煤化工行業(yè)新型壓力變送器的應(yīng)用與優(yōu)化

文/劉培峰 杜興團(tuán)

鍍金膜片及金剛膜片的變送器解決工藝過程控制中的測量控制難題——目前，煤化工行業(yè)在各類塔器及儲(chǔ)罐容器的差壓、物位等測量中，多采用差壓式液位變送器。由于煤化工行業(yè)在生產(chǎn)過程中，被測物料介質(zhì)中含有多種雜質(zhì)及固態(tài)性介質(zhì)，極易造成引壓管堵塞，對(duì)測量產(chǎn)生影響。并且煤化工生產(chǎn)過程中的介質(zhì)均為高溫高壓及含有大量H2，很容易在壓力、差壓、液位等測量過程中造成變送器氫滲情況出現(xiàn)。隨著煤化工行業(yè)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)及材料優(yōu)化上都有了質(zhì)的提高，差壓變送器在構(gòu)成上及膜盒結(jié)構(gòu)上也逐漸推出了新的形式。在現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用中，羅斯蒙特305/S ERS 電子遠(yuǎn)傳變送器在差壓測量上規(guī)避了引壓管堵塞及引壓過長測量滯后的問題。鍍金膜片及金剛膜片的變送器在煤氣化工段的應(yīng)用上，有效地避免及降低了氫滲對(duì)變送器膜片的影響，金剛膜片的應(yīng)用避免了工藝介質(zhì)中煤灰殘?jiān)鼘?duì)膜片的磨損。

隨著生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)工藝測點(diǎn)監(jiān)控的需求越來越精準(zhǔn)，壓力變送器的使用在日常工藝中越來越普遍，各種材質(zhì)及新形式測量壓力變送器應(yīng)運(yùn)而生。壓力變送器在其測量上受各方面影響都較多，選型不當(dāng)不僅測量顯示不準(zhǔn)，甚至?xí)?duì)操作人員造成誤指示，導(dǎo)致操作波動(dòng)。在煤化工行業(yè)中針對(duì)變換工段及煤氣化灰水工段等特殊工況，在選型上進(jìn)行了優(yōu)化，分別采用3051S ERS 電子遠(yuǎn)傳差壓變送器及鍍金膜片變送器、金剛膜片變送器，從根本上解決引壓管堵塞、測量滯后、膜片氫滲及煤灰殘?jiān)p膜片等故障。

隔膜差壓變送器的應(yīng)用

在煤化工裝置變換工段第一變換爐、第二變換爐、甲醇變換爐進(jìn)出口差壓測量上，常規(guī)進(jìn)出口差壓測量采用差壓式變送器，通過配置很長的引壓管來實(shí)現(xiàn)變換爐進(jìn)出口差壓的測量。另外在10 000 m3甲醇儲(chǔ)罐及液氨儲(chǔ)罐上液位測量常規(guī)采用差壓式測量（普通差壓式變送器或隔膜差壓式變送器）。隨著煤化工裝置大型化，?；穬?chǔ)罐容量及高度越來越高，液位測量的重要性越來越大。

常規(guī)差壓變送器應(yīng)用中，引壓管線的防凍、防凝、防堵成為了日常工作中的重點(diǎn)。差壓變送器引壓管導(dǎo)致的故障頻繁直接造成人員維修頻繁，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝帶來測量不準(zhǔn)確的同時(shí)，還帶來了人員檢修的安全風(fēng)險(xiǎn)問題，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝過程監(jiān)控帶來極大安全事故隱患。

在儲(chǔ)罐液位測量中隔膜差壓變送器逐漸替代了普通差壓變送器，同時(shí)解決避免了普通差壓變送器帶來引壓管堵塞、振動(dòng)、上凍及檢修頻繁等問題。但隨著煤化工生產(chǎn)裝置的擴(kuò)大和?；穬?chǔ)罐高度的增加，導(dǎo)致隔膜差壓變送器毛細(xì)管長度也變得更長，例如在10 000 m3甲醇儲(chǔ)罐上，甲醇儲(chǔ)罐高度達(dá)到18 m，而在液位測量中其毛細(xì)管長度將達(dá)到20 m，造成在實(shí)際使用中壓力變送器測量明顯滯后，而且也給測量安裝施工中帶來極大被動(dòng)，對(duì)后期維護(hù)也帶來極大不便，出現(xiàn)故障后處理困難，對(duì)?；穬?chǔ)罐液位安全監(jiān)測帶來隱患。

傳統(tǒng)差壓變送器測量差壓

傳統(tǒng)差壓變送器現(xiàn)場安裝分引壓管施工、保溫伴熱施工和信號(hào)電纜施工，整體施工量較大。在變換爐氣體測量中，一要避免引壓管測量帶液，二是差壓變送器安裝位置必須高于高、低壓測壓口位置；這樣一來引壓管敷設(shè)中需要施工工作量就增大很多。由于差壓變送器安裝位置較高，所以后續(xù)保溫伴熱及信號(hào)電纜敷設(shè)都存在較大工作量，如圖1 所示。

圖1 差壓變送器測量進(jìn)出口差壓

傳統(tǒng)差壓變送器故障率高，一是由于現(xiàn)場工藝管線及設(shè)備振動(dòng)，帶動(dòng)引壓管振動(dòng)，導(dǎo)致引壓管線接頭松動(dòng)或是磨損，引起工藝氣體介質(zhì)泄漏，或測量不準(zhǔn)。在北方寒冷季節(jié)，引壓管線需要保溫伴熱運(yùn)行，由于引壓管線較長，伴熱管線也相對(duì)較長，極易導(dǎo)致伴熱回流不暢，使伴熱不熱，引起引壓管線凍堵。給生產(chǎn)操作人員帶來操作不便的同時(shí)，還對(duì)檢維修人員帶來檢維修安全風(fēng)險(xiǎn)，引起工藝事故或檢維修安全事故。

隔膜差壓變送器測量儲(chǔ)罐液位

隔膜差壓變送器在液位測量中應(yīng)用越來越多，其應(yīng)用效果也相對(duì)明顯，對(duì)整個(gè)液位測量帶來極大便利。但隨著大型煤化工裝置的建設(shè)，甲醇等危化品儲(chǔ)罐容量越來越大，其儲(chǔ)罐高度也就越來越高，此時(shí)隔膜差壓變送器測量液位就顯得不方便，問題也就相對(duì)較多，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控也帶來安全隱患，如圖2 所示。

圖2 隔膜差壓變送器測量甲醇儲(chǔ)罐液位

在甲醇儲(chǔ)罐測量液位的應(yīng)用中，儲(chǔ)罐高度較高，隔膜差壓變送器毛細(xì)管長度增加，導(dǎo)致隔膜差壓變送器在安裝過程中及測量使用中帶來一系列問題。比如儀表在10 000 m3甲醇儲(chǔ)罐上安裝時(shí)隔膜差壓變送器毛細(xì)管固定存在問題，由于儲(chǔ)罐高度在18 m，所以固定施工非常不便；隔膜差壓變送器安裝后，由于毛細(xì)管填充液的重力原因?qū)?duì)變送器產(chǎn)生一個(gè)壓力，這時(shí)需要對(duì)隔膜變送器進(jìn)行零點(diǎn)遷移；再者毛細(xì)管過長導(dǎo)致硅油受環(huán)境及外界溫度影響較多，使儀表測量中造成較大測量誤差，同時(shí)對(duì)匹配相關(guān)溫度的硅油選型變得更加復(fù)雜，一旦工藝溫度預(yù)估稍有偏差，很容易造成選型錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)測量系統(tǒng)失效；還有就是毛細(xì)管長度過長后，受南方大風(fēng)影響，毛細(xì)管擺動(dòng)幅度較大，發(fā)生大幅度振動(dòng)或擺動(dòng)后，極易引起毛細(xì)管硅油泄漏，造成檢維修更換困難，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐液位監(jiān)測帶來極大安全隱患。

羅斯蒙特3051S ERS 電子遠(yuǎn)傳變送器

羅斯蒙特3051S ERS 電子遠(yuǎn)傳變送器正是為了解決以上問題應(yīng)運(yùn)而生的理想解決方案，其原理是利用2 臺(tái)3051S 變送器進(jìn)行測量，相當(dāng)于將1 臺(tái)雙法蘭隔膜差壓變送器拆分成2 部分進(jìn)行安裝，一臺(tái)測量變換爐進(jìn)口壓力，一臺(tái)測量變換爐出口壓力。2 臺(tái)3051S 變送器直接采用普通雙絞線屏蔽電纜連接，通過內(nèi)部相應(yīng)通信協(xié)議進(jìn)行信號(hào)傳輸通信，一臺(tái)為主變送器內(nèi)置同步電路板，另一臺(tái)為輔變送器與主變送器保持同步通信，確保兩臺(tái)變送器在同一個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn)同步采樣。使兩臺(tái)變送器成為一個(gè)整體。如圖3所示，下部的3051S 變送器作為主表，上部的3051S 作為副表，通過信號(hào)通信，由主表同步計(jì)算出兩者之間的差壓。

圖3 羅斯蒙特3051S ERS 電子遠(yuǎn)傳變送器測量變換爐進(jìn)出口差壓示意圖

羅斯蒙特3051S ERS 電子遠(yuǎn)傳變送器在變換爐進(jìn)出口差壓上的應(yīng)用，解決了引壓管過長帶來的弊端，同時(shí)其壓力信號(hào)通過通信電纜傳輸，極大地提升了信號(hào)測量的準(zhǔn)確性，還解決了引壓管過長帶來的測量滯后問題。在整個(gè)變送器安裝使用環(huán)節(jié)上，安裝維護(hù)工作量減少，故障率明顯降低，使儀表測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確快速，為生產(chǎn)監(jiān)控人員提供了準(zhǔn)確可靠的測量數(shù)據(jù)。

羅斯蒙特3051S ERS 電子遠(yuǎn)傳變送器應(yīng)用在10 000 m3甲醇儲(chǔ)罐上，解決了毛細(xì)管過長帶來的弊端和問題。還將隔膜直接安裝在儲(chǔ)罐上，通過電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，變送器測量響應(yīng)速度明顯快于毛細(xì)管隔膜變送器。另外3051S ERS電子遠(yuǎn)傳變送器可提供每個(gè)壓力變送器讀數(shù)的實(shí)時(shí)訪問和液位或體積測量的比例輸出；在DCS 后臺(tái)系統(tǒng)上可同時(shí)顯示主表測量壓力值、副表測量壓力值和主副表經(jīng)過計(jì)算后的差壓值。此外羅斯蒙特3051S ERS 電遠(yuǎn)傳變送器可通過傳感器的自診斷功能和可選配的過程報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)變送器測量回路的主動(dòng)維護(hù)和故障排除。該套測量系統(tǒng)最高可以測量法蘭間距高達(dá)100 m 的差壓及液位高度，對(duì)于傳統(tǒng)毛細(xì)管液位計(jì)是完全無法實(shí)現(xiàn)如此高間距的工況測量，儲(chǔ)罐示意圖如圖4 所示。

圖4 羅斯蒙特3051S ERS 電子遠(yuǎn)傳變送器測量儲(chǔ)罐液位示意圖

測量材質(zhì)的創(chuàng)新

傳統(tǒng)不銹鋼隔膜壓力變送器

隔膜壓力變送器在煤化工行業(yè)中應(yīng)用較普遍，主要應(yīng)用在槽罐等液位測量及其他工況測量，層法），二是使用低氫滲率膜片（隔離法），以此來延緩氫滲問題的發(fā)生。隔離法常采用聚四氟乙烯貼膜，即在316 L 膜片表面在貼上一層聚四氟乙烯膜片，以此起到金屬膜片和介質(zhì)隔離。但該解決方案存在如下缺點(diǎn)：①聚四氟乙烯隔膜一般厚度在0.04 mm,安裝使用中需要利用特制耦合劑進(jìn)行粘貼，粘貼中還要確保貼膜和膜片直接無氣泡存在，安裝要求非?？量滩⑶也僮饕?guī)范標(biāo)準(zhǔn)無法確保統(tǒng)一；②聚四氟乙烯膜片受限于材質(zhì)物理特性，無法運(yùn)用在高溫工況，只能用在180 ℃以內(nèi)工況，否則聚四氟乙烯將失效；③聚四氟乙烯材質(zhì)偏軟，工況中出現(xiàn)顆粒等易磨損因素時(shí)很快會(huì)破損，導(dǎo)致失效；④由于膜片外部貼上聚四氟乙烯膜片，其測量相應(yīng)會(huì)相對(duì)滯后，測量精度稍差。綜上所述聚四氟乙烯的隔離法使用局限性較大，常用于一般常溫、常壓且介質(zhì)干凈無磨損顆粒的工況下，對(duì)于煤化工領(lǐng)域來說該方案不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前在氣化苛刻工況下，逐漸應(yīng)用了鍍層法，即在儀表基準(zhǔn)膜片上鍍金。金在使用中有很好的致密性、耐蝕性和延展性，膜片鍍金后，有效防止氣化工況介質(zhì)中H2滲透，又有效解決了膜片氫脆和氫滲對(duì)隔膜壓力變送器測量問題。

羅斯蒙特鍍金隔膜壓力變送器在氣化爐工況中應(yīng)用非常廣泛，由于其具備了如下優(yōu)點(diǎn)：鍍金層非常薄，為微米級(jí)厚度，就解決了氫滲問題，同時(shí)，由于金具備極佳的柔韌性對(duì)膜片壓力敏感性影響可以忽略不計(jì)，在確保測量精度的同時(shí)也確保整套測量系統(tǒng)的隔膜壓力變送器膜片在材質(zhì)選用上常用的多為316L、316 或哈氏合金等材質(zhì)。在煤化工生產(chǎn)工藝過程中，以上材質(zhì)的膜片在普通介質(zhì)的測量中使用中，膜片材質(zhì)均可有效保證測量準(zhǔn)確性及測量穩(wěn)定性，整體膜片在使用中均有較長使用年限。

隨著煤化工行業(yè)氣化爐的產(chǎn)氣量越來越大，對(duì)壓力、液位及流量的測量數(shù)據(jù)要求越來越嚴(yán)格，常規(guī)材質(zhì)膜片的隔膜壓力變送器在煤氣化工段使用顯得故障率猛增。常規(guī)316L 材質(zhì)膜片在氣化工況場合下，不能有效地防止氫滲，使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)膜盒變硬、膜盒鼓泡、測量零點(diǎn)漂移及輸出不穩(wěn)定等多種故障及問題。嚴(yán)重影響氣化爐運(yùn)行中關(guān)鍵參數(shù)的測量。特別是在黑灰水、冷卻水等含有煤灰介質(zhì)的工況下，常規(guī)隔膜壓力變送器使用壽命周期明顯降低，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程工藝監(jiān)控帶來極大生產(chǎn)安全隱患，同時(shí)常規(guī)膜片材質(zhì)的隔膜壓力變送器故障率的增加，也增加了檢維修工作人員日常工作量，檢維修的同時(shí)帶來檢維修事故的發(fā)生。由于關(guān)鍵部位儀表的失效導(dǎo)致連續(xù)生產(chǎn)時(shí)常被中斷，給整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)帶來被動(dòng)，對(duì)化工企業(yè)帶來檢維修安全事故風(fēng)險(xiǎn)并造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

結(jié)合常規(guī)隔膜壓力變送器膜片故障進(jìn)行分析，其在煤氣化工段主要受煤氣化介質(zhì)中煤灰的沖刷磨損及工藝氣體中氫滲造成膜片故障，羅斯蒙特鍍金及金剛膜片很好解決了以上的痛點(diǎn)。

羅斯蒙特鍍金膜片隔膜壓力變送器

在氣化工況防氫滲應(yīng)用中，常用方式一是增加膜片厚度（鍍實(shí)時(shí)響應(yīng)性，完美地解決了該類工況的難點(diǎn)。為了針對(duì)磨損嚴(yán)重的工況，羅斯蒙特還有針對(duì)性地開發(fā)出了兩款不同厚度的鍍金層，以便更加有效和針對(duì)性地解決此類問題。

金剛涂層膜片隔膜壓力變送器

金剛涂層膜片隔膜壓力變送器是羅斯蒙特在隔膜壓力變送器膜片材質(zhì)上的一種技術(shù)優(yōu)化，該金剛膜片在氣化黑灰水上介質(zhì)中使用，防磨能力是普通不銹鋼膜片的10 倍，是加厚不銹鋼膜片的5 倍。在氣化介質(zhì)抗氫滲能力上，使用在500 ℃的過程溫度條件下，金剛膜片的使用壽命是普通不銹鋼膜片的80 倍，其使用溫度范圍在-75 ～425 ℃，使用介質(zhì)溫度范圍較廣。在測量精度上，金剛膜片涂層厚度僅為1～2 μm，對(duì)傳感器測量精度無任何影響。既防氫滲又抗磨損，是羅斯蒙特金剛膜片最顯著的特性。

金剛涂層膜片壓力隔膜變送器在現(xiàn)場應(yīng)用場所主要是煤漿槽液位、磨煤機(jī)、氣化爐液位、洗滌塔液位、鎖斗沖洗水槽液位、水煤氣液位及流量測量上。例如測量煤氣化工段中黑灰水洗滌塔工段的液位，其工況溫度在240 ℃，壓力在6.8 MPa 左右，且工藝介質(zhì)具有較多的煤灰，介質(zhì)成份復(fù)雜，測量過程易堵塞，膜片容易氫滲、易磨損。該液位的穩(wěn)定測量在整個(gè)工藝監(jiān)控中非常關(guān)鍵，同時(shí)還參與安全聯(lián)鎖。常規(guī)膜片使用不到一個(gè)月膜片就報(bào)廢，導(dǎo)致測量故障。通過優(yōu)化改進(jìn)，在該工況點(diǎn)測量采用金剛涂層膜片后，解決了氫滲及磨損問題，極大地延長了隔膜變送器的使用周期，確保了液位計(jì)測量準(zhǔn)確可靠，減少了檢維修人員更換液位計(jì)頻次，降低了資金投入，同時(shí)降低了非計(jì)劃停車帶來的故障影響，顯著提高了生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性，對(duì)于提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有著很大的幫助。

金剛涂層膜片的優(yōu)化應(yīng)用，為煤化工行業(yè)解決了關(guān)鍵性難題，特別是在煤氣化工段解決了氫滲、磨損等造成膜片損壞問題，為煤化工企業(yè)在檢測液位及壓力、流量等測量設(shè)備上提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保證，實(shí)現(xiàn)了大型煤化工長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)束語

隨著大型煤化工行業(yè)在不斷地快速發(fā)展，現(xiàn)場工藝控制測量中越來越多的壓力變送器參與到了聯(lián)鎖或SIS 系統(tǒng)中，這對(duì)測量儀表的穩(wěn)定性及使用周期上都提出了嚴(yán)格的要求。壓力變送器生產(chǎn)企業(yè)也隨之不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代，變送器的測量形式及測量材質(zhì)也在不斷地推陳出新，各類新型式壓力變送器在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。通過運(yùn)用新的儀表測量技術(shù)和新的測量材質(zhì)，更好地解決工藝過程控制中遇到的測量控制技術(shù)難題，逐步降低檢維修安全風(fēng)險(xiǎn)，逐步提高化工企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場測量儀表長周期穩(wěn)定運(yùn)行。 ●