基于壓力變送器的蒸壓釜安全余壓分析

□ 張馳宇 □ 邵東亮 □ 董文利 □ 孫振國 □ 顧海龍 □ 王 科 □ 崔 黎

江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院 江蘇無錫 214000

1 蒸壓釜事故分析及結構特點

蒸壓釜廣泛用于混凝土、水泥等建材行業,由于其兩端快開門啟閉頻繁,容易造成爆炸事故。以往引起蒸壓釜事故的原因主要是釜蓋未完全閉合到位就加壓,或者在釜內壓力未排凈就開蓋。行業內一般把該帶壓開啟門蓋不至于引發安全事故的壓力稱為安全余壓,傳統安全聯鎖裝置需要通過壓力表來判斷容器內殘余蒸氣是否排凈,確認排凈后,方可解鎖蒸壓釜釜門變速齒輪,打開釜蓋。普通壓力表的精度往往無法準確檢測安全余壓,且該安全聯鎖裝置不是完全自動化,容易發生事故。因此,傳統安全聯鎖裝置結構亟待改造。隨著人工智能和大數據等新技術的興起,利用智能控制技術對傳統快開門式壓力容器安全聯鎖裝置進行改造升級,實現智能安全連鎖裝置的數據分析、故障報警、自我保護和智能控制成為可能。

理想的安全余壓值一般較低,從人身安全角度出發,一般將安全余壓定為3.1 kPa,是一個微壓值,筆者將討論微壓值對智能安全聯鎖裝置中壓力檢測元件的使用所產生的影響。

2 安全余壓設置

蒸壓釜事故主要發生在關門升壓前和釜內壓力降為安全余壓前開門階段,可見釜內的安全余壓是一個必須控制的重要因素,需要應用高精度壓力變送器將該壓力檢測出來,然后再轉換成電信號傳給安全聯鎖裝置進行控制。

壓力變送器是目前自動化儀表中重要的一項產品,主要用于壓力參數的測量和控制,其使用非常廣泛。壓力變送器工作原理為按照一定的規律將壓力信號轉換成電信號輸出,電信號經放大,變為可傳送的標準化輸出信號。壓力變送器按感壓原理可分為電容式、諧振式、壓阻式、力/力矩平衡式、電感式、應變式等。微壓變送器通常可以檢測小于10 kPa的壓力,其最大量程與最小量程之比范圍較小。

蒸壓釜的使用參數中,工作壓力為1.0 MPa～1.5 MPa,設計壓力為1.4 MPa～1.6 MPa,安全閥整定壓力為1.58 MPa,安全余壓為3.1 kPa,設計溫度為198～204.3 ℃。考慮到壓力變送器使用時有輸出過大過小、指示異常等故障,這就要求配套的壓力變送器應具有使用溫度較高、量程較大的特點,選用時應考慮以下幾點。

(1) 壓力。當蒸壓釜內壓力高于整定壓力時,安全閥會開啟,將壓力降低。安全余壓也是需要嚴格監測的值,當釜內壓力高于安全余壓時,智能聯鎖裝置不能解鎖。所以,壓力變送器的選型只需要同時考慮整定壓力和安全余壓值。若壓力變送器的量程上限選的太低,則長期在超壓載荷下工作,壓力變送器容易損壞。如果量程上限選的太高,那么會影響精度。一般壓力變送器的量程比可以選在10∶1范圍內,如果超出這個范圍時,實際誤差應為廠家說明書上提供的誤差加上附加誤差。由于目前技術的發展,大量程比壓力變送器也能保持較高的精度,但因為精度通常與滿量程成反比,所以應盡量選擇小量程比的壓力變送器來減少誤差。

(2) 精度。精度是描述壓力變送器輸出誤差常用的一個術語,這些誤差可能來源于非線性、遲滯、零點平衡、校正方法等因素。壓力變送器精度選的太低,會影響監測安全余壓的準確性,選的太高,則不經濟。壓力變送器的精度等級見表1。最大允許誤差和回差以輸出量程的百分比表示。對于3.1 kPa安全余壓標準,應選用較高精度等級的壓力變送器。

表1 壓力變送器精度等級

(3) 溫度。蒸壓釜內會通蒸汽,其設計溫度最高為204.3 ℃。正常工作情況下,在一個工作日中釜門啟閉可能達好幾次,所以釜內的溫度通常在0～204.3 ℃之間。高溫環境下,測量介質的溫度往往會超過變送器的正常工作范圍,從而引起誤差。常用的單晶硅芯體壓力變送器測量溫度在-20～60 ℃之間,這時就需要從釜體上焊接引壓管來實現。

3 壓力變送器選型及應用

選型有兩種方案。

(1) 安全余壓設為2 kPa,釜體引出引壓管尺寸取φ25 mm×2.5 mm盤管,長度為1 m,接管與釜體全焊透。壓力變送器與引壓管相連,選擇量程為0～1.6 MPa的單晶硅芯體壓力變送器,精度等級選擇0.075。按此規格計算,最大誤差為±1.2 kPa,則測量該壓力的最大誤差值范圍為0.8～3.2 kPa,滿足胸部3 ms準則要求的3.1 kPa。胸部3 ms準則指作用在上胸部質心處的線性加速度超過60g的時間不超過3 ms。

(2) 安全余壓設為3.1 kPa,釜體引出引壓管尺寸取φ25 mm×2.5 mm盤管,長度為1 m,接管與釜體全焊透。采用雙壓力變送器方式,雙壓力變送器原理如圖1所示。變送器1為0～1.6 MPa,變送器2為0～25 kPa,為單晶硅芯體,精度等級為0.075。兩個壓力變送器合并使用,變送器2下端安裝電磁閥,并與控制器聯動。以變送器1作為測量基準,當壓力大于25 kPa時,關閉變送器2下方的電磁閥,低于25 kPa時打開變送器2下方的電磁閥,連鎖裝置的界限點使用變送器2,這樣就可以有效提高測量精度至±0.018 75 kPa,此時測量該安全余壓的最大誤差值范圍為3.18 kPa～3.22 kPa,與設定的安全余壓相差非常小,可以忽略。

▲圖1 雙壓力變送器原理

4 總結

壓力變送器的使用對蒸壓釜安全余壓的設定是有影響的,除從人身安全角度考慮安全余壓外,還應疊加考慮操作時儀表的測量偏差。

為了減小溫度對測量安全余壓的影響,應采用引出管結構。

盡量選用低量程比高精度壓力變送器。

當采用單變送器方式時,安全余壓取2 kPa。當采用雙變送器方式時,安全余壓取3.1 kPa。