可适当缩减，例如DN400 满液体介质管道，可选择保护套管总长度为250 mm 即可。

检测罐内液体温度， 安装位置宜为罐下方，仪表检测终端可被被测液体全部覆盖，以确保检测的准确性，通常检测罐内温度仪表热电阻保护套管长度为250 mm 以上。

检测元件插入深度的计算并非千篇一律，在实际项目设计，如测量介质为管道中的气体，可减少插入深度，对于温度检测无影响，也避免插入管道内的保护套管过长，不断受到高流速气体介质冲刷而变形，甚至折断，造成损坏，当测量元件插入深度超过1 m 时，应尽可能垂直安装，或加装支撑、支架和保护套管。

（5）响应时间

在氯碱生产中，温度的变化往往是非常快速的，温控仪表的响应速度对于调控温度的稳定性和精度有重要影响。 选型时应考虑到仪表的响应速度。温控仪表的电阻丝的尺寸（直径）、结构、铠装管厚度、保护套管外径及材质不同，其对应响应时间也不同，因此不同产品的响应时间会有一定的差异。

（6）其他注意事项

a.可根据温度检测仪表具体安装位置是否在防爆区域内，来确认是否对仪表进行防爆处理，氯碱生产装置常用防爆级别为本安型（ExiaIICT4）或隔爆型（ExdIICT4）。

b.过程连接方式应首选法兰连接，可根据项目前期开工会，与业主方针对法兰标准及压力等级进行确认，需要考虑整体装置法兰标准及业主方其他装置法兰标准的一致性，以保证温度检测仪表正确安装和使用。

c.保护套管壁厚需根据实际情况选择，太厚会导致测温响应时间过长，太薄会导致保护管防腐耐用时间大大缩短。直行保护管直径常用Ø16；锥形保护套管直径通常选用Ø23/Ø17、Ø20/Ø16。 保护套管选取时，需结合工艺预留法兰规格，避免因沟通不畅而产生无法安装和返工情况的发生。

5 结语

氯碱行业中自动化仪表的选型对于提高生产效率、降低能源消耗、降低生产成本以及确保产品质量和安全生产具有重要意义。 作为兼具技术性、实用性和责任性的工作，在温度仪表的选型中需综合考虑物料特性、 工艺要求和设备要求等方面因素，以满足实际生产需求。 只有通过合理选型，才能更好地满足氯碱行业的自动化生产要求。