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差压变送器

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如何利用差压变送器进行纸厂臭气的流量测量解析

作时间:2019-08-21  来源:中国轻工业武汉设计工程有限责任企业  编辑:仵旭宇,陈盼,张智建
   
   摘要:随着制浆蒸煮、洗涤、筛选、漂白和化学品回收等技术的发展,以及环境保护方面的优势,使得硫酸盐法在制浆造纸生产中的地位不断提高。工业生产中经常会碰到大量程比流量测量的问题,受管道口径,使用温度和压力等工艺参数的影响,这时流量计的选型会有困难,本文结合现场实际应用情况,比较了几种大量程比流量计的特点和应用场合,主要先容了项目中采用孔板配置双变送器分段测大量程比流量的方法。
 
0.引言
 
    随着改革开放的加速以及我国科学技术的进步,我国制浆造纸工业以惊人的速度发展,工业的发展离不开自动化的进步,改革开放以来我国通过引进消化吸取发达国家先进技术,大力发展工业自动化技术与服务,我国的工业技术水平得到了持续快速的发展。
    数字化生产现在是全球经济和人类社会发展的大趋势,指生产领域的数字化,它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融合、发展与应用的结果,是制造业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势,工厂数字化生产旨在改变目前国内工厂普遍生产落后、人力成本高、产品品种单一的状况,其具备如下特点:
    全面系统集成:制楽造纸各子系统一体化集成管理
    数据采集自动化:解放人工,消除人为因素影响
    可视化工厂:实时监控,掌控生产实行动态,快速反应与解决问题
    历史数据分析:实现精细化系统管理
    自动化技术在工业发展中起着举足轻重的作用,特别工业生产过程中,仪表起着对工艺参数的检测,记录,指示和控制的重要作用,工艺生产过程的检测是了解控制和生产的手段,只有准确的了解工艺生产的全貌,并与控制系统配合进行控制,才能保证生产过程顺利进行。下面简单的先容大量程流量计在制浆造纸臭气方面的应用。
 
    1.硫酸盐法制浆的先容
 
    在我国,随着制浆造纸产业结构的调整,硫酸盐法制浆项目在近年来取得飞速的发展。硫酸盐制浆是德国人Dahl发明的,是在碱法制浆蒸煮过程中,在烧减溶液中加入硫化钠;这样可以加速脱木素的作用,缩短蒸煮时间,在生产过程中,由于硫酸钠作为补充化学药品,这个制浆方法叫做硫酸盐法制浆[2]。
    制浆蒸煮过程中由于硫化钠的加入,随着木素的降解,木素结构单元联接于苯环上的甲氧基(-OCH3)部分解除,脱下来的甲氧基主要生成甲硫醇(CH3SCH3),二甲二硫醚(CH3SSCH3)和硫化氢(H2S),硫化物总称为还原性硫化物(TRS)其中甲硫醇、二甲二硫醚称为有机硫化物。这些化合物的沸点低,且人的嗅觉极限值低,使KP法纸浆厂有其特殊的臭味,对大气环境的影响较大,TRS气体一般称为不凝气,简称NCG[3]。DNCG系统的大管径工况下的流量测量就会遇到量程比比较大的一些情形,由于工艺条件,温度,压力,管径各方面的限制,量程大,在参与联锁或调频时系统波动较大,经过与国内外专家多次沟通与协调,尝试采用双变送器来测量气体、液体,在印尼纸楽厂,及四川宜宾项目中取得了良好效果。
 
    1.1 量程比
 
    量程比是非常大测量范围和非常小测量范围之比。通常情况下工艺专业是按非常小流量是正常流量的一半,非常大流量是正常流量的1.2-1.5焙么考虑,这种提法主要是考虑正常生产阶段,以测量正常生产流量为主要目的,在这种情况下,大家选择流量计的量程比在3:1-4:1之间,选择的余地较大,仅从量程比来考虑的话,几乎所有的流量计都可以测量。但是工业生产中经常会碰到大量程比的流量测量问题,比如需要考虑到开车时的工况,并且开车时的流量需要准确测量时,因为开车时的流量都较小,需要测量的量程比就比较大,一般可到10:1或者10:1以上。非常常用的标准孔板,文丘里管等都达不到这样的测量要求。
 
    1.2差压法测流量原理
    充满管道的流体在流经管道内的节流装置时,流束将在节流处收缩,使流速增加,静压降低,在孔板前后产生了静压差。流体的流速越大,压差也越大,根据差压与流量之间的这种关系,可以用孔板来测量流体的流量。根据标准IS05167-1和GB/T2624-93的规定,流体流量与差压的关系由下式确定[5]:
20190821090823.jpg
    由上述公式可知,在孔板的开孔值确定的前提下,影响流量的参数有流出系数、膨胀系数、密度、差压值。
    1、S与流体的压缩性能有关,对于不可压缩流体,6=1,对低速气体,可以近似认为£的,但当气体马赫数Ma大于0.3时,必须要考虑流体的压缩性,?&可由相关图查取;
    2、在使用差压计时,通常都认为流量系数C是不变的。其实,C不变,是有一定条件的,即当流体的雷诺数Re大于一个临界值时,C不变,否则,C会随Re的减小而增加,这样,就带来了计算误差,即未能考虑实际Re下的C。Ca除与Re有关外,还与开孔比A有关。
    3、差压值与流量关系为平方关系,当流量发生变化时差压将以平方的关系发生相应变化。这里因为差压和流量的平方成比例,流量比低于30%时,精度就不能保证,另外,流量低于30%时,雷诺数往往低于界限雷诺数,流量系数C不是常数,造成流量测量不准。
    由以上的分析大家就可以看出,.当所测量非常小流量为非常大流量的1/10时,差压值就只有刻度差压值的1/100,在此时差压变送器所测得的差压值已经很小了,小流量下误差会放大几倍甚至十几倍,这也是差压变送器为什么要做小信号切除的原因。这时,单纯地用差压流量计要准确测量已经很困难。
 
    1.3测大量程比流量的流量仪表
 
    测量大量程比的流量,规范中罗列了以下这几种可供选择选用流量仪表,下面分别先容各自的特点和应用场合:
    (1)涡街流量计:规范中对量程比没有要求,可以测量大量程比的流量,但一些厂家对量程比做了限制,一般为10:1.但可能会出现为满足非常小流量下的流速要求,需要进行缩径处理,可能会导致非常大流量下流量计的压损过大,不满足工艺的要求,另外,涡街流量计一般适用于300°C以下的干净介质测量[4]。
 
    (2)容积式流量计:量程比可达到10:1,但结构笨重,安装复杂,很少应用于大管道的流量测量中。
    (3)楔形流量计,量程比可达到10:1。主要特点:应用范围广,可以在高粘度、低雷诺数、雷诺数500即可使用的流体情况下进行高精度的流量测量,在流速较低、流量小、管径大的流量测量场合,稳定性好。一般用于粘稠介质和含少量固体的液体流量测量[1]
    (4)电磁流量计:量程比可达100:1,选择时需要计算电磁流量计的口径以保证腔体内的流速在可测范围即可。但是它只能测量满足一定导电率的液体和固液两相介质。
    (5)靶式流量计:量程比不大于10:1。适用于粘度较高,低雷诺数流体的流量测量,含少量固体颗粒的液体流量测量。
    (6)转子流量计:量程比可达到10:1,但是精度不高,需要安装在垂直管道上,使用温度不超过30(TC。
    (7)弯管流量计:量程范围宽,对于其测量介质的流速适用范围宽,有足够精度的微差压变送器相配合,则流体流速的低限可取得很小。高质量微差压变送器的应用使弯管流量计能够适应低流速、小信号测量的要求。弯管传感器的几何尺寸没有限制,管径可从十几毫米,到lm甚至2m以上,能在?10mm??2000mm的大范围管道中精确测量各种流体的流量,弯管传感器可耐高温、高压、可在潮湿、粉尘、振动等各种恶劣的环境中正常工作,可实现双向测量。
 
    1.4 压力和差压变送器安装图
20190821090845.jpg
    从图1、2可以看出与普通的差压变送器相比,取样点増加,二是要求差压变送器安装在同一个水平线上,即要求差压变送器安装在同一标高上,要事先做一个矩形安装支架(如下图3)把差压变送器安装于该安装架上,变送器集中安装的好处是克服环境温度对导压管冷凝水重度影响获得差压值较为精确的测量,参与联锁或调频时确保系统的稳定。
20190821090858.jpg
    2.应用实例
    2.1孔板配合双变送器测在大量程比流量测量时的应用
 
    在测量大量程比流量时可以在合适的条件下采用以上流量仪表。但上述仪表在使用时受限制条件较多,下面结合实际工程项目中的流量计选型,先容孔板配合双变送器测在大量程比流量测量时的应用。
    某项目一台测量原料气的流量计的工艺参数如下:介质为原料气;刻度流量67000kg/h;非常大流量65688kg/h;正常流量57120kg/h;非常小流量:5712kg/h;管道口径为DN300。
    因为管道口径较大,首选差压类流量计,但该工况量程比达到了12:1,如果只是显示和调节功能,可以考虑采用差压类流量计,用小信号切除法切除误差较大的小流量信号,但是该流量参与装置的安全联锁,要求从非常小流量到非常大流量都需要较精确地测量。显然,如此量程比的测量首选能够测量大量程比流量的流量计,但是本文前面所列出的几种流量计从介质,温度,管径选择等方面均不能满足测量要求,只能采用差压式流量。但量程比太大,采用常规的一台孔板配置一台变送器的方法,不仅小流量下误差会放大几倍甚至十几倍,还会出现根本测不到流量的情况。
    经过以上分析,该工况条件下一台变送器无法满足测量要求,该流量测量大家采用了多孔孔板配备双变送器的测量方法,采用两台变送器分段测量的方法进行实现。
    双变送器测量在整个量程范围内分作两段,两段的测量上变送器都能够在流量计合适的量程比范围内进行工作,两台变送器的测量信号在控制系统上实现无缝切换,这样就实现了整个测量范围内的准确测量。
 
    将整个流量范围分成两个流量区间段:5712-20000kg/h,17500?67000kg/h。
    (1)量程:0?lOKPa,根据计算结果选差压范围为:0?1.76KPa,对应流量输出为:0?20000kg/h;变送器输出标记为EF1-1。
    (2)量程:0?40KPa,根据计算结果选差压范围为:0?26.0KPa,对应流量输出为:17500?67000kg/h;变送器输出标记为EF1-2
    在DCS内对这二路信号做下述组态:
    分别将大量程变送器及小量程变送器测量信号引入DCS系统,通过上位机编程实现大、小量程切换,完成流量监测及累计。自动切换可利用小量程变送器的上限电流值作为判断条件:在DCS系统中取EF1-1、EF1-2两点输出流量显示,把两变送器信号分别接入DCS系统中的EF1-1、EF1-2两点。
    以小量程变送器的输入信号为切换点,EF1-1为4?20mA信号,对应的测量范围为0?20000kg/h;当检测到小量程变送器输入信号S20mA时,在EF1-1点显示小量程变送器的测量流量,大量程变送器流量指示屏蔽。
    当检测到小量程变送器输入信号>20mA时,切换到大量程变送器,EF1-2为4?20mA信号,对应的测量范围为17500?67000kg/h,在EF1-2点显示大量程变送器的测量流量,小量程变送器流量指示屏蔽。
 
    3.结语
    以上量程的切换在DCS中容易实现,并且大部分DCS厂家都有实现该功能的集成模块。需‘要注意的是,为了使两台变送器的流量显示可以实现无缝切换,在选取切换点时除了要考虑节流元件本身的量程比之外,还要保证小量程范围内的非常大流量要大于达两成范围内的非常小流量值,使得两个量程范围有一个交集,个人认为在量程比满足的范围内这个交集可以取得大一点,因为这样大量程变送器在小信号切除时留的余地更大,可以减少大量程变送器所对应小流量下该段测量精度的影响。
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