摘要:根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn), 分析了壓力/ 差壓變送器在真空下應(yīng)用的難點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了灌充液對(duì)變送器的影響, 說(shuō)明了溫度和壓力的相互關(guān)系。列舉對(duì)比了變送器在真空下的性能, 闡述了真空下變送器的選型原則, 給出了法蘭變送器的安裝高度要求。
引 言
壓力/差壓變送器在過(guò)程控制中廣泛應(yīng)用, 但其自身特性決定了每種變送器都有一定的局限性,雖然傳感器原理不一, 但都有膜盒或膜片作為過(guò)程隔離部件, 隔離部件內(nèi)灌液以傳遞壓力。傳感器導(dǎo)壓灌充液的物化性質(zhì)以及接液部分的材質(zhì), 影響了變送器的工作, 決定了變送器的應(yīng)用受工藝過(guò)程條件(壓力和溫度)的影響。真空下, 過(guò)程隔離膜盒的受力, 灌充液的壓力傳遞都不同于正壓, 法蘭(遠(yuǎn)傳隔膜密封式)變送器受過(guò)程條件的影響更大【1：參考文章見(jiàn)本頁(yè)面底部】 。此時(shí), 儀表的選型和合理安裝變得非常重要, 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn), 該文闡述了真空下壓力/差壓變送器應(yīng)用的一般規(guī)律。
1 優(yōu)先選取絕對(duì)壓力變送器
測(cè)量真空可以使用絕對(duì)壓力變送器和表壓力變送器(又稱(chēng)負(fù)壓表), 兩者從本質(zhì)上都是差壓變送器, 前者以絕對(duì)真空為基準(zhǔn), 與大氣壓力無(wú)關(guān), 后者以大氣壓為基準(zhǔn), 受大氣壓變化的影響。工藝過(guò)程測(cè)量, 特別是高真空, 小量程應(yīng)用時(shí), 為消除測(cè)量受大氣壓力變化的影響, 避免混淆和測(cè)量誤差, 應(yīng)優(yōu)先選擇絕對(duì)壓力變送器。
中國(guó)石油吐哈油田公司石油天然氣化工廠真空解析工段, 產(chǎn)品順酐在高真空下加熱析出, 極限真空(絕對(duì)壓力)約18 mmHg (1 mmHg ≈133 .3 Pa)。系統(tǒng)內(nèi)壓力測(cè)量采用了16 臺(tái)絕壓表,其中1 臺(tái)絕壓表故障, 臨時(shí)采用了一臺(tái)負(fù)壓表來(lái)應(yīng)急。本地海拔750 m , 年平均大氣壓730mmHg , 故儀表測(cè)量范圍設(shè)置為-730 ～ 0 mmHg , 遠(yuǎn)傳DCS監(jiān)控界面(絕對(duì)壓力)則是0 ～ 730 mmHg 。投用后, 發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差在0 ～ 20 mmHg 之間。經(jīng)分析確認(rèn)測(cè)量誤差源于參考?jí)毫?大氣壓)變化:系統(tǒng)內(nèi)真空度恒定時(shí), 大氣壓力升高, DCS 示值降低,反之, 示值升高。于是, 根據(jù)本地大氣壓的變化, 頻頻更改儀表的下限和量程。顯然, 絕對(duì)壓力表不存在此問(wèn)題。由于負(fù)壓表的參考點(diǎn)往往受氣象條件的變化而改變, 故真空測(cè)量時(shí), 盡量選取絕對(duì)壓力變送器。
2 真空下變送器的選型
儀表選型時(shí), 除了注意儀表工藝過(guò)程接液部分材質(zhì)的過(guò)程兼容性外, 還要注意儀表適用的壓力和溫度是相互關(guān)聯(lián), 不是彼此獨(dú)立的。理想情況下,隔離膜片沒(méi)有剛度和彈力, 在傳遞過(guò)程壓力時(shí)沒(méi)有任何壓力損失, 但苛刻的工況又要保證膜片有一定強(qiáng)度, 這要求變送器在適應(yīng)工況和保證測(cè)量精度之間性能均衡。高壓應(yīng)用時(shí), 同一變送器壓力增高適用的溫度逐漸降低, 這是因?yàn)闇囟葘?duì)隔離膜片強(qiáng)度、灌充液的膨脹率等因素的影響, 以下著重討論真空下的應(yīng)用。
2.1 高溫高真空應(yīng)用的難點(diǎn)
真空應(yīng)用時(shí), 溫度升高, 變送器適用的最低壓力也會(huì)有所提升, 高溫下的高度真空, 是最苛刻的應(yīng)用條件, 因?yàn)?:高度真空時(shí), 灌充液的沸點(diǎn)大大降低, 工藝溫度超過(guò)填充油在該壓力的沸點(diǎn)時(shí),灌充液除膨脹外, 還會(huì)部分氣化, 氣化壓力會(huì)施加給膜片, 同時(shí)也施加給變送器傳感元件;膜片密封系統(tǒng)在灌液前, 系統(tǒng)內(nèi)很難抽到絕對(duì)真空, 灌充液也很難完全排除溶解氣體和其他揮發(fā)性氣體;高真空時(shí), 外界空氣漏入膜片密封系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)增加。
膜片密封系統(tǒng)內(nèi)可能存在的氣體, 在高溫高真空下膨脹系數(shù)倍增(可參考理想氣體狀態(tài)方程), 氣壓施加在膜片上會(huì)使膜片外鼓甚至破裂, 給儀表帶來(lái)永久性損害。過(guò)程溫度過(guò)高時(shí), 一般采用法蘭變送器, 其壓力傳遞裝置結(jié)構(gòu)更復(fù)雜, 遠(yuǎn)傳隔膜密封系統(tǒng)灌充液遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于普通變送器, 受影響的程度更大, 故知名變送器生產(chǎn)廠商, 如羅斯蒙特, ABB , 富士等公司都針對(duì)變送器在高溫高真空工況下的應(yīng)用做了特殊優(yōu)化處理 。
2.2 灌充液的選取
工藝過(guò)程條件下, 灌充液本身會(huì)氣化, 使變送器不能正常工作, 具體到某一溫度某一壓力下的應(yīng)用, 可查閱該灌充液該溫度時(shí)的飽和蒸汽壓。值得注意的是, 灌充液不氣化只是變送器適用的前提,不是必然條件。圖1 給出了三種常用灌充液的飽和蒸汽壓(絕壓)曲線(xiàn)。
高溫工況應(yīng)選擇高溫灌充液, 其中最廣泛應(yīng)用的高溫灌充液是道康寧公司開(kāi)發(fā)的擴(kuò)散泵硅油DC704 和DC705 , 其為無(wú)色透明液體, 具有卓越的耐熱性、耐氧化性, 常溫下很低的蒸氣壓, 凝固點(diǎn)低, 低溫下黏度變化小, 無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕及化學(xué)特性穩(wěn)定等特點(diǎn)。DC704 硅油極限真空壓力小于1 .33 ×10-5 Pa , 飽和蒸汽壓(25 ℃)小于6 .65 ×10-6 Pa ;DC705 凝固點(diǎn)溫度小于-14 ℃, 閃點(diǎn)溫
度大于243 ℃, 極限真空壓力小于6 .65 ×10-7 Pa ,飽和蒸汽壓(25 ℃)小于6 .65 ×10-8 Pa 。
選取高溫硅油后要注意其黏度大于普通硅油,低溫時(shí)可能會(huì)凝固, 變送器應(yīng)用的最低溫度高于普通硅油, 要求視具體儀表而定。如采用DC704 的Ro semount 1199 隔膜密封系統(tǒng)常壓下的適用溫度是0 ～ 315 ℃, DC705 則是20 ～ 350 ℃, 環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)應(yīng)考慮伴熱增溫措施(低溫下應(yīng)用一般不會(huì)損壞儀表, 但會(huì)影響測(cè)量)。
2.3 儀表應(yīng)用范圍的給定
儀表應(yīng)用范圍給出的一般方式是工作壓力與溫度關(guān)系圖, 臨界線(xiàn)類(lèi)似于灌充液飽和蒸氣壓曲線(xiàn), 曲線(xiàn)上方為儀表可使用范圍, 根據(jù)工藝過(guò)程條件的溫度和壓力, 看圖可知儀表選型是否合適, 典型的廠家有霍尼韋爾、富士、橫河、山武。另外一些廠家給出了代表應(yīng)用的極限條件, 即儀表適用最小壓力時(shí)的最高溫度, 如羅斯蒙特, ABB , 西門(mén)子和福克斯波羅。
普通絕對(duì)壓力變送器表體溫度受環(huán)境溫度和過(guò)程溫度的綜合影響, 選型時(shí)要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)工況, 一般用于溫度不高的場(chǎng)所, 高溫時(shí)應(yīng)選用法蘭變送器。圖2 給出了霍尼韋爾S T3000/900 系列普通型絕對(duì)壓力變送器的測(cè)量壓力與表體溫度關(guān)系, 從圖中可以看出, 溫度越高, 極限壓力越高, 高溫硅油不宜低溫。對(duì)于該系列儀表, 只有采用DC704 硅油, 表體溫度介于0 ～ 42 ℃之間, 測(cè)量最低絕壓可達(dá)1 mmHg ;采用DC200 硅油或氟油時(shí),表體溫度小于0 時(shí), 可測(cè)最低壓力(絕壓)25 mmHg , 高于0 時(shí), 極限壓力隨溫度升高遞增。選型時(shí)一定要注意這些, 否則不能保證測(cè)量精度,甚至損壞儀表。
由于制造工藝、變送器原理的不同, 各世界知名廠商的產(chǎn)品在真空下表現(xiàn)各不相同, 表1 ～ 2 給出了常用普通絕壓變送器和法蘭變送器在真空下的性能。
注:*———3051 CA/ TA 型變送器最小量程為15 .5 mm Hg ;3051SLKA/ T A 型變送器最小量程為8 .625 mm Hg ;
Yokogaw a EJA310A 型變送器最小量程為5 .0m mHg ;Yokogaw a E JA 510A型變送器最小量程為75 mm Hg 。
注:**———儀表適用的極限條件溫度和壓力密不可分, 相互依存。
該廠溶劑吸收裝置投用初期, 真空解析工段雙法蘭液位變送器集體工作失常。具體現(xiàn)象:液位測(cè)量值受工藝過(guò)程溫度壓力變化影響很大(差壓式液位計(jì)其測(cè)量值應(yīng)與容器內(nèi)靜壓力無(wú)關(guān))、零點(diǎn)量程漂移嚴(yán)重, 屢次換表測(cè)量效果均不如人意。
通過(guò)對(duì)這些雙法蘭差壓液位計(jì)的應(yīng)用過(guò)程條件認(rèn)真分析, 發(fā)現(xiàn)主要問(wèn)題是儀表選型不合理:遠(yuǎn)傳隔膜密封系統(tǒng)選型錯(cuò)誤, 問(wèn)題主要出在遠(yuǎn)傳密封系統(tǒng)灌充液上。這些儀表均工作在真空工況下, 此時(shí)導(dǎo)壓系統(tǒng)的灌充液(一般為硅油)氣化溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常壓或高壓的溫度, 而隔膜導(dǎo)壓密封系統(tǒng)只有填充液為液態(tài)時(shí)才能正常傳遞壓力, 灌充液氣化后的飽和蒸汽壓會(huì)在一定程度上置換被測(cè)壓力。原使用儀表隔膜密封系統(tǒng)灌充液為硅油DC200 , 該廠極限真空條件在閃蒸罐, 壓力約18mmHg (A),溫度約198°C 。在此工況下, 毛細(xì)管內(nèi)特別是接液隔膜下的硅油會(huì)汽化, 一旦汽化就不能正常傳遞壓力, 空氣也容易滲入隔膜密封系統(tǒng), 從而導(dǎo)致儀表工作失常, 甚至膜片外鼓, 給儀表帶來(lái)永久性損壞。最終更改選型, 采用高溫硅油DC704的全焊式真空隔膜密封系統(tǒng)的雙法蘭差壓變送器,解決了液位測(cè)量問(wèn)題。
3 真空下壓力變送器的安裝
普通絕對(duì)壓力變送器的真空下安裝與正壓應(yīng)用沒(méi)有區(qū)別, 只是測(cè)量真空用的壓力變送器的過(guò)壓能力一般較低。值得關(guān)注的是法蘭變送器的安裝,雙法蘭變送器無(wú)論本體安裝在兩安裝法蘭之上、之下或中間, 對(duì)變送器的量程、零點(diǎn)遷移量沒(méi)有影響 , 單法蘭變送器的安裝法蘭與變送器安裝的高度之間的關(guān)系僅影響表的零點(diǎn)遷移量, 不影響變送器的量程。
3.1 法蘭變送器的安裝原則
法蘭變送器的安裝有一個(gè)很重要的原則:嚴(yán)禁毛細(xì)管內(nèi)灌充液的自重落在隔膜上。變送器安裝位置應(yīng)盡可能低一些(特別是真空時(shí))。橫河公司給出了EJA118/438 變送器安裝極限高度公式, 此公式適用于所有法蘭變送器, 具有普遍意義。
式中 h ———遠(yuǎn)傳法蘭隔膜密封安裝部距變送器本體的高度, mm , h ≤0 時(shí), 應(yīng)將變送器本體安裝在法蘭隔膜安裝部下方較h 更低位置, h >0 時(shí), 應(yīng)將變送器本體安裝在法蘭隔膜安裝部上方較h 更低位置;p ———液罐內(nèi)過(guò)程壓強(qiáng)(絕壓), Pa ;p0 ———變送器安裝使用壓力下限值(注意該參數(shù)與過(guò)程極限壓力不同, 僅與安裝相關(guān)), Pa , p0 由變送器的接液膜盒材質(zhì)、大小、厚度、形狀等因素決定;ρs ———灌充液密度, g/cm3 ;ρHg ———水銀的密度, g/cm3
(25 ℃時(shí))。將上述各高度單位改為m , 壓力單位改為mH2 O &4 ℃(1 mmHg =13 .596 mmH2 O), 公式可簡(jiǎn)化如下
故可測(cè)算, 完全真空時(shí)(假設(shè)儀表能測(cè)量完全真空), 變送器一定要安裝在距高壓側(cè)過(guò)程法蘭p0 ×10-4/ρs m 高度以下, 高溫硅油約1 .09 g/cm3 ,變送器安裝位置要低于高壓側(cè)膜盒0 .3 ～ 1 .2 m ,過(guò)程壓力升高, 變送器允許安裝位置可以逐漸增高, 1 大氣壓時(shí), 變送器安裝位置比完全真空時(shí)可提高9 .3 m 左右。
3.2 安裝不當(dāng)?shù)牡湫桶咐疤幚泶胧?br /> 該廠精制工段, 精制塔冷凝器液相出料管線(xiàn),物料為順丁烯二酸酐(即馬來(lái)酸酐MaleicAnhy dride , 簡(jiǎn)稱(chēng)順酐), 過(guò)程溫度約66 ℃, 極限真空為150 mmHg 。管內(nèi)液位采用雙法蘭變送器Yokogaw a EJA118W 測(cè)量, 法蘭毛細(xì)管長(zhǎng)度兩側(cè)各8 m , 測(cè)量高度12 m , 變送器安裝在兩過(guò)程法蘭間, 距下法蘭約6 .0 m 。這樣設(shè)計(jì)顯然是錯(cuò)誤的,據(jù)式(2)計(jì)算, 變送器安裝位置要在過(guò)程下法蘭口上方約1 .5 m 或更低位置。
故障現(xiàn)象如下:空管(管內(nèi)無(wú)順酐)時(shí)抽真空,系統(tǒng)內(nèi)壓力從常壓降至150 mmHg , 液位示值從0上升至3 .5 m , 示值增長(zhǎng)速率基本呈線(xiàn)性。這是因?yàn)槌榭杖? 變送器低壓側(cè)壓力遞減;而變送器高壓側(cè)抽空到一定壓力時(shí)(約6 mH2 O &4 ℃), 毛細(xì)管內(nèi)灌充液自重落在膜盒上, 壓力不再降低, 甚至達(dá)到絕對(duì)真空;破空時(shí), 現(xiàn)象反之。正常操作時(shí), 液位測(cè)量從3 .5 m 開(kāi)始, 低液位無(wú)法測(cè)量, 液位控制在較高位, 測(cè)量值仍可參考。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用, 表的P V 值大幅跳動(dòng), 趨勢(shì)記錄呈鋸齒形, 拆除
表檢查, 發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)膜盒局部有細(xì)小裂紋, 外漏硅油, 但沒(méi)有外鼓。
儀表設(shè)計(jì)不當(dāng)是測(cè)量失準(zhǔn)、儀表?yè)p壞的原因。合適的方案是選取更長(zhǎng)的毛細(xì)管, 或者選取兩臺(tái)壓力變送器計(jì)算差壓值, 并把儀表本體安裝在過(guò)程法蘭以下。
4 結(jié)束語(yǔ)
由于變松器自身工作原理的限制, 真空下壓力/差壓變送器的制造、選型與應(yīng)用是一個(gè)難題, 選型安裝不當(dāng)會(huì)影響測(cè)量精度, 甚至損壞儀表, 該文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 介紹了真空下變送器選用和安裝的一般規(guī)律, 值得參考。
