PTA稱重系統在聚酯裝置中的應用

李蓉

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

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PTA稱重系統在聚酯裝置中的應用

李蓉

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

摘要：聚酯裝置中乙二醇與PTA摩爾比的變化會造成酯化工藝的波動，而PTA固體粉料的精確測量，將直接影響漿料配比的密度，對聚酯裝置的生產至關重要。根據PTA固體粉料的特點，從科氏固體質量流量計的測量原理及組成、PTA稱重系統的組成、安裝、調試及維護等幾個方面介紹了PTA稱重系統在聚酯裝置中的應用。在數十套聚酯裝置生產應用中表明： 利用科里奧利原理設計的固體質量流量計及其稱重系統可以實現對PTA固體粉料高精度、高可靠性、高可操作性的給料稱重控制。

關鍵詞：科里奧利固體質量流量計PTA稱重系統聚酯裝置

在聚酯裝置中，漿料的配制是最重要的工藝環節之一，由于乙二醇與PTA摩爾比的變化會造成產品質量的波動，為此設計了漿料配制的摩爾比控制回路。在此回路中PTA粉料的精確稱量和控制，是保證工藝過程連續穩定運行和生產高質量聚酯熔體的關鍵因素，因而PTA給料稱量控制系統必須具有穩定、準確、可靠、靈敏等特點。PTA原料為白色固體粉末，從大量的應用中得出對其流量的測量宜采用應力式固體質量流量計。利用科里奧利原理設計的固體質量流量計對PTA固體粉料進行流量測量，具有較高的準確度和良好的穩定性，可以實現高精度、高可靠性、高可操作性的給料稱重控制。

1科氏固體質量流量計測量原理

科氏固體質量流量計是根據科里奧利(Coriolis)原理的連續質量流量測量，其測量原理適用于測量固體粉末狀物料，并保證了測量的高精度。

1.1科里奧利原理

質量微粒在以角速度ω轉動的系統中除受到離心力FZ和摩擦力FR外，還受到垂直于其運動方向的慣性力FC的作用，通過測量該力，可測得質量m，即科里奧利原理，如圖1所示。

圖1　科里奧利原理示意

1.2科氏固體質量流量計測量原理

科氏固體質量流量計利用了理論力學中的科里奧利定理及相應的科里奧利力，測量原理的實現需要一個以恒定速度轉動的測量輪，其基本結構如圖2所示。由電機驅動的測量輪被葉片分成數個導流槽，固體物料由測量輪中心上方進入，經過錐形的導向裝置后，物流方向發生偏轉，進入葉片之間的導流槽中。物流被以恒定角速度ω旋轉著的導向葉片虜獲，因受離心力FZ的加速作用而向測量輪外邊緣運動，并沿導向葉片的拋物緣離開測量輪。物料流在測量輪內受到導向葉片的限制而運動，產生科氏加速度和科里奧利力FC，科里奧利力對測量輪中心產生一個與其旋轉方向相反的力矩M。因離心力FZ和摩擦力FR都不能在測量輪徑向上產生力矩，因此通過測量固體物料所受FC對測量輪的反作用力矩可測得質量流量。其計算公式為

(1)

式中：M——測量輪所受力矩，N·m，M=FCR；qm——質量流量，t/h；ω——測量輪角速度，rad/s；R——測量輪半徑，m。

圖2　測量輪基本結構示意

從式(1)中可以看出，在ω恒定時，轉矩M正比于質量流量qm，式中沒有其他的不定因素，只要能精確地測定轉矩M和保持ω的恒定，即可準確地測量出物料的質量流量qm。相比于其他固體質量流量計，科氏質量流量計的測量精度對物料的物理特性(密度、溫度、摩擦力等)、進料速度、物料下落高度和不同速度物料層之間的摩擦等因素不敏感，在測量固體物料時具有很大優勢，其測量準確度一般可以達到被測流量的±0.5%。

2固體質量流量計的組成

中國昆侖工程公司在聚酯裝置中對PTA粉料進行流量測量采用了國外引進固體質量流量計，由以下幾部分組成[5-6]：

1) 測量輪驅動馬達(measuring motor)。該馬達驅動測量輪以恒定速度轉動。

2) 稱重傳感器(load cell)。它感受測量輪等速旋轉時作用在測量輪葉片上的力矩大小。該旋轉力矩通過測量輪軸及一個懸浮平衡支架的杠桿結構傳遞到稱重傳感器上，稱重傳感器輸出的電壓與該旋轉力矩成正比。

3) 速度傳感器(speed transducer)。檢測測量輪驅動馬達的轉速，速度傳感器為感應式接近開關，其產生對應于電機轉速的脈沖頻率信號。

4) 柔性連接(flexible connector)。保護測量轉軸處灰塵的進入和減少由外殼振動對測量元件的影響。

5) 測量輪(measuring rotor)。它是科氏固體質量流量測量的核心部件，測量輪的幾何形狀、外形尺寸和葉片的數量是經過精確計算和無數次實驗后設計的。

式(1)中力矩M由稱重傳感器測得，測量輪角速度ω由速度傳感器測得。最終旋轉力矩和轉速送入控制器進行運算，得到物料的瞬時流量。

3PTA稱重系統的組成

固體質量流量計僅作為流量測量計量設備，需要與預給料設備(如星形給料器、流量切斷閥和振動篩等)配合使用，才能構成PTA稱重給料系統，如圖3所示。

圖3　PTA稱重及給料系統結構示意

1) 入口切斷蝶閥(inlet butterfly valve)。用于整個稱重系統的進料，可以是手動控制也可以自動控制。

2) 星形給料器(star feeder，也叫旋轉閥)。由變頻器控制，主要用于將PTA粉料均勻下料到振動篩內。當星形給料器旋轉時，即把PTA粉料刮到下料管內，星形給料器轉動越快，刮進去的物料就越多。在PTA給料控制閉環回路中，星形給料器作為執行機構，根據控制器的輸出值改變其轉速，調節PTA的下料量，且星形給料器上帶有用于軸氮封的電磁閥。

3) 振動篩(screening machine)。因固體顆粒過大不能通過固體質量流量計的測量輪葉片，所以采用振動篩分離固體粉料中的大顆粒及其他夾帶物。振動篩入口接星形給料器的出口，其兩個出口一個接固體質量流量計，另一個接廢料儲存罐。

4) 固體質量流量計(solid mass flow meter)。適用于粉狀物料的通過量和消耗量的測量。物料流動特性可以從自由流動到輕微黏滯，不能測帶狀和結塊的物料，其結構原理如前所述。

5) 出口切斷蝶閥(outlet butterfly valve)。自動控制，能快速動作，電磁閥雙線圈設計，用于斷電時位置保持，與下游漿料調配過程聯鎖。出口切斷蝶閥還用于在不給料時防止漿料調配罐內氣體向上進入質量流量計。蝶閥下方配有給料錐，用于輔助下料，防止物料粘壁。給料錐左右兩側各有一個氮氣噴嘴，由電磁閥控制，在蝶閥打開時，即給料時進行脈沖式定量氮吹。

4控制器

控制器是PTA給料稱量控制系統的關鍵儀表，裝配到隨機供貨的PLC控制柜門上。控制柜內除了控制器，還有電源、變頻器、PLC、安全柵和轉換器等。該控制器是一個專用的多功能控制器，其接收速度傳感器傳來的速度信號和稱重傳感器送來的旋轉力矩信號，根據這2個信號大小，計算出PTA粉料的流量，從而完成了流量的檢測。控制器將測得的實際流量值與設定值進行比較，及時輸出反饋信號調節星形給料器的轉速，實現給料流量控制，設定值可以由DCS給定或內部給定。除此之外控制器還完成啟停聯鎖、顯示/操作/組態、狀態識別和故障診斷[8-9]。

5安裝與調試

PTA稱重系統作為特殊儀表，其使用效果與方案設計、安裝、調試密切相關，尤其是安裝與調試的效果會直接影響測量精度。

PTA稱重系統在安裝時需注意以下問題： 設備在搬動時受力點應在各設備的起吊環上；質量流量計應安裝在穩固的支架上并固定，應確保水平，不能傾斜；質量流量計安裝場地應避免過大的空氣對流、振動源、高溫以及溫度變化過大等；振動篩上下和質量流量計出口管子應使用軟連接；各設備應可靠接地，避免外部干擾。

PTA稱重系統調試過程包括： 稱去皮重，稱帶料校正，帶料試運行。調試過程應在上電30min后進行。

6影響測量精度的因素

PTA稱重系統中固體質量流量計是整個稱重系統的基礎和關鍵設備，是影響測量精度的主要因素。使用時需注意以下幾點：

1) 支撐平臺的振動和位移。質量流量計支撐平臺的振動頻率大于0.1g加速力時會影響測量精度，平臺的位移也會產生短暫的形變和傾斜，尤其由質量流量計入口傳遞的形變可能會影響測量精度。在運行過程中若出現上述干擾因素可通過觀察設備運行情況判斷出來。檢查質量流量計是否水平，是否有較大氣流通過，是否一側暴露在陽光下，是否有在平臺上走動導致的荷載變化。

2) 測量系統中的氣流和壓力變化。運行過程中，若有較大氣流通過質量流量計，會產生流速被誤當作測量結果。可通過確保PTA料倉和質量流量計間的管路密閉來避免該干擾因素，同時需避免由下料錐處來自下游的氣體壓力的變化。

3) 測量輪積料和磨損。PTA粉料中含有黏性物質或者濕度增加都可能造成測量輪上粘結物料。若測量輪上的積料是持久的、均勻的,則不會影響測量結果，但要避免積料的增加和不均勻厚度的出現。在使用中測量輪上做了PTFE涂層，可有效防止運行過程中物料的堆積。當物料有磨損性時，可選用耐磨襯里防止測量輪葉片的磨損。需盡可能利用每次停車的機會，檢查測量輪是否積料和磨損，即使在運行期間也要定期檢查測量輪是否積料，并及時清理。另外，還要檢查測量輪的軸上是否纏有異物(如麻繩)，清理完后需要重新進行皮重校正和零點校正。

4) 物料脈沖性波動。進入測量輪的PTA粉料如果產生脈沖波動，會引起稱重傳感器信號波動，導致測量不準確。星形給料器的設計結構可以保證均勻的下料，但需注意星形給料器的轉速不應過慢。

7結束語

對于聚酯生產裝置而言，PTA稱重系統的合理選用及正確的安裝、調試和日常維護為生產出合

格的聚酯產品發揮了重要的作用。在數十套聚酯裝置生產應用中表明，該PTA稱重系統能滿足對PTA粉料的精確稱量和控制。PTA稱重系統是將機械、電氣、電子、自動控制結合在一起的計量裝置，具有獨特的應用領域，在流程工業中起著不可替代的作用。

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Application of PTA Weighing System in Polyester Plant

Li Rong

(China Kunlun Contracting & Engineering Corporation, Beijing, 100037, China)

Abstract：Molar ratio of ethylene glycol and PTA changes will cause fluctuation of esterification process in polyester plant. Accurate measurement of PTA solid powder will directly affect density of slurry ratio. It is crucial to production of polyester plant. According to characteristics of PTA solid powder, application of PTA weighing system in polyester plant is introduced from the measuring principle and composition of Coriolis solid mass flow meter, composition, installation, commissioning and maintenance of PTA weighing system and so on. The practical application in dozens of polyester plants production shows solid mass flow meter and weighing system designed with Coriolis principle can achieve high accuracy, high reliability and high operability of feeding weighing control for PTA solid powder.

Key words：Coriolis; solid mass flow-meter; PTA weighing system; polyester plant

中圖分類號：TH715.1

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0044-03

作者簡介：李蓉(1980—)，女，2006年畢業于遼寧石油化工大學控制理論與控制工程專業，獲工學碩士學位，現就職于中國昆侖工程公司，從事石油化工行業儀表及自動控制的工程設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2014-10-31。