3051SMV多变量变送器在丙烯腈装置空气进料流量测量中的应用

孙崇祥

（山东科鲁尔化学有限公司，山东 东营 257000）

丙烯腈装置以丙烯、氨、空气为原料，在430-450℃下，经流化床反应器生产丙烯腈、乙腈、氢氰酸等主副产物。原料空气用透平空气压缩机从大气经空气过滤器吸入空气，压缩后从流化床底部送入流化床反应器。空气流量做为反应器控制的重要参数，为保证丙烯装置反应过程的安全，不仅需要在DCS系统进行监控，也需要在SIS系统进行安全联锁监控。采用平衡流量计加3051SMV多变量变送器的测量模式，保证了测量的准确。

1 空气流量测量系统组成

为保证空气流量测量的准确及联锁控制的可靠，平衡流量计采取向上及左右间隔45°开3对取压口的方式。管道上安装三支热电阻，热电阻信号分别接入三台变送器，经多变量变送器计算后信号传输至SIS机柜的一进二出信号分配器，再分别进入SIS系统和DCS系统。进入SIS系统的数据经过三取二的表决方式，判断空气流量是否达到联锁值。进入DCS系统的数据经过三取中的方式，参与空气流量的调节，DCS经过PID计算输出信号至透平空气压缩机控制系统，通过调节透平转速的方式调节空气流量。

通过使用平衡流量计加3051SMV多变量变送器的测量模式，在现场实现就地温压补偿，一是解决了在SIS系统温压补偿计算复杂的问题，二是减少了传统温度、压力信号都接入控制系统，再做温压补偿的问题，节约了大量的时间和费用。

2 平衡流量计

丙烯腈装置空压机出口管道DN=1600mm，在这么大口径管道测量空气流量，如使用涡街流量计、涡轮流量计等流量计，则费用太昂贵。如使用插入式靶式流量计，则测量精度不能满足要求。传统孔板、喷嘴、文丘里管等差压式流量计已经标准化，统称为标准节流装置。标准节流装置不需要标定，只要严格按照标准进行弧度、坡口的加工，无需实流标定，就可以根据规定的计算方法得到差压和流量的对应关系就能获得规定的准确度，为用户带来方便。标准节流装置经过几十年的发展，作为经典流量测量装置，对流量的测量最稳定，相比随着科学技术发展，开发出的涡街流量计、超声波流量计，是最经得住考验的流量测量方式。

在几十年的应用中，通过工程技术人员对使用经验的累积，以及对经典差压式流量计计算公式的演变，开发出了精度更高、量程比更宽、压损更低的平衡流量计。平衡流量计是专门为对测量要求严苛的航天工业开发的，其优秀的性能表现使得它迅速在石油化工行业推广开来。为石油化工行业对大口径、高精度流量测量要求的，提供了新的选择。

3 空气流量的温压补偿

对于气体流量测量，由于气体分子之间的作用力小，是一种非常微弱的存在，所以气体的工况会随着温度和压力的变化而发生很大的变化。由于要尽量准确，而工艺条件在不断变化，即被测气体的温度、压力在不断变化中，造成被测气体的密度也就不断变化，如果不进行温压补偿，测量的气体流量肯定不会准确。气体温压补偿的意义就是将工况下测量的结果转换成对应的标况下测量结果，保证不同点测量的结果都在一个标准下，利于比较和统计。

我们常见的工况，都可以简化为理想气体，以方便利用标准气体方程实现温度、压力的补偿。下面我们通过不同工况下温度、压力对气体流量测量的影响进行展示。

设计状态下此处压缩空气的压力为0.16Mpa（G）、温度为150℃、流量86694.38Nm³/h。但在装置开车期间，后续工艺流程空气用量在20000Nm³/h左右。这时压缩空气管道内的压力、温度，均与设计温度、压力偏差较大。若此时的空气流量未经过温度、压力补偿，则实际流量与平衡流量计测得的流量差别较大，给工艺操作人员的操作，没有参考价值。且会因数据的不真实给装置运行带来风险。

按照公式：

式中，为标准状态下气体实际体积流量；qvn为标准状态下气体设计体积流量；p'为气体实际压力，kPa；p为气体设计压力，kPa；T'为气体实际温度，℃；T为气体设计温度，℃。

在压力120kPa、温度120℃下，未经温压补偿的流量为20000Nm³/h。经过温压补偿的流量为：

通过计算显而易见，为准确测量空气流量必须对测量数据进行温压补偿。因空气流量既要进入SIS参与联锁，又要进入DCS参与控制。在一般系统中，可采用SIS通信到DCS进行控制，但按照规范，因为通信数据的不稳定性，关键位置的控制，不得使用通信方式，必须使用硬接线方式。如要同时保证两套控制系统测量结果的准确，需要准备两套流量测量及温度、压力补偿系统，增加了投资及系统复杂性。

4 3051SMV多变量变送器

通过以上计算，我们得知空气流量测量的温压补偿是必须进行的。提到温压补偿，首先想到的就是流量积算仪。流量积算仪都有比较强大的功能，能与差压式流量计、速度式流量计配套使用，实现对流量的实时补偿，以消除实际工况与设计工况不同，带来的测量偏差。流量积算仪一般安装在流量仪表附近，化工现场仪表必须达到对应的防爆等级，这就要求流量积算仪需要配套安装笨重的防爆保护箱。通过图1传统流量测量结构图可以看出，每一路流量的测量都需要一台差压变送器、一台压力变送器、一台温度测量仪表。丙烯腈装置空气流量的测量是参与SIS联锁的重要参数，必须设置三取二模式，这就要求空气流量测量按照图1的结构安装3套。按照传统流量测量结构配置，会造成安装的仪表设备特别多。一是增加了设备的采购投资、施工投资；二是增加了故障点，给后期的运行维护带来很多不便，不符合方便设备设施维护的要求。

图1 传统流量测量结构图

图2 3051SMV流量测量结构图

而利用3051SMW变送器自带的静压传感器和差压传感器，分别测得过程压力和流量差压。现场安装的热电阻测温信号直接接入3051SMW变送器表头，通过变送器自带计算公式实时完成对空气流量的工况转标况计算。现场只需要一台多变量变送器和一个热电阻就能实现流量的精确测量，节约了变送器备件库存、节约安装成本。

5 结束语

3051SMV多变量变送器与平衡流量计的配合使用，实现了空气流量测量的就地温压补偿，实现了流量的精确测量，解决了空气流量在SIS系统中难以实现温压补偿的问题，为SIS系统可靠的安全联锁监控、DCS系统准确的流量控制提供了保障。