化工行業中壓力變送器及差壓變送器的選型及應用

 
　　1  概述
　　化工行業是過程儀表使用量特別大，變送器、流量計、液位計都在化工行業中有**的應用，變送器中壓力變送器及差壓變送器是其中重要產品類型，占據了變送器較大的比例。以某化工廠為例，該單位產品基礎為燒堿為基礎，擁有丙烯-環氧丙烷（PO）-聚醚（PPG）和甲醇-1,4-丁二醇（BDO）-聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）兩條主產業鏈，壓力變送器及差壓變送器在該公司的遠傳測量儀表中占比約為40%，主要應用于壓力、差壓、液位、流量等測量領域，在生產中作為過程測量、過程控制和過程聯鎖等的檢測儀表。根據環境條件、應用工況、安裝條件、介質特性、經濟性的不同，對變送器的選型具有不同的要求。壓力變送器以下簡稱變送器。
 
    壓力變送器的類型、材質、量程、防爆等級等的選擇與環境條件、應用工況、安裝條件、介質特性、經濟性等息息相關，變送器的合理選型可更好地保證變送器的使用壽命并確保化工生產過程的測量控制穩定。
 
　　2 變送器的類型
　　2.1 按測量對象來劃分
　　壓力分為**壓力、表壓、差壓三種。變送器按測量壓力對象的不同，可分為壓力變送器（表壓）、**壓力變送器、差壓變送器三種。**壓力即參照壓力為真空時所測量的壓力值;表壓即參照壓力為當地的大氣壓力時，所測量的壓力值，表壓為負值時稱為負壓力或真空度；差壓即測量兩個壓力之差，對于變送器而言，即變送器上有兩種感壓膜盒，稱為正負壓室，變送器通過對正負壓室兩端測量的壓力值進行計算得出兩者的差壓值。
　　2.2 按膜盒制作結構來劃分
　　變送器按膜盒制作結構來進行分類，可分為普通型和隔離式[1]。 普通型變送器即其測量膜盒只有一個，直接感受被測介質的壓力或差壓。而隔離式變送器則由普通型的內膜盒和直接感壓的外膜盒組成，外膜盒感壓后通過一種穩定液（硅油、氟油、乙二醇等，一般為硅油）將壓力傳遞至內膜盒上，從而實現壓力的測量。隔離式變送器常用的為法蘭式安裝，也可作成螺紋連接型，法蘭連接隔離式變送器又可分為平膜片和凸膜片型。
從安裝形式上，隔離式變送器可分為一體式直接安裝型和遠傳安裝密封型[1]。在使用環境較好，易接近的場合，可選用直接安裝型變送器。遠傳型即外膜盒與內膜盒間通過毛細管進行連接。
 
　　3 變送器的應用領域及選型
　　根據應用領域、工藝管道和設備結構、開孔情況、安裝位置的不同，變送器的選型也不同。由于變送器的類型較多，應用面廣，故在變送器選型，尤其是在備品備件變送器選型上，建議按通用性、適用范圍廣等原則來統一考量，以減少備品備件的庫存數量。
　　3.1 變送器在壓力測量領域的類型選擇
　　在壓力測量上選用的變送器有壓力變送器（中低表壓）、高壓力變送器（中高表壓）和**壓力變送器、單法蘭隔膜密封式壓力變送器（中低表壓）。根據測量安裝方式的不同，壓力、高壓力和**壓力變送器可分為管道直連式安裝和導壓管取壓安裝兩種安裝類型。對于微小壓力工況，直接測量壓力可能存在測量波動不穩定的情況，根據《自動化儀表選型設計規范》HG/T 20507-2014 中的5.3.1，測量微小壓力（小于500Pa）時，宜選用差壓變送器[2]。
　　3.2 變送器在差壓、液位測量領域的類型選擇
　　差壓測量即通過差壓變送器測量正負壓室的壓力差進行計算得出差壓值。
　　在液位測量領域中，可通過測壓力或差壓的方式來間接測得液位。
　　測量介質特性和安裝方式的不同，液位測量選用的差壓變送器有差壓變送器（靜壓為中低壓）、高差壓變送器（靜壓為高壓）、法蘭安裝式差壓變送器、隔膜密封式雙法蘭差壓變送器等。
　　（1）常壓容器液位測量常壓容器與大氣連通，P-即等于大氣壓，可直接選用壓力變送器或單法蘭隔膜密封式壓力變送器來進行測量，如選用差壓變送器則負壓室直接通大氣不需連接。根據液柱壓強公式P=ρgh，
　　ΔP=P+-P-=ρ1gh
　　式中，ΔP——變送器正、負壓室之間的壓差;
　　ρ1——在設計溫度和壓力下，被測容器內的介
　　質密度，kg/m3;
　　h——測量液位，m。
　　（2）密閉容器液位測量
　　常壓容器的密負壓室可能存在氣相揮發，或是容器頂部進行氮封，如選用法蘭安裝式差壓變送器則負壓室需引導壓管連接，如選用隔膜密封式變送器，則正負壓室均使用遠傳法蘭連接。
　　ΔP=P+-P-=ρ1gh+ρ2g（H-h）
　　式中，H——被測容器正、負取壓點之間的高度，m;
　　ρ1——在設計溫度和壓力下，被測容器內液體
　　上部氣體介的質密度，kg/m3。
　　注：由于智能變送器可通過手操器進行零點遷移操作，在這里不考慮由于安裝引起的零點漂移問題。這里也暫不考慮由于變送器安裝位置與液位零點不在同一高度而產生的毛細管內硅油的壓差影響。
　　（3）敞開水池
　　敞開水池一般采用投用入液位計較為經濟，但對于水池底部有污泥的工況，使用投入式液位計可能存在維護量較大的問題，此情況下也可選用單法蘭密封隔膜式壓力變送器進行液位測量。
　　3.3 變送器在流量測量領域的類型選擇
變送器在流量中，一般使用差壓變送器，與孔板、阿牛巴、文丘里等節流裝置配套使用實現流量測量，差壓變送器檢測出來的是對差壓值，對于蒸汽、氣體等介質還需要進行相應的運算，一般在二次表或DCS/PLC 等上位系統上進行運算得出相應的流量值。流量測量選用的差壓變送器有差壓變送器和隔膜密封式雙法蘭差壓變送器等。
 
　　4 變送器在幾種特殊工況的選型及應用
　　4.1 高溫工況
　　高溫工況應注意考慮傳感器填充液、毛細管灌充液的選擇。常用毛細管灌充液的硅油一般為200 硅油和高溫704硅油。在大氣壓力下，200 硅油可用范圍為-45~205℃，高溫704 硅油可用范圍為0~305℃。在實際選型中，除了了解工況溫度外，工況壓力也是一種重要參數。隨著溫度的升高，介質飽和蒸汽壓也會相應降低，在選型中應根據廠家的飽和蒸汽溫壓曲線來選擇，建議130℃以上考慮選用高溫硅油。對于測量介質溫度較高的場合，過程溫度超過變送器的正常工作范圍，且不能通過導壓管或直接安裝型隔離膜把溫度調節到極限范圍內，可選用遠傳型變送器，通過毛細管引壓，避免由于高溫對變送器電子元件造成的影響。
　　4.2 易結晶高粘度工況
　　介質離開工藝設備后易產生結晶現象或是介質粘度太大時，如采用導壓管連接易造成堵塞，需要經常進行清理疏通，且易造成測量的不穩定，一般選用隔離式變送器。對于結晶較為嚴重的工況，可選用凸膜片型變送器，將感壓膜片直接插入設備內部，從而可直接感受介質的溫度，使介質在膜盒處不易結晶，更好地保證測量的穩定可靠。結晶工況往往同時需要伴熱保溫，對于此工況，隔離液宜選用高溫硅油。對于介質在法蘭連接處易凝結、沉積的工況，建議在過程法蘭和隔膜密封法蘭之間裝夾沖洗環，通入水等，通過沖洗環側面的孔沖洗掉沉積物，保持隔膜清潔，從而保證膜盒的正常感壓。
　　4.3 腐蝕性工況
　　腐蝕性工況包括環境條件、應用工況的腐蝕性。如在導壓管材質為碳鋼或不銹鋼適用的工況，選擇普通型的壓力和差壓變送器；如碳鋼或不銹鋼無法滿足工況要求時，應選用隔離式變送器。
　　腐蝕性工況需特別注重材質的選型。變送器的材質包括了變送器的膜片及接液材質、法蘭材質、外殼材質、排氣/排液閥材質、傳感器填充液材質、毛細管灌充液材質、螺栓螺母材質等，選型中需要關注的是膜片及接液材質、法蘭材質、外殼材質。
　　4.3.1 膜片及接液材質
　　根據介質化學特性的不同，來進行選擇，不同濃度的同種介質在不同溫度下的腐蝕性也有所不同。隔膜密封式變送器，一般內膜盒選用不銹鋼材質，接液外膜盒根據介質特性進行選擇。
　　以下為我司常見的幾種介質的膜片材質選擇[3][4]。對于其它材質，可查閱《儀表工手冊》表1-5-18 儀表常用金屬材質防腐性能表，或《儀表常用數據手冊》中的

　　8.1 儀表常用耐腐蝕材料。
　　4.3.2 法蘭材質
　　對于法蘭連接的變送器，法蘭材質一般有碳鋼、304SST、316SST 三種選型，法蘭材質的選擇與環境條件、介質特性有關，由于法蘭并非直接接液部分，如果在環境條件良好、經濟性考量較多的情況下，可選用碳鋼材質。但對重要的監控點或安環控制點，為避免出現膜片腐蝕導致法蘭也迅速腐蝕的情況，建議按316SST 來選擇。
　　4.3.3 外殼材質
　　根據環境條件和經濟性來考慮變送器的外殼材質，外殼材質一般包括鋁合金和不繡鋼材質，如果不是處于腐蝕性較強的環境條件，選擇鋁合金材質更經濟些。
　　4.4 安裝位置不便于維護工況
如可選用導壓管連接，一般選用普通型變送器，在經濟性允許的情況下，也可選用遠傳型，將變送器裝至合適的位置以便進行日常維護。同時應根據工況選擇合適長度的毛細管，毛細管的長度不同響應時間也不相同，常用的毛細管長度為3~5 米。遠傳型變送器的價格一般為直接安裝型的2倍以上，在選型時應從實際應用需要和經濟性兩方面來權衡考慮。
 
　　5 變送器的其它參數選型
　　5.1 量程的選擇
　　量程選擇時應遵循量程上下可調、保證精度（一般精度要求為0.075%）、通用性強等原則來進行綜合考慮。量程的選擇以工況要求的大壓力或差壓為依據，通過按工況要求的1.5~2 倍確定量程。
　　5.2 防爆等級的選擇
　　變送器從防爆等級來劃分，可分為普通型、防爆、粉塵防爆、防火、本質安全型等。對于化工行業來說主要為防爆型和本質安全型，應根據裝置的系統設計來進行選擇。
　　5.3 變送器的接線方式、電源和輸出信號的選擇
變送器的接線方式分為四線制和兩線制，電源類型有24VDC 和220VAC，目前常用的為24VDC 兩線制變送器。變送器的輸出信號分為4~20mADC 輸出BRAIN 協議、4~20mADC HART 協議、FF 現場總線協議、PROFIBUS PA 總線協議等，1~5VDC 低功耗輸出等，4~20mADC HART 是目前應用較廣的一種信號類型。
 
　　6 結束語
　　變送器作為應用較為**的儀表，在日常選型中應盡可能考慮全面，選用更適用現場工況、性價比高的產品。合理的選型同時進行正確的安裝，才能更效地發揮變送器在化工生產中的作用。


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