壓力變送器在真空下的選用

董合林,甘 露

(1.中國(guó)石油吐哈油田公司石油天然氣化工廠,新疆鄯善 838202;2.中科合成油工程有限公司,北京 100195)

0 引 言

壓力/差壓變送器在過程控制中廣泛應(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)用受工藝過程條件(壓力和溫度)的影響[1]。真空下,過程隔離膜盒的受力,灌充液的壓力傳遞都不同于正壓,法蘭(遠(yuǎn)傳隔膜密封式)變送器受過程條件的影響更大[2]。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),與大氣壓力無關(guān),后者以大氣壓為基準(zhǔn),受大氣壓變化的影響[3]。工藝過程測(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)壓表來應(yīng)急。本地海拔750 m,年平均大氣壓730 mmHg,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程接液部分材質(zhì)的過程兼容性外,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,隔離膜片沒有剛度和彈力,在傳遞過程壓力時(shí)沒有任何壓力損失,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)閇4]:高度真空時(shí),灌充液的沸點(diǎn)大大降低,工藝溫度超過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,給儀表帶來永久性損害。過程溫度過高時(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[5-7]。

2.2 灌充液的選取

工藝過程條件下,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。

圖1 DC200,DC704硅油和Neobee M-20衛(wèi)生型填充油的飽和蒸汽壓(絕壓)曲線

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發(fā)的擴(kuò)散泵硅油[9]DC704和DC705,其為無色透明液體,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,無味、無毒、無腐蝕及化學(xué)特性穩(wěn)定等特點(diǎn)。DC704硅油極限真空壓力小于1.33×10-5Pa,飽和蒸汽壓(25℃)小于6.65× 10-6Pa;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6.65×10-7Pa,飽和蒸汽壓(25℃)小于6.65×10-8Pa。

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Rosemount 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,臨界線類似于灌充液飽和蒸氣壓曲線,曲線上方為儀表可使用范圍,根據(jù)工藝過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ST3000/900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。

圖2 霍尼韋爾ST3000/900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)系注:短時(shí)間置于真空(70℃時(shí),2 h)不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞

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。

表1 普通絕對(duì)壓力變送器的可測(cè)最小壓力與最小量程 mmHg

表2 法蘭變送器的可測(cè)最小壓力與最小量程

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。

通過對(duì)這些雙法蘭差壓液位計(jì)的應(yīng)用過程條件認(rèn)真分析,發(fā)現(xiàn)主要問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18 mmHg(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)用沒有區(qū)別,只是測(cè)量真空用的壓力變送器的過壓能力一般較低。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)遷移量沒有影響[10],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mH2O&4℃(1 mmHg=13.596 mmH2O),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)過程法蘭p0×10-4/ρsm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?/h3>

該廠精制工段,精制塔冷凝器液相出料管線,物料為順丁烯二酸酐 (即馬來酸酐 Maleic Anhydride,簡(jiǎn)稱順酐),過程溫度約66℃,極限真空為150 mmHg。管內(nèi)液位采用雙法蘭變送器Yokogawa 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 mH2O&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開始,低液位無法測(cè)量,液位控制在較高位,測(cè)量值仍可參考。但經(jīng)過一段時(shí)間的使用,表的 PV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,但沒有外鼓。

儀表設(shè)計(jì)不當(dāng)是測(cè)量失準(zhǔn)、儀表損壞的原因。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程法蘭以下。

4 結(jié)束語

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。

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