基于密度法的一种氨水浓度计

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摘 要 本氨水浓度计主要采用一台差压变送器，通过测量一定高度氨水的重力，利用DCS系统换算出相应密度，并通过自动查表方法获取氨水浓度。该方法原理简单，操作方便，投入小，测量准确度较高。

关键词 氨水浓度计；密度法；DCS系统；差压变送器；自动查表

中图分类号 TB2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）170-0155-02

河南晋开化工投资控股集团有限责任公司是河南省百强企业，公司总氨生产能力260万吨/年，尿素生产能力210万吨/年，复合肥生产能力100万吨/年，植物营养液生产能力100万吨/年，是国家级高新技术企业，建有省级企业技术中心，拥有目前国内最大的4×300kt/a航天粉煤加压气化炉，其所掌握的航天粉煤加压气化技术处于全国行业前列。

1 密度法测氨水浓度原理

在实际测量过程中，使用差压变送器测量一定高度的氨水液柱的压力P，由于g（重力加速度）和h（液柱高度）值已知固定值，根据P=ρgh，ρ=P/gh，很容易得到ρ值，进而查表得到氨水浓度。随着自动化系统的不断发展，功能逐步强大，应用越来越方便，使用领域也越来越广泛，尤其是在化工企业中，先进的DCS系统得到广泛应用。利用差压变送器测量的压差值引入到DCS系统中，利用DCS系统输入相关的计算公式，快速计算出氨水密度，再利用其自动查表功能，可以直接方便的得到测量结果。

2 氨水浓度计的提出

我公司为合成氨生产单位，在合成氨生产过程中，合成装置放空气体中含有部分气氨。在早期合成氨企业中，未对这部分氨气进行回收，既浪费了资源，又对环境造成了一定的污染，对企业员工身体造成一定损伤。同时，氨具有一定的腐蚀性，空气中含有过量的氨也会对生产设备造成一定的腐蚀。随着环保要求与环保意识的不断提高，为了减小环境污染并回收排放氨气，我公司新增了一套气氨回收装置。该气氨回收装置主要工作原理利用水溶解吸收氨气，就在气体放空管线中增加一个吸收塔，该塔为板式塔，中间有塔板，在塔板顶部加入喷淋脱盐水，排放气体从塔底进入，经过喷淋脱盐水充分吸收后，其他不易溶于水的气体组分从塔顶排放。脱盐水吸收气氨后形成一定浓度的氨水。生产出的低浓度氨水用于锅炉烟气脱硫、脱硝系统。为提高烟气脱硫效率，满足环保要求，需要对加入氨水量进行精确控制，除了需要计量氨水流量外，还需要监控氨水浓度，因此提出增加一台氨水浓度计，用于实时监控、调整氨水浓度。

3 氨水浓度计结构设计与安装

在明确了密度法测量氨水浓度原理后，需要确定差压变送器的选型、安装位置、安装方式。为确保测量的准确性，应选取温度相对恒定、流速稳定、无气泡干扰、无振动等因素影响的直管段。因此，选取氨水外送管线中的一段竖直管道，平行增加一段分支管线。在制作管线时，使氨水流入、流出分支管线与主管道有约60°斜角，其主要作用有两个方面：1）主管道与分支管线保持一定斜角，保证氨水可以流入支管，且整体管道中无90°直角管路，不会形成流体死角，使得支管段介质能够及时更新，避免因支管段介质不流通或流通缓慢造成测量偏差或滞后；2）支管段流速低于主管道，流体特性稳定，无气泡干扰，便于测量。差压变送器安装如图1所示。

支管段及差压变送器正负导压管采用不锈钢材质，避免氨水腐蚀，保证管线及仪表可以长周期使用。

4 差压变送器选择与设置

为了便于测量方便，差压变送器两取压口距离设计为H=1 020mm，据查开封地区g=9.8N/kg。由于氨水密度小于水的密度，因此，压力变送器量程设置最大值应为氨水浓度为0时即管道里全为水时的压差值，即：

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

由于氨水浓度测量管线短，两取压口压差值为10kPa，在变送器选型上，选择一种低压差的变送器即可满足使用要求。通过对比各型差压变送器，最终选用横河EJA110A-DMS5A-27DC/NS1型差压变送器。该型变送器最大测量范围为-100～100kPa，满足本密度计测量要求，同时该型变送器价格低，测量精度较好。

5 程序组态

完成差压变送器安装后，对软件部分进行组态。在仪表检测回路中，差压变送器将正负两端差压值转换成4～20mADC电流信号，通过仪表电缆外送至DCS系统，其送出的4～20mADC信号，对应压差值0kPa～10kPa，且电流信号与压力呈线性关系。因此，压差值P可直接通过传送的电流数据I转换获得，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均为已知固定值，P为实时测量值，因此很容易计算出ρ值，即氨水密度值。在获取氨水密度后，利用DCS系统强大的数据处理及计算功能，完成对应浓度的查询计算工作。我公司使用的DCS系统为美国Honeywell公司EPKS 400系列DCS系统，为目前国际主流DCS系统，由于其优越的性能及高可靠性，广泛应用于石化、煤化工等行业，分段查表设置（部分）如图2所示。

6 使用效果

在自动氨水浓度计投用后，为检查浓度仪的测量准确性，采取定点人工手动测量方式检查氨水浓度，并与自动浓度仪进行比较。经多次比较不同时间段分析结果发现，两者偏差值在0.5w/%以内。在测量时效性上，由于差压变送器测量的是实时压差，上传至DCS系统，通过DCS系统快速强大计算功能，能够快速计算出氨水浓度，整个数据传输及计算过程在1s以内，在时效性方面达到专业在线氨水浓度计水平。

7 结论

化工企业中使用众多各种仪表，仪表类型不同其测量原理不同。在进行仪表选型、设计时，根据被测介质不同，选择合适的测量仪表。在掌握不同仪表的测量原理后，可以根据实际应用要求，对现有仪表进行简单研究改造，既可以解决使用需求，同时也为公司节省设备开支，还可以提高技术人员综合技术水平，对企业发展起到一定的推动作用。

参考文献

[1]彭展，林湘，张季.小改造解仪表数据波动难题[N].中国石化报，2015-09-10.

[2]刘军.新型高效等压氨回收塔的设计及使用[J].小氮肥，2006（3）：12-15.