3051SMV多變量變送器在丙烯腈裝置空氣進(jìn)料流量測量中的應(yīng)用

孫崇祥

（山東科魯爾化學(xué)有限公司，山東 東營 257000）

丙烯腈裝置以丙烯、氨、空氣為原料，在430-450℃下，經(jīng)流化床反應(yīng)器生產(chǎn)丙烯腈、乙腈、氫氰酸等主副產(chǎn)物。原料空氣用透平空氣壓縮機(jī)從大氣經(jīng)空氣過濾器吸入空氣，壓縮后從流化床底部送入流化床反應(yīng)器。空氣流量做為反應(yīng)器控制的重要參數(shù)，為保證丙烯裝置反應(yīng)過程的安全，不僅需要在DCS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，也需要在SIS系統(tǒng)進(jìn)行安全聯(lián)鎖監(jiān)控。采用平衡流量計(jì)加3051SMV多變量變送器的測量模式，保證了測量的準(zhǔn)確。

1 空氣流量測量系統(tǒng)組成

為保證空氣流量測量的準(zhǔn)確及聯(lián)鎖控制的可靠，平衡流量計(jì)采取向上及左右間隔45°開3對(duì)取壓口的方式。管道上安裝三支熱電阻，熱電阻信號(hào)分別接入三臺(tái)變送器，經(jīng)多變量變送器計(jì)算后信號(hào)傳輸至SIS機(jī)柜的一進(jìn)二出信號(hào)分配器，再分別進(jìn)入SIS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)。進(jìn)入SIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過三取二的表決方式，判斷空氣流量是否達(dá)到聯(lián)鎖值。進(jìn)入DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過三取中的方式，參與空氣流量的調(diào)節(jié)，DCS經(jīng)過PID計(jì)算輸出信號(hào)至透平空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)透平轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)空氣流量。

通過使用平衡流量計(jì)加3051SMV多變量變送器的測量模式，在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)就地溫壓補(bǔ)償，一是解決了在SIS系統(tǒng)溫壓補(bǔ)償計(jì)算復(fù)雜的問題，二是減少了傳統(tǒng)溫度、壓力信號(hào)都接入控制系統(tǒng)，再做溫壓補(bǔ)償?shù)膯栴}，節(jié)約了大量的時(shí)間和費(fèi)用。

2 平衡流量計(jì)

丙烯腈裝置空壓機(jī)出口管道DN=1600mm，在這么大口徑管道測量空氣流量，如使用渦街流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等流量計(jì)，則費(fèi)用太昂貴。如使用插入式靶式流量計(jì)，則測量精度不能滿足要求。傳統(tǒng)孔板、噴嘴、文丘里管等差壓式流量計(jì)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置不需要標(biāo)定，只要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行弧度、坡口的加工，無需實(shí)流標(biāo)定，就可以根據(jù)規(guī)定的計(jì)算方法得到差壓和流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系就能獲得規(guī)定的準(zhǔn)確度，為用戶帶來方便。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置經(jīng)過幾十年的發(fā)展，作為經(jīng)典流量測量裝置，對(duì)流量的測量最穩(wěn)定，相比隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，開發(fā)出的渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)，是最經(jīng)得住考驗(yàn)的流量測量方式。

在幾十年的應(yīng)用中，通過工程技術(shù)人員對(duì)使用經(jīng)驗(yàn)的累積，以及對(duì)經(jīng)典差壓式流量計(jì)計(jì)算公式的演變，開發(fā)出了精度更高、量程比更寬、壓損更低的平衡流量計(jì)。平衡流量計(jì)是專門為對(duì)測量要求嚴(yán)苛的航天工業(yè)開發(fā)的，其優(yōu)秀的性能表現(xiàn)使得它迅速在石油化工行業(yè)推廣開來。為石油化工行業(yè)對(duì)大口徑、高精度流量測量要求的，提供了新的選擇。

3 空氣流量的溫壓補(bǔ)償

對(duì)于氣體流量測量，由于氣體分子之間的作用力小，是一種非常微弱的存在，所以氣體的工況會(huì)隨著溫度和壓力的變化而發(fā)生很大的變化。由于要盡量準(zhǔn)確，而工藝條件在不斷變化，即被測氣體的溫度、壓力在不斷變化中，造成被測氣體的密度也就不斷變化，如果不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，測量的氣體流量肯定不會(huì)準(zhǔn)確。氣體溫壓補(bǔ)償?shù)囊饬x就是將工況下測量的結(jié)果轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的標(biāo)況下測量結(jié)果，保證不同點(diǎn)測量的結(jié)果都在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，利于比較和統(tǒng)計(jì)。

我們常見的工況，都可以簡化為理想氣體，以方便利用標(biāo)準(zhǔn)氣體方程實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的補(bǔ)償。下面我們通過不同工況下溫度、壓力對(duì)氣體流量測量的影響進(jìn)行展示。

設(shè)計(jì)狀態(tài)下此處壓縮空氣的壓力為0.16Mpa（G）、溫度為150℃、流量86694.38Nm3/h。但在裝置開車期間，后續(xù)工藝流程空氣用量在20000Nm3/h左右。這時(shí)壓縮空氣管道內(nèi)的壓力、溫度，均與設(shè)計(jì)溫度、壓力偏差較大。若此時(shí)的空氣流量未經(jīng)過溫度、壓力補(bǔ)償，則實(shí)際流量與平衡流量計(jì)測得的流量差別較大，給工藝操作人員的操作，沒有參考價(jià)值。且會(huì)因數(shù)據(jù)的不真實(shí)給裝置運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。

按照公式：

式中，為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體實(shí)際體積流量；qvn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體設(shè)計(jì)體積流量；p'為氣體實(shí)際壓力，kPa；p為氣體設(shè)計(jì)壓力，kPa；T'為氣體實(shí)際溫度，℃；T為氣體設(shè)計(jì)溫度，℃。

在壓力120kPa、溫度120℃下，未經(jīng)溫壓補(bǔ)償?shù)牧髁繛?0000Nm3/h。經(jīng)過溫壓補(bǔ)償?shù)牧髁繛椋?/p>

通過計(jì)算顯而易見，為準(zhǔn)確測量空氣流量必須對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。因空氣流量既要進(jìn)入SIS參與聯(lián)鎖，又要進(jìn)入DCS參與控制。在一般系統(tǒng)中，可采用SIS通信到DCS進(jìn)行控制，但按照規(guī)范，因?yàn)橥ㄐ艛?shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，關(guān)鍵位置的控制，不得使用通信方式，必須使用硬接線方式。如要同時(shí)保證兩套控制系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確，需要準(zhǔn)備兩套流量測量及溫度、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，增加了投資及系統(tǒng)復(fù)雜性。

4 3051SMV多變量變送器

通過以上計(jì)算，我們得知空氣流量測量的溫壓補(bǔ)償是必須進(jìn)行的。提到溫壓補(bǔ)償，首先想到的就是流量積算儀。流量積算儀都有比較強(qiáng)大的功能，能與差壓式流量計(jì)、速度式流量計(jì)配套使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以消除實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況不同，帶來的測量偏差。流量積算儀一般安裝在流量儀表附近，化工現(xiàn)場儀表必須達(dá)到對(duì)應(yīng)的防爆等級(jí)，這就要求流量積算儀需要配套安裝笨重的防爆保護(hù)箱。通過圖1傳統(tǒng)流量測量結(jié)構(gòu)圖可以看出，每一路流量的測量都需要一臺(tái)差壓變送器、一臺(tái)壓力變送器、一臺(tái)溫度測量儀表。丙烯腈裝置空氣流量的測量是參與SIS聯(lián)鎖的重要參數(shù)，必須設(shè)置三取二模式，這就要求空氣流量測量按照圖1的結(jié)構(gòu)安裝3套。按照傳統(tǒng)流量測量結(jié)構(gòu)配置，會(huì)造成安裝的儀表設(shè)備特別多。一是增加了設(shè)備的采購?fù)顿Y、施工投資；二是增加了故障點(diǎn)，給后期的運(yùn)行維護(hù)帶來很多不便，不符合方便設(shè)備設(shè)施維護(hù)的要求。

圖1 傳統(tǒng)流量測量結(jié)構(gòu)圖

圖2 3051SMV流量測量結(jié)構(gòu)圖

而利用3051SMW變送器自帶的靜壓傳感器和差壓傳感器，分別測得過程壓力和流量差壓?，F(xiàn)場安裝的熱電阻測溫信號(hào)直接接入3051SMW變送器表頭，通過變送器自帶計(jì)算公式實(shí)時(shí)完成對(duì)空氣流量的工況轉(zhuǎn)標(biāo)況計(jì)算?，F(xiàn)場只需要一臺(tái)多變量變送器和一個(gè)熱電阻就能實(shí)現(xiàn)流量的精確測量，節(jié)約了變送器備件庫存、節(jié)約安裝成本。

5 結(jié)束語

3051SMV多變量變送器與平衡流量計(jì)的配合使用，實(shí)現(xiàn)了空氣流量測量的就地溫壓補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了流量的精確測量，解決了空氣流量在SIS系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)溫壓補(bǔ)償?shù)膯栴}，為SIS系統(tǒng)可靠的安全聯(lián)鎖監(jiān)控、DCS系統(tǒng)準(zhǔn)確的流量控制提供了保障。