李蓉

(中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

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PTA稱重系統(tǒng)在聚酯裝置中的應(yīng)用

李蓉

(中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

摘要：聚酯裝置中乙二醇與PTA摩爾比的變化會(huì)造成酯化工藝的波動(dòng)，而PTA固體粉料的精確測(cè)量，將直接影響漿料配比的密度，對(duì)聚酯裝置的生產(chǎn)至關(guān)重要。根據(jù)PTA固體粉料的特點(diǎn)，從科氏固體質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理及組成、PTA稱重系統(tǒng)的組成、安裝、調(diào)試及維護(hù)等幾個(gè)方面介紹了PTA稱重系統(tǒng)在聚酯裝置中的應(yīng)用。在數(shù)十套聚酯裝置生產(chǎn)應(yīng)用中表明： 利用科里奧利原理設(shè)計(jì)的固體質(zhì)量流量計(jì)及其稱重系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PTA固體粉料高精度、高可靠性、高可操作性的給料稱重控制。

關(guān)鍵詞：科里奧利固體質(zhì)量流量計(jì)PTA稱重系統(tǒng)聚酯裝置

在聚酯裝置中，漿料的配制是最重要的工藝環(huán)節(jié)之一，由于乙二醇與PTA摩爾比的變化會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，為此設(shè)計(jì)了漿料配制的摩爾比控制回路。在此回路中PTA粉料的精確稱量和控制，是保證工藝過程連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和生產(chǎn)高質(zhì)量聚酯熔體的關(guān)鍵因素，因而PTA給料稱量控制系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠、靈敏等特點(diǎn)。PTA原料為白色固體粉末，從大量的應(yīng)用中得出對(duì)其流量的測(cè)量宜采用應(yīng)力式固體質(zhì)量流量計(jì)。利用科里奧利原理設(shè)計(jì)的固體質(zhì)量流量計(jì)對(duì)PTA固體粉料進(jìn)行流量測(cè)量，具有較高的準(zhǔn)確度和良好的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、高可操作性的給料稱重控制。

1科氏固體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理

科氏固體質(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)科里奧利(Coriolis)原理的連續(xù)質(zhì)量流量測(cè)量，其測(cè)量原理適用于測(cè)量固體粉末狀物料，并保證了測(cè)量的高精度。

1.1科里奧利原理

質(zhì)量微粒在以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)中除受到離心力FZ和摩擦力FR外，還受到垂直于其運(yùn)動(dòng)方向的慣性力FC的作用，通過測(cè)量該力，可測(cè)得質(zhì)量m，即科里奧利原理，如圖1所示。

圖1　科里奧利原理示意

1.2科氏固體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理

科氏固體質(zhì)量流量計(jì)利用了理論力學(xué)中的科里奧利定理及相應(yīng)的科里奧利力，測(cè)量原理的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)以恒定速度轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量輪，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的測(cè)量輪被葉片分成數(shù)個(gè)導(dǎo)流槽，固體物料由測(cè)量輪中心上方進(jìn)入，經(jīng)過錐形的導(dǎo)向裝置后，物流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入葉片之間的導(dǎo)流槽中。物流被以恒定角速度ω旋轉(zhuǎn)著的導(dǎo)向葉片虜獲，因受離心力FZ的加速作用而向測(cè)量輪外邊緣運(yùn)動(dòng)，并沿導(dǎo)向葉片的拋物緣離開測(cè)量輪。物料流在測(cè)量輪內(nèi)受到導(dǎo)向葉片的限制而運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生科氏加速度和科里奧利力FC，科里奧利力對(duì)測(cè)量輪中心產(chǎn)生一個(gè)與其旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩M。因離心力FZ和摩擦力FR都不能在測(cè)量輪徑向上產(chǎn)生力矩，因此通過測(cè)量固體物料所受FC對(duì)測(cè)量輪的反作用力矩可測(cè)得質(zhì)量流量。其計(jì)算公式為

(1)

式中：M——測(cè)量輪所受力矩，N·m，M=FCR；qm——質(zhì)量流量，t/h；ω——測(cè)量輪角速度，rad/s；R——測(cè)量輪半徑，m。

圖2　測(cè)量輪基本結(jié)構(gòu)示意

從式(1)中可以看出，在ω恒定時(shí)，轉(zhuǎn)矩M正比于質(zhì)量流量qm，式中沒有其他的不定因素，只要能精確地測(cè)定轉(zhuǎn)矩M和保持ω的恒定，即可準(zhǔn)確地測(cè)量出物料的質(zhì)量流量qm。相比于其他固體質(zhì)量流量計(jì)，科氏質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度對(duì)物料的物理特性(密度、溫度、摩擦力等)、進(jìn)料速度、物料下落高度和不同速度物料層之間的摩擦等因素不敏感，在測(cè)量固體物料時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)，其測(cè)量準(zhǔn)確度一般可以達(dá)到被測(cè)流量的±0.5%。

2固體質(zhì)量流量計(jì)的組成

中國(guó)昆侖工程公司在聚酯裝置中對(duì)PTA粉料進(jìn)行流量測(cè)量采用了國(guó)外引進(jìn)固體質(zhì)量流量計(jì)，由以下幾部分組成[5-6]：

1) 測(cè)量輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(measuring motor)。該馬達(dá)驅(qū)動(dòng)測(cè)量輪以恒定速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

2) 稱重傳感器(load cell)。它感受測(cè)量輪等速旋轉(zhuǎn)時(shí)作用在測(cè)量輪葉片上的力矩大小。該旋轉(zhuǎn)力矩通過測(cè)量輪軸及一個(gè)懸浮平衡支架的杠桿結(jié)構(gòu)傳遞到稱重傳感器上，稱重傳感器輸出的電壓與該旋轉(zhuǎn)力矩成正比。

3) 速度傳感器(speed transducer)。檢測(cè)測(cè)量輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，速度傳感器為感應(yīng)式接近開關(guān)，其產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖頻率信號(hào)。

4) 柔性連接(flexible connector)。保護(hù)測(cè)量轉(zhuǎn)軸處灰塵的進(jìn)入和減少由外殼振動(dòng)對(duì)測(cè)量元件的影響。

5) 測(cè)量輪(measuring rotor)。它是科氏固體質(zhì)量流量測(cè)量的核心部件，測(cè)量輪的幾何形狀、外形尺寸和葉片的數(shù)量是經(jīng)過精確計(jì)算和無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)后設(shè)計(jì)的。

式(1)中力矩M由稱重傳感器測(cè)得，測(cè)量輪角速度ω由速度傳感器測(cè)得。最終旋轉(zhuǎn)力矩和轉(zhuǎn)速送入控制器進(jìn)行運(yùn)算，得到物料的瞬時(shí)流量。

3PTA稱重系統(tǒng)的組成

固體質(zhì)量流量計(jì)僅作為流量測(cè)量計(jì)量設(shè)備，需要與預(yù)給料設(shè)備(如星形給料器、流量切斷閥和振動(dòng)篩等)配合使用，才能構(gòu)成PTA稱重給料系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3　PTA稱重及給料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1) 入口切斷蝶閥(inlet butterfly valve)。用于整個(gè)稱重系統(tǒng)的進(jìn)料，可以是手動(dòng)控制也可以自動(dòng)控制。

2) 星形給料器(star feeder，也叫旋轉(zhuǎn)閥)。由變頻器控制，主要用于將PTA粉料均勻下料到振動(dòng)篩內(nèi)。當(dāng)星形給料器旋轉(zhuǎn)時(shí)，即把PTA粉料刮到下料管內(nèi)，星形給料器轉(zhuǎn)動(dòng)越快，刮進(jìn)去的物料就越多。在PTA給料控制閉環(huán)回路中，星形給料器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制器的輸出值改變其轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)PTA的下料量，且星形給料器上帶有用于軸氮封的電磁閥。

3) 振動(dòng)篩(screening machine)。因固體顆粒過大不能通過固體質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量輪葉片，所以采用振動(dòng)篩分離固體粉料中的大顆粒及其他夾帶物。振動(dòng)篩入口接星形給料器的出口，其兩個(gè)出口一個(gè)接固體質(zhì)量流量計(jì)，另一個(gè)接廢料儲(chǔ)存罐。

4) 固體質(zhì)量流量計(jì)(solid mass flow meter)。適用于粉狀物料的通過量和消耗量的測(cè)量。物料流動(dòng)特性可以從自由流動(dòng)到輕微黏滯，不能測(cè)帶狀和結(jié)塊的物料，其結(jié)構(gòu)原理如前所述。

5) 出口切斷蝶閥(outlet butterfly valve)。自動(dòng)控制，能快速動(dòng)作，電磁閥雙線圈設(shè)計(jì)，用于斷電時(shí)位置保持，與下游漿料調(diào)配過程聯(lián)鎖。出口切斷蝶閥還用于在不給料時(shí)防止?jié){料調(diào)配罐內(nèi)氣體向上進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)。蝶閥下方配有給料錐，用于輔助下料，防止物料粘壁。給料錐左右兩側(cè)各有一個(gè)氮?dú)鈬娮欤呻姶砰y控制，在蝶閥打開時(shí)，即給料時(shí)進(jìn)行脈沖式定量氮吹。

4控制器

控制器是PTA給料稱量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，裝配到隨機(jī)供貨的PLC控制柜門上?？刂乒駜?nèi)除了控制器，還有電源、變頻器、PLC、安全柵和轉(zhuǎn)換器等。該控制器是一個(gè)專用的多功能控制器，其接收速度傳感器傳來的速度信號(hào)和稱重傳感器送來的旋轉(zhuǎn)力矩信號(hào)，根據(jù)這2個(gè)信號(hào)大小，計(jì)算出PTA粉料的流量，從而完成了流量的檢測(cè)。控制器將測(cè)得的實(shí)際流量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，及時(shí)輸出反饋信號(hào)調(diào)節(jié)星形給料器的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)給料流量控制，設(shè)定值可以由DCS給定或內(nèi)部給定。除此之外控制器還完成啟停聯(lián)鎖、顯示/操作/組態(tài)、狀態(tài)識(shí)別和故障診斷[8-9]。

5安裝與調(diào)試

PTA稱重系統(tǒng)作為特殊儀表，其使用效果與方案設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試密切相關(guān)，尤其是安裝與調(diào)試的效果會(huì)直接影響測(cè)量精度。

PTA稱重系統(tǒng)在安裝時(shí)需注意以下問題： 設(shè)備在搬動(dòng)時(shí)受力點(diǎn)應(yīng)在各設(shè)備的起吊環(huán)上；質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)安裝在穩(wěn)固的支架上并固定，應(yīng)確保水平，不能傾斜；質(zhì)量流量計(jì)安裝場(chǎng)地應(yīng)避免過大的空氣對(duì)流、振動(dòng)源、高溫以及溫度變化過大等；振動(dòng)篩上下和質(zhì)量流量計(jì)出口管子應(yīng)使用軟連接；各設(shè)備應(yīng)可靠接地，避免外部干擾。

PTA稱重系統(tǒng)調(diào)試過程包括： 稱去皮重，稱帶料校正，帶料試運(yùn)行。調(diào)試過程應(yīng)在上電30min后進(jìn)行。

6影響測(cè)量精度的因素

PTA稱重系統(tǒng)中固體質(zhì)量流量計(jì)是整個(gè)稱重系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵設(shè)備，是影響測(cè)量精度的主要因素。使用時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

1) 支撐平臺(tái)的振動(dòng)和位移。質(zhì)量流量計(jì)支撐平臺(tái)的振動(dòng)頻率大于0.1g加速力時(shí)會(huì)影響測(cè)量精度，平臺(tái)的位移也會(huì)產(chǎn)生短暫的形變和傾斜，尤其由質(zhì)量流量計(jì)入口傳遞的形變可能會(huì)影響測(cè)量精度。在運(yùn)行過程中若出現(xiàn)上述干擾因素可通過觀察設(shè)備運(yùn)行情況判斷出來。檢查質(zhì)量流量計(jì)是否水平，是否有較大氣流通過，是否一側(cè)暴露在陽(yáng)光下，是否有在平臺(tái)上走動(dòng)導(dǎo)致的荷載變化。

2) 測(cè)量系統(tǒng)中的氣流和壓力變化。運(yùn)行過程中，若有較大氣流通過質(zhì)量流量計(jì)，會(huì)產(chǎn)生流速被誤當(dāng)作測(cè)量結(jié)果。可通過確保PTA料倉(cāng)和質(zhì)量流量計(jì)間的管路密閉來避免該干擾因素，同時(shí)需避免由下料錐處來自下游的氣體壓力的變化。

3) 測(cè)量輪積料和磨損。PTA粉料中含有黏性物質(zhì)或者濕度增加都可能造成測(cè)量輪上粘結(jié)物料。若測(cè)量輪上的積料是持久的、均勻的,則不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，但要避免積料的增加和不均勻厚度的出現(xiàn)。在使用中測(cè)量輪上做了PTFE涂層，可有效防止運(yùn)行過程中物料的堆積。當(dāng)物料有磨損性時(shí)，可選用耐磨襯里防止測(cè)量輪葉片的磨損。需盡可能利用每次停車的機(jī)會(huì)，檢查測(cè)量輪是否積料和磨損，即使在運(yùn)行期間也要定期檢查測(cè)量輪是否積料，并及時(shí)清理。另外，還要檢查測(cè)量輪的軸上是否纏有異物(如麻繩)，清理完后需要重新進(jìn)行皮重校正和零點(diǎn)校正。

4) 物料脈沖性波動(dòng)。進(jìn)入測(cè)量輪的PTA粉料如果產(chǎn)生脈沖波動(dòng)，會(huì)引起稱重傳感器信號(hào)波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。星形給料器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以保證均勻的下料，但需注意星形給料器的轉(zhuǎn)速不應(yīng)過慢。

7結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于聚酯生產(chǎn)裝置而言，PTA稱重系統(tǒng)的合理選用及正確的安裝、調(diào)試和日常維護(hù)為生產(chǎn)出合

格的聚酯產(chǎn)品發(fā)揮了重要的作用。在數(shù)十套聚酯裝置生產(chǎn)應(yīng)用中表明，該P(yáng)TA稱重系統(tǒng)能滿足對(duì)PTA粉料的精確稱量和控制。PTA稱重系統(tǒng)是將機(jī)械、電氣、電子、自動(dòng)控制結(jié)合在一起的計(jì)量裝置，具有獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域，在流程工業(yè)中起著不可替代的作用。

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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

中圖分類號(hào)：TH715.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)02-0044-03

作者簡(jiǎn)介：李蓉(1980—)，女，2006年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國(guó)昆侖工程公司，從事石油化工行業(yè)儀表及自動(dòng)控制的工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2014-10-31。