PTA称重系统在聚酯装置中的应用

李蓉

(中国昆仑工程公司，北京 100037)



PTA称重系统在聚酯装置中的应用

李蓉

(中国昆仑工程公司，北京 100037)

摘要：聚酯装置中乙二醇与PTA摩尔比的变化会造成酯化工艺的波动，而PTA固体粉料的精确测量，将直接影响浆料配比的密度，对聚酯装置的生产至关重要。根据PTA固体粉料的特点，从科氏固体质量流量计的测量原理及组成、PTA称重系统的组成、安装、调试及维护等几个方面介绍了PTA称重系统在聚酯装置中的应用。在数十套聚酯装置生产应用中表明： 利用科里奥利原理设计的固体质量流量计及其称重系统可以实现对PTA固体粉料高精度、高可靠性、高可操作性的给料称重控制。

关键词：科里奥利固体质量流量计PTA称重系统聚酯装置

在聚酯装置中，浆料的配制是最重要的工艺环节之一，由于乙二醇与PTA摩尔比的变化会造成产品质量的波动，为此设计了浆料配制的摩尔比控制回路。在此回路中PTA粉料的精确称量和控制，是保证工艺过程连续稳定运行和生产高质量聚酯熔体的关键因素，因而PTA给料称量控制系统必须具有稳定、准确、可靠、灵敏等特点。PTA原料为白色固体粉末，从大量的应用中得出对其流量的测量宜采用应力式固体质量流量计。利用科里奥利原理设计的固体质量流量计对PTA固体粉料进行流量测量，具有较高的准确度和良好的稳定性，可以实现高精度、高可靠性、高可操作性的给料称重控制。

1科氏固体质量流量计测量原理

科氏固体质量流量计是根据科里奥利(Coriolis)原理的连续质量流量测量，其测量原理适用于测量固体粉末状物料，并保证了测量的高精度。

1.1科里奥利原理

质量微粒在以角速度ω转动的系统中除受到离心力FZ和摩擦力FR外，还受到垂直于其运动方向的惯性力FC的作用，通过测量该力，可测得质量m，即科里奥利原理，如图1所示。

图1　科里奥利原理示意

1.2科氏固体质量流量计测量原理

科氏固体质量流量计利用了理论力学中的科里奥利定理及相应的科里奥利力，测量原理的实现需要一个以恒定速度转动的测量轮，其基本结构如图2所示。由电机驱动的测量轮被叶片分成数个导流槽，固体物料由测量轮中心上方进入，经过锥形的导向装置后，物流方向发生偏转，进入叶片之间的导流槽中。物流被以恒定角速度ω旋转着的导向叶片虏获，因受离心力FZ的加速作用而向测量轮外边缘运动，并沿导向叶片的抛物缘离开测量轮。物料流在测量轮内受到导向叶片的限制而运动，产生科氏加速度和科里奥利力FC，科里奥利力对测量轮中心产生一个与其旋转方向相反的力矩M。因离心力FZ和摩擦力FR都不能在测量轮径向上产生力矩，因此通过测量固体物料所受FC对测量轮的反作用力矩可测得质量流量。其计算公式为

(1)

式中：M——测量轮所受力矩，N·m，M=FCR；qm——质量流量，t/h；ω——测量轮角速度，rad/s；R——测量轮半径，m。

图2　测量轮基本结构示意

从式(1)中可以看出，在ω恒定时，转矩M正比于质量流量qm，式中没有其他的不定因素，只要能精确地测定转矩M和保持ω的恒定，即可准确地测量出物料的质量流量qm。相比于其他固体质量流量计，科氏质量流量计的测量精度对物料的物理特性(密度、温度、摩擦力等)、进料速度、物料下落高度和不同速度物料层之间的摩擦等因素不敏感，在测量固体物料时具有很大优势，其测量准确度一般可以达到被测流量的±0.5%。

2固体质量流量计的组成

中国昆仑工程公司在聚酯装置中对PTA粉料进行流量测量采用了国外引进固体质量流量计，由以下几部分组成[5-6]：

1) 测量轮驱动马达(measuring motor)。该马达驱动测量轮以恒定速度转动。

2) 称重传感器(load cell)。它感受测量轮等速旋转时作用在测量轮叶片上的力矩大小。该旋转力矩通过测量轮轴及一个悬浮平衡支架的杠杆结构传递到称重传感器上，称重传感器输出的电压与该旋转力矩成正比。

3) 速度传感器(speed transducer)。检测测量轮驱动马达的转速，速度传感器为感应式接近开关，其产生对应于电机转速的脉冲频率信号。

4) 柔性连接(flexible connector)。保护测量转轴处灰尘的进入和减少由外壳振动对测量元件的影响。

5) 测量轮(measuring rotor)。它是科氏固体质量流量测量的核心部件，测量轮的几何形状、外形尺寸和叶片的数量是经过精确计算和无数次实验后设计的。

式(1)中力矩M由称重传感器测得，测量轮角速度ω由速度传感器测得。最终旋转力矩和转速送入控制器进行运算，得到物料的瞬时流量。

3PTA称重系统的组成

固体质量流量计仅作为流量测量计量设备，需要与预给料设备(如星形给料器、流量切断阀和振动筛等)配合使用，才能构成PTA称重给料系统，如图3所示。

图3　PTA称重及给料系统结构示意

1) 入口切断蝶阀(inlet butterfly valve)。用于整个称重系统的进料，可以是手动控制也可以自动控制。

2) 星形给料器(star feeder，也叫旋转阀)。由变频器控制，主要用于将PTA粉料均匀下料到振动筛内。当星形给料器旋转时，即把PTA粉料刮到下料管内，星形给料器转动越快，刮进去的物料就越多。在PTA给料控制闭环回路中，星形给料器作为执行机构，根据控制器的输出值改变其转速，调节PTA的下料量，且星形给料器上带有用于轴氮封的电磁阀。

3) 振动筛(screening machine)。因固体颗粒过大不能通过固体质量流量计的测量轮叶片，所以采用振动筛分离固体粉料中的大颗粒及其他夹带物。振动筛入口接星形给料器的出口，其两个出口一个接固体质量流量计，另一个接废料储存罐。

4) 固体质量流量计(solid mass flow meter)。适用于粉状物料的通过量和消耗量的测量。物料流动特性可以从自由流动到轻微黏滞，不能测带状和结块的物料，其结构原理如前所述。

5) 出口切断蝶阀(outlet butterfly valve)。自动控制，能快速动作，电磁阀双线圈设计，用于断电时位置保持，与下游浆料调配过程联锁。出口切断蝶阀还用于在不给料时防止浆料调配罐内气体向上进入质量流量计。蝶阀下方配有给料锥，用于辅助下料，防止物料粘壁。给料锥左右两侧各有一个氮气喷嘴，由电磁阀控制，在蝶阀打开时，即给料时进行脉冲式定量氮吹。

4控制器

控制器是PTA给料称量控制系统的关键仪表，装配到随机供货的PLC控制柜门上。控制柜内除了控制器，还有电源、变频器、PLC、安全栅和转换器等。该控制器是一个专用的多功能控制器，其接收速度传感器传来的速度信号和称重传感器送来的旋转力矩信号，根据这2个信号大小，计算出PTA粉料的流量，从而完成了流量的检测。控制器将测得的实际流量值与设定值进行比较，及时输出反馈信号调节星形给料器的转速，实现给料流量控制，设定值可以由DCS给定或内部给定。除此之外控制器还完成启停联锁、显示/操作/组态、状态识别和故障诊断[8-9]。

5安装与调试

PTA称重系统作为特殊仪表，其使用效果与方案设计、安装、调试密切相关，尤其是安装与调试的效果会直接影响测量精度。

PTA称重系统在安装时需注意以下问题： 设备在搬动时受力点应在各设备的起吊环上；质量流量计应安装在稳固的支架上并固定，应确保水平，不能倾斜；质量流量计安装场地应避免过大的空气对流、振动源、高温以及温度变化过大等；振动筛上下和质量流量计出口管子应使用软连接；各设备应可靠接地，避免外部干扰。

PTA称重系统调试过程包括： 称去皮重，称带料校正，带料试运行。调试过程应在上电30min后进行。

6影响测量精度的因素

PTA称重系统中固体质量流量计是整个称重系统的基础和关键设备，是影响测量精度的主要因素。使用时需注意以下几点：

1) 支撑平台的振动和位移。质量流量计支撑平台的振动频率大于0.1g加速力时会影响测量精度，平台的位移也会产生短暂的形变和倾斜，尤其由质量流量计入口传递的形变可能会影响测量精度。在运行过程中若出现上述干扰因素可通过观察设备运行情况判断出来。检查质量流量计是否水平，是否有较大气流通过，是否一侧暴露在阳光下，是否有在平台上走动导致的荷载变化。

2) 测量系统中的气流和压力变化。运行过程中，若有较大气流通过质量流量计，会产生流速被误当作测量结果。可通过确保PTA料仓和质量流量计间的管路密闭来避免该干扰因素，同时需避免由下料锥处来自下游的气体压力的变化。

3) 测量轮积料和磨损。PTA粉料中含有黏性物质或者湿度增加都可能造成测量轮上粘结物料。若测量轮上的积料是持久的、均匀的,则不会影响测量结果，但要避免积料的增加和不均匀厚度的出现。在使用中测量轮上做了PTFE涂层，可有效防止运行过程中物料的堆积。当物料有磨损性时，可选用耐磨衬里防止测量轮叶片的磨损。需尽可能利用每次停车的机会，检查测量轮是否积料和磨损，即使在运行期间也要定期检查测量轮是否积料，并及时清理。另外，还要检查测量轮的轴上是否缠有异物(如麻绳)，清理完后需要重新进行皮重校正和零点校正。

4) 物料脉冲性波动。进入测量轮的PTA粉料如果产生脉冲波动，会引起称重传感器信号波动，导致测量不准确。星形给料器的设计结构可以保证均匀的下料，但需注意星形给料器的转速不应过慢。

7结束语

对于聚酯生产装置而言，PTA称重系统的合理选用及正确的安装、调试和日常维护为生产出合

格的聚酯产品发挥了重要的作用。在数十套聚酯装置生产应用中表明，该PTA称重系统能满足对PTA粉料的精确称量和控制。PTA称重系统是将机械、电气、电子、自动控制结合在一起的计量装置，具有独特的应用领域，在流程工业中起着不可替代的作用。

参考文献：

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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

中图分类号：TH715.1

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)02-0044-03

作者简介：李蓉(1980—)，女，2006年毕业于辽宁石油化工大学控制理论与控制工程专业，获工学硕士学位，现就职于中国昆仑工程公司，从事石油化工行业仪表及自动控制的工程设计工作，任工程师。

稿件收到日期： 2014-10-31。