基于压力变送器的蒸压釜安全余压分析

□ 张驰宇 □ 邵东亮 □ 董文利 □ 孙振国 □ 顾海龙 □ 王 科 □ 崔 黎

江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院 江苏无锡 214000

1 蒸压釜事故分析及结构特点

蒸压釜广泛用于混凝土、水泥等建材行业,由于其两端快开门启闭频繁,容易造成爆炸事故。以往引起蒸压釜事故的原因主要是釜盖未完全闭合到位就加压,或者在釜内压力未排净就开盖。行业内一般把该带压开启门盖不至于引发安全事故的压力称为安全余压,传统安全联锁装置需要通过压力表来判断容器内残余蒸气是否排净,确认排净后,方可解锁蒸压釜釜门变速齿轮,打开釜盖。普通压力表的精度往往无法准确检测安全余压,且该安全联锁装置不是完全自动化,容易发生事故。因此,传统安全联锁装置结构亟待改造。随着人工智能和大数据等新技术的兴起,利用智能控制技术对传统快开门式压力容器安全联锁装置进行改造升级,实现智能安全连锁装置的数据分析、故障报警、自我保护和智能控制成为可能。

理想的安全余压值一般较低,从人身安全角度出发,一般将安全余压定为3.1 kPa,是一个微压值,笔者将讨论微压值对智能安全联锁装置中压力检测元件的使用所产生的影响。

2 安全余压设置

蒸压釜事故主要发生在关门升压前和釜内压力降为安全余压前开门阶段,可见釜内的安全余压是一个必须控制的重要因素,需要应用高精度压力变送器将该压力检测出来,然后再转换成电信号传给安全联锁装置进行控制。

压力变送器是目前自动化仪表中重要的一项产品,主要用于压力参数的测量和控制,其使用非常广泛。压力变送器工作原理为按照一定的规律将压力信号转换成电信号输出,电信号经放大,变为可传送的标准化输出信号。压力变送器按感压原理可分为电容式、谐振式、压阻式、力/力矩平衡式、电感式、应变式等。微压变送器通常可以检测小于10 kPa的压力,其最大量程与最小量程之比范围较小。

蒸压釜的使用参数中,工作压力为1.0 MPa～1.5 MPa,设计压力为1.4 MPa～1.6 MPa,安全阀整定压力为1.58 MPa,安全余压为3.1 kPa,设计温度为198～204.3 ℃。考虑到压力变送器使用时有输出过大过小、指示异常等故障,这就要求配套的压力变送器应具有使用温度较高、量程较大的特点,选用时应考虑以下几点。

(1) 压力。当蒸压釜内压力高于整定压力时,安全阀会开启,将压力降低。安全余压也是需要严格监测的值,当釜内压力高于安全余压时,智能联锁装置不能解锁。所以,压力变送器的选型只需要同时考虑整定压力和安全余压值。若压力变送器的量程上限选的太低,则长期在超压载荷下工作,压力变送器容易损坏。如果量程上限选的太高,那么会影响精度。一般压力变送器的量程比可以选在10∶1范围内,如果超出这个范围时,实际误差应为厂家说明书上提供的误差加上附加误差。由于目前技术的发展,大量程比压力变送器也能保持较高的精度,但因为精度通常与满量程成反比,所以应尽量选择小量程比的压力变送器来减少误差。

(2) 精度。精度是描述压力变送器输出误差常用的一个术语,这些误差可能来源于非线性、迟滞、零点平衡、校正方法等因素。压力变送器精度选的太低,会影响监测安全余压的准确性,选的太高,则不经济。压力变送器的精度等级见表1。最大允许误差和回差以输出量程的百分比表示。对于3.1 kPa安全余压标准,应选用较高精度等级的压力变送器。

表1 压力变送器精度等级

(3) 温度。蒸压釜内会通蒸汽,其设计温度最高为204.3 ℃。正常工作情况下,在一个工作日中釜门启闭可能达好几次,所以釜内的温度通常在0～204.3 ℃之间。高温环境下,测量介质的温度往往会超过变送器的正常工作范围,从而引起误差。常用的单晶硅芯体压力变送器测量温度在-20～60 ℃之间,这时就需要从釜体上焊接引压管来实现。

3 压力变送器选型及应用

选型有两种方案。

(1) 安全余压设为2 kPa,釜体引出引压管尺寸取φ25 mm×2.5 mm盘管,长度为1 m,接管与釜体全焊透。压力变送器与引压管相连,选择量程为0～1.6 MPa的单晶硅芯体压力变送器,精度等级选择0.075。按此规格计算,最大误差为±1.2 kPa,则测量该压力的最大误差值范围为0.8～3.2 kPa,满足胸部3 ms准则要求的3.1 kPa。胸部3 ms准则指作用在上胸部质心处的线性加速度超过60g的时间不超过3 ms。

(2) 安全余压设为3.1 kPa,釜体引出引压管尺寸取φ25 mm×2.5 mm盘管,长度为1 m,接管与釜体全焊透。采用双压力变送器方式,双压力变送器原理如图1所示。变送器1为0～1.6 MPa,变送器2为0～25 kPa,为单晶硅芯体,精度等级为0.075。两个压力变送器合并使用,变送器2下端安装电磁阀,并与控制器联动。以变送器1作为测量基准,当压力大于25 kPa时,关闭变送器2下方的电磁阀,低于25 kPa时打开变送器2下方的电磁阀,连锁装置的界限点使用变送器2,这样就可以有效提高测量精度至±0.018 75 kPa,此时测量该安全余压的最大误差值范围为3.18 kPa～3.22 kPa,与设定的安全余压相差非常小,可以忽略。

▲图1 双压力变送器原理

4 总结

压力变送器的使用对蒸压釜安全余压的设定是有影响的,除从人身安全角度考虑安全余压外,还应叠加考虑操作时仪表的测量偏差。

为了减小温度对测量安全余压的影响,应采用引出管结构。

尽量选用低量程比高精度压力变送器。

当采用单变送器方式时,安全余压取2 kPa。当采用双变送器方式时,安全余压取3.1 kPa。