3051SMV多變量變送器在丙烯腈裝置空氣進料流量測量中的應用

孫崇祥

（山東科魯爾化學有限公司，山東 東營 257000）

丙烯腈裝置以丙烯、氨、空氣為原料，在430-450℃下，經流化床反應器生產丙烯腈、乙腈、氫氰酸等主副產物。原料空氣用透平空氣壓縮機從大氣經空氣過濾器吸入空氣，壓縮后從流化床底部送入流化床反應器。空氣流量做為反應器控制的重要參數，為保證丙烯裝置反應過程的安全，不僅需要在DCS系統進行監控，也需要在SIS系統進行安全聯鎖監控。采用平衡流量計加3051SMV多變量變送器的測量模式，保證了測量的準確。

1 空氣流量測量系統組成

為保證空氣流量測量的準確及聯鎖控制的可靠，平衡流量計采取向上及左右間隔45°開3對取壓口的方式。管道上安裝三支熱電阻，熱電阻信號分別接入三臺變送器，經多變量變送器計算后信號傳輸至SIS機柜的一進二出信號分配器，再分別進入SIS系統和DCS系統。進入SIS系統的數據經過三取二的表決方式，判斷空氣流量是否達到聯鎖值。進入DCS系統的數據經過三取中的方式，參與空氣流量的調節，DCS經過PID計算輸出信號至透平空氣壓縮機控制系統，通過調節透平轉速的方式調節空氣流量。

通過使用平衡流量計加3051SMV多變量變送器的測量模式，在現場實現就地溫壓補償，一是解決了在SIS系統溫壓補償計算復雜的問題，二是減少了傳統溫度、壓力信號都接入控制系統，再做溫壓補償的問題，節約了大量的時間和費用。

2 平衡流量計

丙烯腈裝置空壓機出口管道DN=1600mm，在這么大口徑管道測量空氣流量，如使用渦街流量計、渦輪流量計等流量計，則費用太昂貴。如使用插入式靶式流量計，則測量精度不能滿足要求。傳統孔板、噴嘴、文丘里管等差壓式流量計已經標準化，統稱為標準節流裝置。標準節流裝置不需要標定，只要嚴格按照標準進行弧度、坡口的加工，無需實流標定，就可以根據規定的計算方法得到差壓和流量的對應關系就能獲得規定的準確度，為用戶帶來方便。標準節流裝置經過幾十年的發展，作為經典流量測量裝置，對流量的測量最穩定，相比隨著科學技術發展，開發出的渦街流量計、超聲波流量計，是最經得住考驗的流量測量方式。

在幾十年的應用中，通過工程技術人員對使用經驗的累積，以及對經典差壓式流量計計算公式的演變，開發出了精度更高、量程比更寬、壓損更低的平衡流量計。平衡流量計是專門為對測量要求嚴苛的航天工業開發的，其優秀的性能表現使得它迅速在石油化工行業推廣開來。為石油化工行業對大口徑、高精度流量測量要求的，提供了新的選擇。

3 空氣流量的溫壓補償

對于氣體流量測量，由于氣體分子之間的作用力小，是一種非常微弱的存在，所以氣體的工況會隨著溫度和壓力的變化而發生很大的變化。由于要盡量準確，而工藝條件在不斷變化，即被測氣體的溫度、壓力在不斷變化中，造成被測氣體的密度也就不斷變化，如果不進行溫壓補償，測量的氣體流量肯定不會準確。氣體溫壓補償的意義就是將工況下測量的結果轉換成對應的標況下測量結果，保證不同點測量的結果都在一個標準下，利于比較和統計。

我們常見的工況，都可以簡化為理想氣體，以方便利用標準氣體方程實現溫度、壓力的補償。下面我們通過不同工況下溫度、壓力對氣體流量測量的影響進行展示。

設計狀態下此處壓縮空氣的壓力為0.16Mpa（G）、溫度為150℃、流量86694.38Nm3/h。但在裝置開車期間，后續工藝流程空氣用量在20000Nm3/h左右。這時壓縮空氣管道內的壓力、溫度，均與設計溫度、壓力偏差較大。若此時的空氣流量未經過溫度、壓力補償，則實際流量與平衡流量計測得的流量差別較大，給工藝操作人員的操作，沒有參考價值。且會因數據的不真實給裝置運行帶來風險。

按照公式：

式中，為標準狀態下氣體實際體積流量；qvn為標準狀態下氣體設計體積流量；p'為氣體實際壓力，kPa；p為氣體設計壓力，kPa；T'為氣體實際溫度，℃；T為氣體設計溫度，℃。

在壓力120kPa、溫度120℃下，未經溫壓補償的流量為20000Nm3/h。經過溫壓補償的流量為：

通過計算顯而易見，為準確測量空氣流量必須對測量數據進行溫壓補償。因空氣流量既要進入SIS參與聯鎖，又要進入DCS參與控制。在一般系統中，可采用SIS通信到DCS進行控制，但按照規范，因為通信數據的不穩定性，關鍵位置的控制，不得使用通信方式，必須使用硬接線方式。如要同時保證兩套控制系統測量結果的準確，需要準備兩套流量測量及溫度、壓力補償系統，增加了投資及系統復雜性。

4 3051SMV多變量變送器

通過以上計算，我們得知空氣流量測量的溫壓補償是必須進行的。提到溫壓補償，首先想到的就是流量積算儀。流量積算儀都有比較強大的功能，能與差壓式流量計、速度式流量計配套使用，實現對流量的實時補償，以消除實際工況與設計工況不同，帶來的測量偏差。流量積算儀一般安裝在流量儀表附近，化工現場儀表必須達到對應的防爆等級，這就要求流量積算儀需要配套安裝笨重的防爆保護箱。通過圖1傳統流量測量結構圖可以看出，每一路流量的測量都需要一臺差壓變送器、一臺壓力變送器、一臺溫度測量儀表。丙烯腈裝置空氣流量的測量是參與SIS聯鎖的重要參數，必須設置三取二模式，這就要求空氣流量測量按照圖1的結構安裝3套。按照傳統流量測量結構配置，會造成安裝的儀表設備特別多。一是增加了設備的采購投資、施工投資；二是增加了故障點，給后期的運行維護帶來很多不便，不符合方便設備設施維護的要求。

圖1 傳統流量測量結構圖

圖2 3051SMV流量測量結構圖

而利用3051SMW變送器自帶的靜壓傳感器和差壓傳感器，分別測得過程壓力和流量差壓?，F場安裝的熱電阻測溫信號直接接入3051SMW變送器表頭，通過變送器自帶計算公式實時完成對空氣流量的工況轉標況計算?，F場只需要一臺多變量變送器和一個熱電阻就能實現流量的精確測量，節約了變送器備件庫存、節約安裝成本。

5 結束語

3051SMV多變量變送器與平衡流量計的配合使用，實現了空氣流量測量的就地溫壓補償，實現了流量的精確測量，解決了空氣流量在SIS系統中難以實現溫壓補償的問題，為SIS系統可靠的安全聯鎖監控、DCS系統準確的流量控制提供了保障。