摘要:根據(jù)實際經(jīng)驗, 分析了壓力/ 差壓變送器在真空下應(yīng)用的難點。重點介紹了灌充液對變送器的影響, 說明了溫度和壓力的相互關(guān)系。列舉對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。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(遠傳隔膜密封式)變送器受過程條件的影響更大【1：參考文章見本頁面底部】 。此時, 儀表的選型和合理安裝變得非常重要, 結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗, 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)先選取絕對壓力變送器
測量真空可以使用絕對壓力變送器和表壓力變送器(又稱負壓表), 兩者從本質(zhì)上都是差壓變送器, 前者以絕對真空為基準, 與大氣壓力無關(guān), 后者以大氣壓為基準, 受大氣壓變化的影響。工藝過程測量, 特別是高真空, 小量程應(yīng)用時, 為消除測量受大氣壓力變化的影響, 避免混淆和測量誤差, 應(yīng)優(yōu)先選擇絕對壓力變送器。
中國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(絕對壓力)約18 mmHg (1 mmHg ≈133 .3 Pa)。系統(tǒng)內(nèi)壓力測量采用了16 臺絕壓表,其中1 臺絕壓表故障, 臨時采用了一臺負壓表來應(yīng)急。本地海拔750 m , 年平均大氣壓730mmHg , 故儀表測量范圍設(shè)置為-730 ～ 0 mmHg , 遠傳DCS監(jiān)控界面(絕對壓力)則是0 ～ 730 mmHg 。投用后, 發(fā)現(xiàn)測量誤差在0 ～ 20 mmHg 之間。經(jīng)分析確認測量誤差源于參考壓力(大氣壓)變化:系統(tǒng)內(nèi)真空度恒定時, 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, 絕對壓力表不存在此問題。由于負壓表的參考點往往受氣象條件的變化而改變, 故真空測量時, 盡量選取絕對壓力變送器。
2 真空下變送器的選型
儀表選型時, 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, 在傳遞過程壓力時沒有任何壓力損失, 但苛刻的工況又要保證膜片有一定強度, 這要求變送器在適應(yīng)工況和保證測量精度之間性能均衡。高壓應(yīng)用時, 同一變送器壓力增高適用的溫度逐漸降低, 這是因為溫度對隔離膜片強度、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
真空應(yīng)用時, 溫度升高, 變送器適用的最低壓力也會有所提升, 高溫下的高度真空, 是最苛刻的應(yīng)用條件, 因為 :高度真空時, 灌充液的沸點大大降低, 工藝溫度超過填充油在該壓力的沸點時,灌充液除膨脹外, 還會部分氣化, 氣化壓力會施加給膜片, 同時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, 外界空氣漏入膜片密封系統(tǒng)風(fēng)險增加。
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, 一般采用法蘭變送器, 其壓力傳遞裝置結(jié)構(gòu)更復(fù)雜, 遠傳隔膜密封系統(tǒng)灌充液遠遠多于普通變送器, 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
工藝過程條件下, 灌充液本身會氣化, 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。
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)的擴散泵硅油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。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 凝固點溫度小于-14 ℃, 閃點溫
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,低溫時可能會凝固, 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)境溫度過低時應(yīng)考慮伴熱增溫措施(低溫下應(yīng)用一般不會損壞儀表, 但會影響測量)。
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的最高溫度, 如羅斯蒙特, ABB , 西門子和福克斯波羅。
普通絕對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, 選型時要綜合考慮現(xiàn)場工況, 一般用于溫度不高的場所, 高溫時應(yīng)選用法蘭變送器。圖2 給出了霍尼韋爾S T3000/900 系列普通型絕對壓力變送器的測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。對于該系列儀表, 只有采用DC704 硅油, 表體溫度介于0 ～ 42 ℃之間, 測量最低絕壓可達1 mmHg ;采用DC200 硅油或氟油時,表體溫度小于0 時, 可測最低壓力(絕壓)25 mmHg , 高于0 時, 極限壓力隨溫度升高遞增。選型時一定要注意這些, 否則不能保證測量精度,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:液位測量值受工藝過程溫度壓力變化影響很大(差壓式液位計其測量值應(yīng)與容器內(nèi)靜壓力無關(guān))、零點量程漂移嚴重, 屢次換表測量效果均不如人意。
通過對這些雙法蘭差壓液位計的應(yīng)用過程條件認真分析, 發(fā)現(xiàn)主要問題是儀表選型不合理:遠傳隔膜密封系統(tǒng)選型錯誤, 問題主要出在遠傳密封系統(tǒng)灌充液上。這些儀表均工作在真空工況下, 此時導(dǎo)壓系統(tǒng)的灌充液(一般為硅油)氣化溫度遠遠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)時才能正常傳遞壓力, 灌充液氣化后的飽和蒸汽壓會在一定程度上置換被測壓力。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, 毛細管內(nèi)特別是接液隔膜下的硅油會汽化, 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,解決了液位測量問題。
3 真空下壓力變送器的安裝
普通絕對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, 對變送器的量程、零點遷移量沒有影響 , 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很重要的原則:嚴禁毛細管內(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)。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 ———遠傳法蘭隔膜密封安裝部距變送器本體的高度, mm , h ≤0 時, 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, 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(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)。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), 公式可簡化如下
故可測算, 完全真空時(假設(shè)儀表能測量完全真空), 變送器一定要安裝在距高壓側(cè)過程法蘭p0 ×10-4/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, 變送器安裝位置比完全真空時可提高9 .3 m 左右。
3.2 安裝不當?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,物料為順丁烯二酸酐(即馬來酸酐MaleicAnhy dride , 簡稱順酐), 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Yokogaw a EJA118W 測量, 法蘭毛細管長度兩側(cè)各8 m , 測量高度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)計顯然是錯誤的,據(jù)式(2)計算, 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 , 示值增長速率基本呈線性。這是因為抽空全程, 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(約6 mH2 O &4 ℃), 毛細管內(nèi)灌充液自重落在膜盒上, 壓力不再降低, 甚至達到絕對真空;破空時, 現(xiàn)象反之。正常操作時, 液位測量從3 .5 m 開始, 低液位無法測量, 液位控制在較高位, 測量值仍可參考。但經(jīng)過一段時間的使用, 表的P V 值大幅跳動, 趨勢記錄呈鋸齒形, 拆除
表檢查, 發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)膜盒局部有細小裂紋, 外漏硅油, 但沒有外鼓。
儀表設(shè)計不當是測量失準、儀表損壞的原因。合適的方案是選取更長的毛細管, 或者選取兩臺壓力變送器計算差壓值, 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)用是一個難題, 選型安裝不當會影響測量精度, 甚至損壞儀表, 該文結(jié)合實踐經(jīng)驗, 介紹了真空下變送器選用和安裝的一般規(guī)律, 值得參考。
