利用差壓變送器組合成基于密度法的一種氨水濃度計(jì)

本氨水濃度計(jì)主要采用一臺(tái)差壓變送器，通過測(cè)量一定高度氨水的重力，利用DCS 系統(tǒng)換算出相應(yīng)密度，并通過自動(dòng)查表方法獲取氨水濃度。該方法原理簡單，操作方便，投入小，測(cè)量準(zhǔn)確度較高。

    河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司是河南省百強(qiáng)企業(yè)，公司總氨生產(chǎn)能力260 萬噸/ 年，尿素生產(chǎn)能力210 萬噸/ 年，復(fù)合肥生產(chǎn)能力100 萬噸/ 年，植物營養(yǎng)液生產(chǎn)能力100 萬噸/ 年，是國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，建有省級(jí)企業(yè)技術(shù)中心，擁有目前國內(nèi)非常大的4×300kt/a 航天粉煤加壓氣化爐，其所掌握的航天粉煤加壓氣化技術(shù)處于全國行業(yè)前列。

1 密度法測(cè)氨水濃度原理

     在實(shí)際測(cè)量過程中，使用差壓變送器測(cè)量一定高度的氨水液柱的壓力P，由于g（重力加速度）和h（液柱高度）值已知固定值，根據(jù)P=ρgh，ρ=P/gh，很容易得到ρ 值，進(jìn)而查表得到氨水濃度。隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷發(fā)展，功能逐步強(qiáng)大，應(yīng)用越來越方便，使用領(lǐng)域也越來越廣泛，尤其是在化工企業(yè)中，先進(jìn)的DCS 系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。利用三暢差壓變送器測(cè)量的壓差值引入到DCS 系統(tǒng)中，利用DCS 系統(tǒng)輸入相關(guān)的計(jì)算公式，快速計(jì)算出氨水密度，再利用其自動(dòng)查表功能，可以直接方便的得到測(cè)量結(jié)果。

2 氨水濃度計(jì)的提出

     我公司為合成氨生產(chǎn)單位，在合成氨生產(chǎn)過程中，合成裝置放空氣體中含有部分氣氨。在早期合成氨企業(yè)中，未對(duì)這部分氨氣進(jìn)行回收，既浪費(fèi)了資源，又對(duì)環(huán)境造成了一定的污染，對(duì)企業(yè)員工身體造成一定損傷。同時(shí)，氨具有一定的腐蝕性，空氣中含有過量的氨也會(huì)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備造成一定的腐蝕。隨著環(huán)保要求與環(huán)保意識(shí)的不斷提高，為了減小環(huán)境污染并回收排放氨氣，我公司新增了一套氣氨回收裝置。該氣氨回收裝置主要工作原理利用水溶解吸收氨氣，就在氣體放空管線中增加一個(gè)吸收塔，該塔為板式塔，中間有塔板，在塔板頂部加入噴淋脫鹽水，排放氣體從塔底進(jìn)入，經(jīng)過噴淋脫鹽水充分吸收后，其他不易溶于水的氣體組分從塔頂排放。脫鹽水吸收氣氨后形成一定濃度的氨水。生產(chǎn)出的低濃度氨水用于鍋爐煙氣脫硫、脫硝系統(tǒng)。為提高煙氣脫硫效率，滿足環(huán)保要求，需要對(duì)加入氨水量進(jìn)行精確控制，除了需要計(jì)量氨水流量外，還需要監(jiān)控氨水濃度，因此提出增加一臺(tái)氨水濃度計(jì)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整氨水濃度。

3 氨水濃度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝

在明確了密度法測(cè)量氨水濃度原理后，需要確定三暢差壓變送器的選型、安裝位置、安裝方式。為確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)選取溫度相對(duì)恒定、流速穩(wěn)定、無氣泡干擾、無振動(dòng)等因素影響的直管段。因此，選取氨水外送管線中的一段豎直管道，平行增加一段分支管線。在制作管線時(shí)，使氨水流入、流出分支管線與主管道有約60°斜角，其主要作用有兩個(gè)方面：1）主管道與分支管線保持一定斜角，保證氨水可以流入支管，且整體管道中無90°直角管路，不會(huì)形成流體死角，使得支管段介質(zhì)能夠及時(shí)更新，避免因支管段介質(zhì)不流通或流通緩慢造成測(cè)量偏差或滯后；2）支管段流速低于主管道，流體特性穩(wěn)定，無氣泡干擾，便于測(cè)量。差壓變送器安裝如圖1 所示。

氨水濃度計(jì)安裝結(jié)構(gòu)簡圖

支管段及差壓變送器正負(fù)導(dǎo)壓管采用不銹鋼材質(zhì)，避免氨水腐蝕，保證管線及儀表可以長周期使用。

4 差壓變送器選擇與設(shè)置

     為了便于測(cè)量方便，差壓變送器兩取壓口距離設(shè)計(jì)為H=1 020mm，據(jù)查開封地區(qū)g=9.8N/kg。由于氨水密度小于水的密度，因此，壓力變送器量程設(shè)置非常大值應(yīng)為氨水濃度為0 時(shí)即管道里全為水時(shí)的壓差值，即：

     △ P=ρ 水gH=1000kg/m3×9.8N/kg×1 020mm=10000N/m2=10kPa

     由于氨水濃度測(cè)量管線短，兩取壓口壓差值為10kPa，在變送器選型上，選擇一種低壓差的變送器即可滿足使用要求。通過對(duì)比各型差壓變送器，非常終選用橫河EJA110A-DMS5A-27DC/NS1 型差壓變送器。該型變送器非常大測(cè)量范圍為-100 ～ 100kPa，滿足本密度計(jì)測(cè)量要求，同時(shí)該型變送器價(jià)格低，測(cè)量精度較好。

5 程序組態(tài)

     完成差壓變送器安裝后，對(duì)軟件部分進(jìn)行組態(tài)。在儀表檢測(cè)回路中，差壓變送器將正負(fù)兩端差壓值轉(zhuǎn)換成4 ～ 20mADC 電流信號(hào)，通過儀表電纜外送至DCS 系統(tǒng)，其送出的4 ～ 20mADC 信號(hào)，對(duì)應(yīng)壓差值0kPa ～ 10kPa，且電流信號(hào)與壓力呈線性關(guān)系。因此，壓差值△ P 可直接通過傳送的電流數(shù)據(jù)I 轉(zhuǎn)換獲得，即：

    △ P/10=(I-4)/(20-4)

    △ P=10×(I -4)/(20-4)

    又由于△ P=ρgH得出：ρ= △ P/(gH)

    由于g、H 均為已知固定值，△ P 為實(shí)時(shí)測(cè)量值，因此很容易計(jì)算出ρ 值，即氨水密度值。在獲取氨水密度后，利用DCS 系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及計(jì)算功能，完成對(duì)應(yīng)濃度的查詢計(jì)算工作。我公司使用的DCS 系統(tǒng)為美國Honeywell 公司EPKS 400 系列DCS 系統(tǒng)，為目前國際主流DCS 系統(tǒng)，由于其優(yōu)越的性能及高可靠性，廣泛應(yīng)用于石化、煤化工等行業(yè)，分段查表設(shè)置( 部分)如圖2 所示。

6 使用效果

      在自動(dòng)氨水濃度計(jì)投用后，為檢查濃度儀的測(cè)量準(zhǔn)確性，采取定點(diǎn)人工手動(dòng)測(cè)量方式檢查氨水濃度，并與自動(dòng)濃度儀進(jìn)行比較。經(jīng)多次比較不同時(shí)間段分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者偏差值在0.5w/% 以內(nèi)。在測(cè)量時(shí)效性上，由于三暢差壓變送器測(cè)量的是實(shí)時(shí)壓差，上傳至DCS 系統(tǒng)，通過DCS 系統(tǒng)快速強(qiáng)大計(jì)算功能，能夠快速計(jì)算出氨水濃度，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸及計(jì)算過程在1s 以內(nèi)，在時(shí)效性方面達(dá)到專業(yè)在線氨水濃度計(jì)水平。

氨水濃度對(duì)照表

7 結(jié)論

      化工企業(yè)中使用眾多各種儀表，儀表類型不同其測(cè)量原理不同。在進(jìn)行儀表選型、設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)被測(cè)介質(zhì)不同，選擇合適的測(cè)量儀表。在掌握不同儀表的測(cè)量原理后，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，對(duì)現(xiàn)有儀表進(jìn)行簡單研究改造，既可以解決使用需求，同時(shí)也為公司節(jié)省設(shè)備開支，還可以提高技術(shù)人員綜合技術(shù)水平，對(duì)企業(yè)發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。