利用差壓變送器組合成基于密度法的一種氨水濃度計

摘 要 本氨水濃度計主要采用一臺差壓變送器，通過測量一定高度氨水的重力，利用DCS 系統換算出相應密度，并通過自動查表方法獲取氨水濃度。該方法原理簡單，操作方便，投入小，測量準確度較高。

        河南晉開化工投資控股集團有限責任公司是河南省百強企業，公司總氨生產能力260 萬噸/ 年，尿素生產能力210 萬噸/ 年，復合肥生產能力100 萬噸/ 年，植物營養液生產能力100 萬噸/ 年，是國家級高新技術企業，建有省級企業技術中心，擁有目前國內最大的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處于全國行業前列。

1 密度法測氨水濃度原理
        在實際測量過程中，使用差壓變送器測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P=ρgh，ρ=P/gh，很容易得到ρ 值，進而查表得到氨水濃度。隨著自動化系統的不斷發展，功能逐步強大，應用越來越方便，使用領域也越來越廣泛，尤其是在化工企業中，先進的DCS 系統得到廣泛應用。利用仕樂克差壓變送器測量的壓差值引入到DCS 系統中，利用DCS 系統輸入相關的計算公式，快速計算出氨水密度，再利用其自動查表功能，可以直接方便的得到測量結果。

2 氨水濃度計的提出
        我公司為合成氨生產單位，在合成氨生產過程中，合成裝置放空氣體中含有部分氣氨。在早期合成氨企業中，未對這部分氨氣進行回收，既浪費了資源，又對環境造成了一定的污染，對企業員工身體造成一定損傷。同時，氨具有一定的腐蝕性，空氣中含有過量的氨也會對生產設備造成一定的腐蝕。隨著環保要求與環保意識的不斷提高，為了減小環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，排放氣體從塔底進入，經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。生產出的低濃度氨水用于鍋爐煙氣脫硫、脫硝系統。為提高煙氣脫硫效率，滿足環保要求，需要對加入氨水量進行精確控制，除了需要計量氨水流量外，還需要監控氨水濃度，因此提出增加一臺氨水濃度計，用于實時監控、調整氨水濃度。

3 氨水濃度計結構設計與安裝
在明確了密度法測量氨水濃度原理后，需要確定仕樂克差壓變送器的選型、安裝位置、安裝方式。為確保測量的準確性，應選取溫度相對恒定、流速穩定、無氣泡干擾、無振動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，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，不會形成流體死角，使得支管段介質能夠及時更新，避免因支管段介質不流通或流通緩慢造成測量偏差或滯后；2）支管段流速低于主管道，流體特性穩定，無氣泡干擾，便于測量。差壓變送器安裝如圖1 所示。

支管段及差壓變送器正負導壓管采用不銹鋼材質，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置
         為了便于測量方便，差壓變送器兩取壓口距離設計為H=1 020mm，據查開封地區g=9.8N/kg。由于氨水密度小于水的密度，因此，壓力變送器量程設置最大值應為氨水濃度為0 時即管道里全為水時的壓差值，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。通過對比各型差壓變送器，最終選用橫河EJA110A-DMS5A-27DC/NS1 型差壓變送器。該型變送器最大測量范圍為-100 ～ 100kPa，滿足本密度計測量要求，同時該型變送器價格低，測量精度較好。

5 程序組態
         完成差壓變送器安裝后，對軟件部分進行組態。在儀表檢測回路中，差壓變送器將正負兩端差壓值轉換成4 ～ 20mADC 電流信號，通過儀表電纜外送至DCS 系統，其送出的4 ～ 20mADC 信號，對應壓差值0kPa ～ 10kPa，且電流信號與壓力呈線性關系。因此，壓差值△ P 可直接通過傳送的電流數據I 轉換獲得，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 為實時測量值，因此很容易計算出ρ 值，即氨水密度值。在獲取氨水密度后，利用DCS 系統強大的數據處理及計算功能，完成對應濃度的查詢計算工作。我公司使用的DCS 系統為美國Honeywell 公司EPKS 400 系列DCS 系統，為目前國際主流DCS 系統，由于其優越的性能及高可靠性，廣泛應用于石化、煤化工等行業，分段查表設置( 部分)如圖2 所示。

6 使用效果
         在自動氨水濃度計投用后，為檢查濃度儀的測量準確性，采取定點人工手動測量方式檢查氨水濃度，并與自動濃度儀進行比較。經多次比較不同時間段分析結果發現，兩者偏差值在0.5w/% 以內。在測量時效性上，由于仕樂克差壓變送器測量的是實時壓差，上傳至DCS 系統，通過DCS 系統快速強大計算功能，能夠快速計算出氨水濃度，整個數據傳輸及計算過程在1s 以內，在時效性方面達到專業在線氨水濃度計水平。

7 結論
         化工企業中使用眾多各種儀表，儀表類型不同其測量原理不同。在進行儀表選型、設計時，根據被測介質不同，選擇合適的測量儀表。在掌握不同儀表的測量原理后，可以根據實際應用要求，對現有儀表進行簡單研究改造，既可以解決使用需求，同時也為公司節省設備開支，還可以提高技術人員綜合技術水平，對企業發展起到一定的推動作用。

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