氯堿生產裝置溫度儀表選型研究

謝 楠，萬 陽，李 陽，裴允彤

（藍星（北京）化工機械有限公司，北京 100176）

氯堿行業是重要的基礎化學工業，主要以鹽為原料，電解鹽水后，產生氯氣、氫氣、氫氧化鈉等產品，進一步加工生產以聚氯乙烯為代表的多種耗氯產品，并以其為原料生產一系列化工產品，廣泛應用于輕工業、紡織工業、冶金工業、石油化工業以及公用事業等。 隨著工業自動化的快速發展，自動化儀表在氯堿生產過程中的重要性日益凸顯。 儀表選型的準確性對生產運行、經濟效益以及安全性都具有重要影響。 溫度是工業生產中最基本的工藝參數之一，任何化學反應或物理變化的進程都與溫度密切相關，因此溫度的測量與控制是生產過程自動化的重要任務之一。

1 氯堿行業自動化儀表選型的重要性

（1）提高生產效率

自動化儀表的準確選型可以提高氯堿生產過程的控制精度，提高生產效率。 如在溫度控制方面，正確選用合適的溫度儀表可以確保生產過程中反應溫度的穩定性，提高反應效率。

（2）降低能源消耗

自動化儀表的選型與能源消耗密切相關。 通過高精度的測量和控制可以降低能源的消耗，提高能源的利用率。

（3）降低生產成本

選型準確的自動化儀表能夠減少維護、更換以及停機時間等方面的成本。 此外，合理選型還可以減少誤操作引起的事故風險，降低潛在損失。

（4）確保產品質量和安全生產

自動化儀表選型的準確性直接影響到產品質量的穩定性和生產安全性。 通過選用合理的儀表設備，可以有效控制工藝參數，確保產品質量的一致性。 在安全方面，選型準確的儀表能夠對生產過程進行精確監控，消除潛在安全隱患。 不同的生產工藝對溫度的要求不同，需要嚴格控制反應溫度避免副反應的發生，合適的選型對于系統安全的重要性尤為關鍵。

2 儀表選型一般規定

儀表選型應根據工藝要求的操作條件、設計條件、精度等級、工藝介質特性、檢測點環境、配管材料等級規定及安全環保要求等因素確定，并滿足工程項目對儀表選型的總體技術水平要求， 總之，所選儀表應安全可靠、技術先進、經濟合理。

儀表選型在性能要求上應根據測量用途、測量范圍、范圍度、精度、靈敏性、分辨率、重復性、線性度、可調比、永久壓損、輸出信號特性、響應時間、控制系統要求、安全系統要求、防火要求、環保要求、節能要求、可靠性及經濟性等因素來綜合考慮。

設計選用的儀表應為國家授權機構批準并取得制造許可證的合格產品，不得選用未經鑒定的研制儀表，除特殊要求外，儀表宜選用供貨商的標準系列產品。

在爆炸危險區內應用的電子式儀表應取得國家授權防爆認證機構頒發的《產品防爆合格證》；計量儀表應取得國家授權機構頒發的《制造計量器具許可證》或《計量器具型式批準證書》；屬于消防電子產品的火災、可燃氣體檢測及報警等儀表應取得應急管理部消防產品合格評定中心頒發的《中國國家強制性認證證書》（即CCCF 認證）或《產品型式認可證書》。

測量與控制儀表優先采用電子式，首選測量與控制信號為4～20 m ADC 帶HART 協議的智能化現場儀表， 其次可選用信號為4～20 mA DC 的非智能現場儀表，也可選用FF、Profibus 等現場總線儀表和工業無線儀表。

3 氯堿行業常用溫度儀表

溫度檢測根據敏感元件與被測介質接觸與否，分為接觸式和非接觸式兩大類。 接觸式溫度測量的特點是感溫元件直接與被測對象接觸，兩者進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，此時感溫元件的溫度與被測介質的溫度必然相等，溫度計的顯示值就是被測介質的溫度。 接觸式測溫的測溫精度相對較高，直觀可靠，測溫元件價格較低，但由于感溫元件與被測介質直接接觸，會影響被測介質的熱平衡狀態，而接觸不良又會增加測溫誤差；若被測介質具有腐蝕性或溫度太高亦將嚴重影響感溫元件的性能和壽命。 根據測溫轉換的原埋，接觸式測溫可分為膨脹式（如溫度管水銀溫度計、雙金屬溫度計）、熱阻式、熱電式等多種形式。

非接觸式溫度測量的特點是感溫元件不與被測對象直接接觸，而是通過接受被測物體的熱輻射能實現熱交換，據此測出被測對象的溫度。 因此，非接觸式測溫具有不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，測溫上限可設計得很高，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度等優點。 例如機場、學校用來測體溫的紅外溫度計就屬于非接觸式溫度計。

氯堿生產裝置中，常用接觸式溫度儀表較多使用的熱電阻、一體化溫度變送器、雙金屬溫度計，溫度儀表構成及工作原理如下。

（1）熱電阻

熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度，絕大多數金屬的電阻值隨溫度而變化，溫度越高，電阻越大，即具有正的電阻溫度系數，而大多數半導體材料具有負的電阻溫度系數，即溫度越高，電阻越小。

常用熱電阻元件為有鉑熱電阻，銅熱電阻，半導體熱敏電阻。 氯堿生產裝置采用鉑熱電阻居多，鉑熱電阻采用高純度鉑絲繞制而成， 具有測量精度高、性能穩定、復現性好、抗氧化等優點，因此在基準、實驗室和工業中被廣泛應用，但其在高溫下容易被還原性氣體所污染，使鉑絲變脆，改變其電阻溫度特性，需用套管保護方可使用。 鉑絲純度是決定溫度計精度的關鍵。 鉑絲純度越高其穩定性越高、復現性越好、測溫精度也越高。

銅熱電阻的電阻值與溫度近于呈線性關系，電阻溫度系數也較大，且價格便宜，所以在一些測量精度要求不是很高的情況下，常采用銅熱電阻。但其在高于100 ℃的氣體中易氧化， 故多用于測量－50～+100 ℃范圍。

半導體熱敏電阻優點是負電阻溫度系數大，因此靈敏度高。 電阻率大，可作為體積小而電阻值大的電阻元件，具有熱慣性小和可測量點溫度或動態溫度。 缺點是同種半導體熱敏電阻的電阻溫度特性分散性大，非線性嚴重，元件性能不穩定，因此互換性差、精度較低。

（2）一體化溫度變送器

一體化溫度變送器是通過溫度電流變送器，把溫度傳感器的信號轉變為電流信號，連接到二次儀表上，從而顯示出對應的溫度。 溫度變送器采用熱電偶、熱電阻作為測溫元件，從測溫元件輸出信號送到變送器模塊，經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I 轉換、 恒流及反向保護等電路處理后，轉換成與溫度成線性關系的4～20 mA 電流信號輸出。

現場安裝熱電阻傳輸信號類型為Pt100Ω，可通過在熱電阻接線盒內安裝二線制溫變模塊，將信號類型改為4～20 mA 電流信號輸出，DCS 端卡件可保證一致性，無需額外采購RTD 信號輸入卡件，同時三線制儀表改為二線制，導線可以減少一芯，經濟性更好，是目前很多業主方采取的方案。

（3）雙金屬溫度計

雙金屬溫度計是將繞成螺紋旋形的熱雙金屬片作為感溫器件，并把它裝在保護套管內，其中一端固定，稱為固定端，另一端連接在一根細軸上，稱為自由端。 在自由端線軸上裝有指針。 當溫度發生變化時，感溫器件的自由端隨之發生轉動，帶動細軸上的指針產生角度變化，在標度盤上指示對應的溫度。雙金屬溫度計的測溫范圍一般為-80～500 ℃，允許誤差為標尺量程的±1.5%。

按雙金屬溫度計指針盤與保護套管的連接方向可以把雙金屬溫度計分成軸向型、徑向型、135°向型和萬向型4 種。 軸向型雙金屬溫度計指針盤與保護套管垂直連接；徑向型雙金屬溫度計指針盤與保護套管平行連接；135°向型雙金屬溫度計指針盤與保護套管成135°連接；萬向型雙金屬溫度計指針盤與保護套管連接角度可任意調整。

氯堿裝置中， 管道配置常因不同項目所處位置、要求會有所差異，因此雙金屬溫度計常用萬向型，方便現場巡檢人員查看。

4 溫度儀表的選型方式

（1）工藝要求

根據不同的工藝要求，選擇適合的溫度儀表類型。 不同的測量對象對其測量要求有所不同，因此對于儀表性能的選擇側重點也會有所不同。 一般情況下，測溫元件首選鎧裝型結構熱電阻，遠傳監測、控制測溫點。 對于不涉及聯鎖控制、失效后不會造成安全隱患的測溫點，可采用就地溫度儀表，優先選擇雙金屬溫度計。 通過日常巡檢對測溫點位進行監測，氯堿生產裝置中，通常在二次鹽水一次加熱、堿液冷卻時，采用雙金屬溫度計。

氯堿裝置生產系統中，物料溫度的穩定性對于離子膜電解槽的電解效率有著至關重要的作用，因此，物料溫度調節多采用熱電阻或一體化溫度變送器，對關鍵點位進行測量，遠傳至DCS，實現遠程監控、系統監測介質溫度是否超限，必要時進行相關聯鎖動作，以保證系統運行的安全性，減少對重要設備的傷害。

溫度儀表的測量單位，應采用攝氏度（℃）。雙金屬溫度計表盤直徑宜為?100； 在照明條件較差、安裝位置較高及觀察距離較遠的場合，雙金屬溫度計表盤直徑宜為?150。 表盤外殼宜為不銹鋼，面板宜為白底黑字，應帶防爆玻璃。

（2）環境條件

氯堿裝置內，溫度儀表外殼應選擇適應性能好、耐用的材質， 外殼防護級別建議選擇IP65 以上；溫度檢測元件保護套管材質應根據管線內介質的設計溫度、設計壓力、防腐要求、防磨蝕要求及被測介質的特性，選擇耐用材質，最低應選用316SS，并且不應低于設備或管道材質， 例如測量鹽水介質，溫度檢測元件保護套材質選擇Ti。

保護套管宜選用整體鉆孔錐形保護套管，采用法蘭安裝方式。 儀表的防護可有效避免因腐蝕過度，影響儀表測量的準確性與傳輸性能。 氯堿生產裝置測溫點接觸介質常為鹽水、燒堿、氯氣、冷卻水、蒸汽，溫度保護套管常用材質選擇表見表1。

表1 氯堿裝置溫度計套管常用材質選擇表

（3）測量范圍和精度要求

測量范圍是選型的一個重要指標。 溫度儀表的測量單位，應采用攝氏度（℃），對于就地溫度計的操作溫度應為刻度/量程的30%～70%； 對于溫度變送器，應為量程的10%～90%。 氯堿裝置生產運行過程中，需對儀表的準確性有嚴格要求，溫度儀表正常測量值宜在儀表測量范圍上限值50%左右，測量最高值不大于測量范圍上限值90%。

熱電阻精度宜選擇A 級 （±0.15+0.2% ℃），雙金屬溫度計可選用1.5 級， 一體化溫度變送器精度宜選擇±0.5%。 這里值得一提的是，在HG/T 20507-2014 《自動化儀表選型設計規范》中，對于儀表精度有如下描述： 精密測量用溫度計應選用0.5 級或0.25 級。 而在SH/T 3005-2016 《石油化工自動化儀表選型設計規范》中，對于精度的描述為：溫度變送器讀書精確度不應低于±0.2 ℃， 在實際選型過程中，以重慶川儀溫度儀表為例，常用一體化溫度變送器由溫度傳感器（熱電偶或熱電阻）與二線制溫變模塊構成，Pt100 輸入信號測量范圍為-200～850 ℃，測量精度（取最大值）為±0.1%或±0.1 ℃，氯堿裝置介質測溫最高溫度約為150 ℃，精度遠遠高于行業標準，被測介質溫度大于200 ℃時，需額外注意精度要求。

（4）插入深度

溫度檢測儀表安裝位置為管道，需滿足檢測儀表終端完全接觸被檢測介質， 配管時建議放置在U型彎低點處或肘彎處，保證測溫元件的端點位于被測介質溫度變化的靈敏區域， 以保證測量的可靠性。 一般浸入長度大于100 mm，以保證測量的準確性，管道不滿足保護套管插入長度時，可進行擴徑安裝。 一般保護管插入深度宜為管道直徑1/3～1/2處； 熱電阻固定底座底座高度多為150 mm， 例如DN200 管道，可選擇熱電阻保護管長度為250 mm。如明確溫度檢測元件在滿管流體管道上，插入深度可適當縮減，例如DN400 滿液體介質管道，可選擇保護套管總長度為250 mm 即可。

檢測罐內液體溫度， 安裝位置宜為罐下方，儀表檢測終端可被被測液體全部覆蓋，以確保檢測的準確性，通常檢測罐內溫度儀表熱電阻保護套管長度為250 mm 以上。

檢測元件插入深度的計算并非千篇一律，在實際項目設計，如測量介質為管道中的氣體，可減少插入深度，對于溫度檢測無影響，也避免插入管道內的保護套管過長，不斷受到高流速氣體介質沖刷而變形，甚至折斷，造成損壞，當測量元件插入深度超過1 m 時，應盡可能垂直安裝，或加裝支撐、支架和保護套管。

（5）響應時間

在氯堿生產中，溫度的變化往往是非常快速的，溫控儀表的響應速度對于調控溫度的穩定性和精度有重要影響。 選型時應考慮到儀表的響應速度。溫控儀表的電阻絲的尺寸（直徑）、結構、鎧裝管厚度、保護套管外徑及材質不同，其對應響應時間也不同，因此不同產品的響應時間會有一定的差異。

（6）其他注意事項

a.可根據溫度檢測儀表具體安裝位置是否在防爆區域內，來確認是否對儀表進行防爆處理，氯堿生產裝置常用防爆級別為本安型（ExiaIICT4）或隔爆型（ExdIICT4）。

b.過程連接方式應首選法蘭連接，可根據項目前期開工會，與業主方針對法蘭標準及壓力等級進行確認，需要考慮整體裝置法蘭標準及業主方其他裝置法蘭標準的一致性，以保證溫度檢測儀表正確安裝和使用。

c.保護套管壁厚需根據實際情況選擇，太厚會導致測溫響應時間過長，太薄會導致保護管防腐耐用時間大大縮短。直行保護管直徑常用?16；錐形保護套管直徑通常選用?23/?17、?20/?16。 保護套管選取時，需結合工藝預留法蘭規格，避免因溝通不暢而產生無法安裝和返工情況的發生。

5 結語

氯堿行業中自動化儀表的選型對于提高生產效率、降低能源消耗、降低生產成本以及確保產品質量和安全生產具有重要意義。 作為兼具技術性、實用性和責任性的工作，在溫度儀表的選型中需綜合考慮物料特性、 工藝要求和設備要求等方面因素，以滿足實際生產需求。 只有通過合理選型，才能更好地滿足氯堿行業的自動化生產要求。