带吹扫装置的金属转子流量计在压力和液位测量中的应用.doc

带吹扫装置的金属转子流量计在压力和液位测量中的应用 德希尼布天辰化学工程（天津） 有限公司上海分公司王艳丽二九年八月十四日在近期参加工作的上海漕泾拜耳TDI-Train（甲苯二异氰酸脂）项目TDA（甲苯二胺）装置中大量使用了带吹扫装置的金属转子流量计。这种流量计是我第一次使用，所以想就学习后体会小述一下。什么是转子流量计？转子流量计是一种常用的流量测量仪表，即可作为就地指示仪表也可配变送器做到信号远传且带HART协议的智能仪表。常见的转子流量计有玻璃转子流量计和金属转子流量计两种，他们的材料和结构不同，但其测量原理相同，简述如下：流量计内部结构为一个锥形管，锥形管内部包含一个带导向的可自由上下移动的浮子。流量计安装在垂直管道上且流体流向是从下至上。当导向浮子平衡时，向上作用的浮力A和波阻力W与向下作用的重力相等。当有流量通过时，在锥形管与浮子间将产生一个环形间隙，这时浮子在测量单元内的高度与流量的变化一致。通过磁耦合变送器，浮子的高度变化将直接带动测量管外的指针在刻度盘上转动。对于转子流量计在以前的项目中接触和使用过，比较了解。但什么是带吹扫装置的转子流量计呢？此项目前我从未接触过。通过仔细查阅厂家的样本让我有了一个基础的认识。金属转子流量计与恒流阀（也称作压力调节器）配合构成了吹扫装置，实现流量测量并确保流量恒定输出。吹扫装置从结构及功能上分两类：RE型恒流阀用于入口压力变化和RA型恒流阀用于出口压力变化。这里我主要介绍讨论RA型恒流阀用于出口压力变化（同时入口压力恒定）的吹扫装置。其结构和测量原理如下图：弹性膜片受到的向上的作用力为：P2A+P1a-（1）弹性膜片受到的向下的作用力为：P3A+P2a+F-（2）（F为两个弹簧对弹性膜片的作用合力）当弹性膜片受力平衡状态时，即（1）式=（2）式时得到，P2A+P1a= P3A+P2a+F-（3）那么，P2-P3=F/A-a/A(P1-P2)-（4）由于aA，所以a/A(P1-P2)0，并且因为F和A都为恒定值，所以P2-P3=恒定值。由此我们可以知道，无论出口压力如何变化针型阀前后的差压（P2-P3）总是恒定值，而针型阀在开车调试后一般不再调整，也就是说针型阀的流通面积不再变化，所以在差压和流通面积都不变的情况下，确保了流量恒定输出。虽然清楚了吹扫装置的工作原理，但它在压力和液位测量中到底是如何应用的呢？我仍然是一头雾水。通过与资深的仪表工程师的讨论并与工艺工程师澄清工艺条件和对测量点工艺条件的介绍让我有了下面的认识。利用吹扫装置测量压力或液位，通常用在腐蚀性极强、有毒、高温或含有固体颗粒容易堵塞的工艺条件下。吹扫介质通常为压力6-8公斤的仪表空气或氮气（在这个项目中我们使用的是6公斤的氮气，经调压稳压后至3公斤，所以被测的压力一般小于1公斤）。对于强腐蚀性工艺条件，由于被测介质腐蚀性极强，无法选择适合材质的压力变送器则选择吹扫法测量，这样通过测量吹扫介质（空气或氮气）就可得到需要的测量值；对于有毒工艺条件，为减少可能的泄漏点，选择吹扫法将吹扫介质向工艺设备或管道内吹，这样通过测量吹扫介质即得到了需要的测量值又起到气封的作用；对于含有固体颗粒的工艺条件，为防止测量引压管及表内结构被堵塞，同样通过测量吹扫介质就可得到需要的测量值。那么在这个项目中到底是哪些具体的工艺情况而选择了吹扫法测量。这里我选择了两个较为典型的工况介绍一下。先介绍一个TDA初步分馏塔中部压力测量的实例。下图为TDA初步分馏塔的简单工艺流程图，主要进料为含H-TDA的TDA和原TDA，经过加热分馏后其中的轻组分o-TDA（气相）从顶部分馏，重组分m-TDA（液相）从底部分离出来。塔上有大量液位、温度和液位开关测量点，进出料管上还有许多流量测量点和控制调节阀。这里我主要讨论一下安装在N12管口后的压力测量点PT7161，这个测量点的主要目的是测量塔中部（N12管口处）的压力。塔内的被测介质为o-TDA蒸汽，由于o-TDA具有一定的毒性、介质温度较高且工艺压力值又很小仅有0.5bara（公斤绝压）。若不用吹扫法而让被测高温介质直接接触压力变送器会有以下几个问题：I增加了有毒介质的泄漏点。II 由于介质温度较高只能选择带毛细管隔膜式压力变送器，而压力又非常小为真空状态，导致隔膜式压力变送器很难测量（隔膜式压力变送器通常不能用在真空条件下）。使用了吹扫法是这样实现压力测量的：图中FI0090就是一个带吹扫装置的金属转子流量计，恒定的3公斤压力氮气进入恒流阀，通过前面的学习我们知道无论出口被压（N12管口处的压力也就是被测压力）如何变化，恒流阀会始终保持一个恒定的流量（60l/h）从出口输出。由此知道整个仪表的出口压力始终略大于N12管口处的压力（否则氮气不可能吹进设备，设备内气体反而会倒灌出来）且会随着N12管口处压力的变化而变化。从图中我们可以看到压力变送器PT7161实际测量的是FI0090出口处氮气的压力，由于此压力几乎等于真正的被测压力，所以我们通过测量氮气的压力就得到了N12管口处塔中部的压力。通过这样的测量方法即实现了测量目的又解决了高温真空有毒介质的测量难题，且较为经济。下面再介绍一个液位测量的应用实例。左图是一个雨水废水池，测量介质很脏含有大量固体颗粒，并且被测设备为水泥池，无法在设备侧面安装（通常通过测压力来测量液位的方法都是在设备侧壁安装的），而使用吹扫装置测量解决了引压管和仪表内部导压部件的堵塞和侧壁安装的两个难题。图中FI0082就是一个带吹扫装置的金属转子流量计，恒定的3公斤压力氮气进入流量计恒流阀，与前面同样的原理无论出口被压（所测液位产生的压力）如何变化，恒流阀会始终保持一个恒定的流量（60l/h）从出口输出，整个仪表的出口压力会始终略大于被测液位所产生的压力。如上图所示氮气将通过一个插入到池底部的导压管被均匀的吹入池底，当池底均匀冒泡时，我们认为流量计FI0082的出口压力几乎等于池中液位所产生的压力。差压变送器L8261通过测量出口氮气的压力就可计算出池中的液位。这种测量液位的方法又常被称作冒泡法。最后想总结一下在什么情况下会选择吹扫法测量压力和液位，与其它测量方法相比吹扫法的优势和劣势在哪里。会考虑用吹扫法测量的通常是较为复杂的工艺条件，如前面讲过的强腐蚀性、有毒、高温或含有固体颗粒容易堵塞的工艺条件下。如果直接测量的方法也可以满足这些苛刻的工艺条件要求的话，那么吹扫法与直接测量的方法的优劣势各在哪里，我们应该如何选择更适合的仪表呢？在我举得第一个实例中，我认为直接测量的方法的优势在于安装简单，减少安装材料，仪表数量少；劣势在于有可能价格很高，因为有些腐蚀性介质对材料的要求很高，甚至会用到黄金或者铂金，因此价格也会非常高。吹扫法的优势在于更安全，即实现了测量有起到气封的作用，还有可以用在多种测量目的中，除了以上介绍的压力、液位测量外，通过与孔板和差压变送器配套还可实现流量测量；劣势在于安装复杂，需要为转子流量计和压力变送器制作安装支架（通常为2寸钢管）和安装板。在我举得第二个实例中，冒泡法与超声波液位计或雷达液位计测量方法的优劣势又各在哪里呢？我认为超声波液位计的优势是价格经济，安装方便；劣势是声波为机械波靠空气传播，而雨水池肯定在室外，当风速过大时声波无法传递到液面影响测量。雷达液位计的优势在于相应速度快精度好；劣势是价格较高，如果需要加装导波管安装也很复杂且安装费用较高。吹扫法的优势在于测量稳定不受外界