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氯乙烯涡轮流量计选型及应用



摘要:通过对氯乙烯单体加料工艺的介绍和氯乙烯单体性质的分析, 介绍了涡轮流量计和质量流量计的选型、安装和使用情况, 总结了使用过程中遇到的一些问题及处理办法。
  聚氯乙烯按合成方法分类主要有 4 大类:悬浮法聚氯乙烯、乳液法聚氯乙烯 、本体法聚氯乙烯和溶液法聚氯乙烯, 悬浮法聚氯乙烯是目前产量最大的一个品种 ,也是我国生产企业常用的一种生产工艺 。不同的合成方法生产的产品, 其性能大相径庭 ,单就悬浮法聚氯乙烯而言 ,配方不同,聚氯乙烯产品的性能也不同 。因此 ,在生产不同型号的产品时, 对配方的管理和加料量精度的控制就显得尤为重要 。自控系统的高度自动化为配方管理搭建了方便的操作平台 ,而加料量的控制成为产品合格率的关键所在。氯乙烯单体是合成聚氯乙烯的主要原料 , 要想控制好单体的加入量, 选择何种单体加料流量计是各个生产企业都十分关注的事情。
1、单体加料工艺简介:
  氯乙烯单体加料工艺流程简图见图 1 。
图 1  氯乙烯单体加料工艺流程图
 
图 1  氯乙烯单体加料工艺流程图
 聚合釜的进料过程是一个密闭的进料过程,每条聚氯乙烯生产线都有多台聚合釜,每台聚合釜的每一次单体加料都有严格的配方管理和程序控制,通过程控阀的切断和调节阀的调节,控制单体的流向、流速和进料量。进料量由单体流量计计量并实时传送给DCS控制系统,从而精确地控制整个加料过程。整个管线上串联安装 2 台流量计,其目的是控制加料的精度,通过2 台流量计实时对比,更好地监测流量计运行情况,并确保 2 台流量计的视数在一定偏差范围内。
2、流量计的选择:
  目前市场上流量计的种类众多, 生产厂家更是千差万别 ,尚且还没有一种流量计或测量方式是对各种流体及流动情况都能适应的。不同的测量方式和结构,要求不同的测量操作、使用方法和使用条件。每种形式的流量计都有其特有的优缺点, 要想用好一台流量计, 首先要做好流量计的选型工作 。流量仪表的选型主要应从如下 4 个方面考虑 。
(1)介质的性质 。所测介质为气体 、液体 、固体 、浆料或是气液混合物等,介质密度、黏稠度 、腐蚀性等。
(2)工艺条件。主要包括流量计的工作压力、工作温度等 。
(3)工作环境。主要包括流量计的环境温度、防护等级、防爆等级、有无强电磁干扰 、有无强辐射、有无强振动等。
(4)测量精度。流量范围和精度要求是流量计的重要参数, 也是决定流量计价格的决定性因素。
  氯乙烯单体是一种略呈芳香气味的无色气体 ,分子式 C2 H3Cl, 相对分子质量 62 .50 , 相对密度0 .910 6(20/4 ℃), 常温下为气体 , 有毒 、易燃易爆 ,为储存或储运而加压成液体, 微溶于水, 不宜导电 ,遇光或催化剂会发生聚合并放热。
  目前,某氯碱发展有限责任公司(以下简称神马氯碱发展公司)共有两条10 万 t/a 和一条5 万t/ a 的 PVC 生产线 , 根据氯乙烯单体的物理性质和聚合反应的单体加料条件,在单体加料流量计的选择上采用了涡轮流量计和质量流量计两种类型。实践证明,这两种流量计在单体加料管线上的使用都是成功的。

3、两种流量计的特点及安装使用:
3 .1、涡轮流量计:
3 .1 .1、涡轮流量计的工作原理:
  涡轮流量计是速度式流量仪表的一种, 又称为透平流量计 ,是一种叶轮式仪表 ,其工作原理相对简单 。涡轮流量计本体管道中心安放一个涡轮 ,两端由轴承支撑 。当流体通过管道时 ,冲击涡轮叶片 ,对涡轮产生驱动力矩, 使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转 。在一定的流量范围内 , 对一定的流体介质黏度,涡轮的旋转角速度与流体流速成正比 。
  由此,流体流速可通过涡轮的旋转角速度而得到 ,从而可以计算出通过管道的流体流量 。同时涡轮的转速通过安装在机壳外的传感线圈来检测 。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时,就会引起传感线圈中的磁通变化 。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器 , 对信号进行放大 、整形 ,产生与流速成正比的脉冲信号 ,送入单位换算与流量积算电路得出并显示累积流量值;同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路 ,将脉冲信号转换成模拟电流量, 进而指示瞬时流量值。神马氯碱发展公司采用的是直接将涡轮流量计的脉冲信号送入 DCS 控制系统 ,通过 DCS 系统来显示和累积流量值 ,从而控制加料过程 。

3 .1 .2、涡轮流量计的特点:
(1)准确度高 。涡轮流量计的准确度在 0 .5 %~ 0 .1 %, 压力损失较小 ,在线性流量范围内, 即使流量发生变化, 累积流量准确度也不会降低, 并且在短时间内,涡轮流量计的再现性可达 0 .05 %。在国外液化石油气 、成品油和轻质原油等的转运及集输站, 大型原油输送管线的首末站都大量采用涡轮流量计进行贸易结算 。
(2)量程比宽 。涡轮流量计的量程比可达 1 ∶50 , 在同样口径下 ,涡轮流量计的最大流量值大于很多其他流量计。
(3)适应性强 。涡轮流量计具有较高的抗电磁干扰和抗振动能力 ,性能可靠 ,多是封闭结构 ,其转速信号是非接触测量,容易实现耐高压设计 。
  如果流量计的涡轮和轴承选择耐高温、热膨胀系数小的材料 , 就可以在较宽的温度范围内使用。这时,应注意对它的仪表系数进行修正(主要是其流通截面的变化):
  K =K 0[ 1 -(βR +2βH )·(t -to)] ,
  式中:K 、K0 分别为使用时和校验时的仪表系数, t 、t 0 分别为使用时和校验时的流体温度 ,βR 、βH 分别为涡轮和机壳的材料膨胀系数。
(4)数字信号输出 。
  涡轮流量计输出为与流量成正比的脉冲数字信号。它具有在传输过程中准确度不降低 、易于累积 、易于送入计算机系统的优点(也可以转换成标准的4 ~ 20 mA 电流信号输出)。
  总的来说, 涡轮流量计具有结构简单、加工零部件少 、质量轻、维修方便、流通能力大(同样口径可通过的流量大)和适应高参数(高温、高压和低温)等优点,可广泛应用于石油、有机液体 、无机液体 、液化气、天然气 、煤气和低温流体等 。
3 .1 .3、涡轮流量计的安装及使用:
  流量计的安装情况对流量计的测量准确度影响很大 ,要想发挥涡轮流量计的优点 ,在流量计的安装及使用上应加以注意 。
(1)流速分布不均和管内二次流的存在是影响涡轮流量计测量准确度的重要因素。所以, 涡轮流量计对上 、下游直管段有一定要求 。对于工业测量 ,一般要求上游 20D(D 为流量计口径), 下游 5D 的直管长度 。为消除二次流动, 最好在上游端加装整流器 。若上游端能保证有 20D 左右的直管段, 并加装整流器 ,可使流量计的测量准确度达到标定时的准确度等级。
(2)涡轮流量计对流体的清洁度有较高要求, 在流量计前须安装过滤器来保证流体的清洁。过滤器可采用漏斗形的 。
(3)不能有混相流,必须确保通过流量计的液体是单相的 ,必要时在流量计上游加装消气器。
(4)为了保证显示仪表对涡轮传感器输出的脉冲信号有足够的灵敏度, 就要提高其信噪比。为此 ,在安装时应防止各种电干扰现象, 即电磁感应 、静电及电容耦合。在配置信号传输线时 ,必须注意限制信号线的最大长度(信号线的最大长度为:L =dV ,其中 V 为在最小流量时传感线圈的输出电压有效值,mV ;d 为系数,m/mV ,其值可取 :V <1 000 m V时, d =1 .0 m/m V ;1 000 mV <V <5 000 m V 时 ,d =1 .5 m/mV ;V >5 000 mV 时 , d =2 .0 m/ mV);信号传输线应采用屏蔽电缆, 以防来自外部的感应噪声 ;要求传输电缆在显示仪表端屏蔽可靠接地;传输电缆不能靠近强电磁设备, 不允许与动力线平行布置 。
(5)涡轮流量计是一种机械式流量计,必须进行定期的运转维护 ,由于氯乙烯单体大都有自聚现象 ,管道内壁和流量计内长时间接触介质, 不可避免地会有自聚物产生 ,所以必须对设备进行定期的检查和清洗。
(6)涡轮流量计的轴承是最易磨损的部件, 应定期更换 ,一般可根据小流量特性变化来观察其轴承的磨损情况 ,或者对其进行定期的校准。

3 .1 .4 、运行故障分析:
  故障分析情况见表 1 。
表 1  故障分析情况
表 1  故障分析情况

3 .2、质量流量计:
3 .2 .1、质量流量计的工作原理:
  根据流量管的不同 ,质量流量计主要有 U 形测量管流量计 、S 形测量管流量计、Ψ形测量管流量计 、B 形测量管流量计、双 J 形测量管流量计、单直管形测量管流量计 、双直管形测量管流量计、双环形测量管流量计等(神马氯碱发展公司使用的是 U 形测量管质量流量计)。无论哪种形式流量管的流量计 ,其质量流量检测采用的都是科里奥利的基本原理 ,通过直接或间接测量在振动的管道中流动的流体所产生的科氏力从而测得质量流量 。
  一台质量流量计由传感器和信号处理变送器两部分组成 ,传感器包含流量管、检测线圈、驱动线圈、温度传感器等,驱动线圈使流量管产生恒定振幅的振动 , 流体在振动的管道中流动使恒定的振动发生变化 , 形成科氏力 ,从而使流量管发生扭曲 ,测量管扭曲的程度与流体流过测量管的质量流量成正比, 不同形状的流量管产生不同性质的科氏力 ,变送器负责将检测到的流量管运动的相位差信号进行放大、修正 、滤波等转换成所需要的标准信号传送出去 。

3 .2 .2、质量流量计的特点:
(1)精度最高 。质量流量计是目前公认的精度最高、重复性最好的一种流量计, 精度等级大于 0 .2 %, 一般为0 .15 %, 多用于贸易结算和高精度测量 。
(2)稳定性好 。质量流量计内部无机械传动机构, 仪表从出厂到使用过程中都有良好的稳定性 ,使用寿命长, 明显优于其他传统仪表 。
(3)便于维护。质量流量计无可动部件, 流量管内无障碍物, 性能稳定,故障率低,无需经常维护。
(4)应用范围广 。测量方便, 配合数字化显示仪表,方便显示流体的在线测量值及温度 、密度值等, 可测量多个参数 ,应用于多种行业 。
(5)受介质制约因素少。介质的密度 、黏度、温度、压力 、电导率等特性对测量结果影响小 ,安装时无上下直管段要求。
(6)体积较大。质量流量计的测量原理决定了测量系统的复杂性,科氏力是一个十分微小的变化力,为精确地测量其相位差 ,需放大其流量管长度,这样就造成其体积较大 。目前质量流量计正在向精小型发展。
(7)价格偏高。特殊的结构、良好的测量精度决定了其高昂的价格 ,一次性投入较大,但长期的使用寿命和低廉的维护成本大大提高了其性价比 。

3 .2 .3、质量流量计的安装及使用:
  质量流量计是一种精密的流量仪表 ,在安装及使用过程中应特别注意以下 4 点。
(1)注意流量计的安装方式 。安装时应采取外壳向下安装,这样可以避免有气体聚集在传感器内 ,影响测量 ;只有在测量气体介质时才采取外壳向上安装的方式,这样可以避免液体滞留在振动管内, 影响测量精度。
(2)质量流量计对外界的振动干扰比较敏感, 安装时流量管道应保持水平, 并且尽量把流量计安装在最低处 ,同时应对管道做加固处理,以确保管道尽可能地减少振动 。
(3)传感器的安装位置应尽量远离电磁干扰, 同时远离加料泵,距离至少在 10 m 以上。
(4)在初次安装和大修拆装 、送检后 , 都要对质量流量计进行满管清零 ,以确保计量的准确度。

3 .2 .4 、运行故障分析:
  质量流量计一般很少出现故障 ,但是若管理不善 ,也会产生一些故障 ,从变送器的表头错误代码即可判断故障原因。
(1)Drive Overrange 或 Input Overrange:即变送器中产生错误输出, 流速超出传感器量程 。应检查传感器与变送器之间的线路是否正常 , 依次检查驱动线圈是开路或是短路 、检测线圈是开路还是短路 。
(2)Sensor Error :即电缆出现问题 , 检查检测线圈是开路或是短路。
(3)Power Reset :电源出现故障 ,监测电源系统是否正常。
(4)Zero Too High 或 Zero Too Low :表示零点偏移太大 ,应确保在流体完全终止流动时调校零点 。仪表的智能化显示为生产维护提供了良好的监测平台 ,通过不同的故障提示, 使人们能够方便、快捷地查找故障原因 ,从而提高了工作效率 。

4、结语:
  综合某氯碱发展公司多年来的使用经验 ,在单体加料流量计的选择上 ,无论是涡轮流量计还是质量流量计都是实用的。涡轮流量计结构简单、价格便宜 ,但存在机械磨损, 需要定期维护 、更换易损部件;质量流量计价格昂贵 ,但性能稳定, 维护量小。各个厂家在流量计的选择上应综合企业的实际情况 ,选择一种适合自身现状的流量计 。