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CPI中的无创温度测量

作者:Guruprasad Sosale

虽然热电偶套管已经得到了广泛的应用,但它们存在潜在的缺陷,可能会影响其性能。这里介绍了替代无创温度传感的好处

温度是工业过程中最重要的参数之一,是系统安全、产品质量和整体工艺效率的关键指标,并为操作人员提供确保工厂以最佳性能运行所需的信息。因此,理想情况下应尽可能广泛地测量温度,以提供对工艺条件的最佳概述。

本文讨论了传统热阱技术的局限性,以及无创温度测量如何发展成为具有成本竞争力的替代方案。

热电偶套管的问题

在化学加工工业(CPI)中,温度计套管经常被选择作为温度测量的首选方法。从本质上讲,温度计套管是保护测量传感器不受测量过程影响的金属护套,在CPI中已经变得很常见,从食品饮料到石油和天然气加工都被使用。虽然温度计套管可以有效地保护温度传感器,但它们的使用并非没有问题。

图1所示。温度套管需要在管道上钻孔,法兰用螺栓固定以支撑温度传感器

在这些问题中,最重要的是它们需要与过程介质进行物理接触,这意味着首先关闭管道,然后钻一个孔,探头可以通过这个孔插入(图1)。这也可能需要增加法兰或配件,以帮助保持管道完整性并满足安全要求。虽然这些设备通常提供准确和可靠的性能,但与安装相关的时间、成本和干扰往往限制了工艺中温度的广泛测量。

除了成本和时间外,安装温度计套管还会带来安全风险,特别是在液体可能以高速、高压或两者兼而有之的情况下,如果管道没有正确关闭,可能会造成伤害。

另一个挑战是被测介质的特性所引起的潜在并发症。物质可以是液体、气体或处于粘性或半粘性状态,或者在某些情况下是这些状态的组合,以不同的速度流动。这些物质的特性各不相同,从良性液体(如水)到腐蚀性化学物质或研磨混合物。在每种情况下,所使用的温度装置的设计都需要能够承受应用的严格要求,以提供可靠和安全的操作。

当温度计套管用于保护温度传感器时,它们还必须根据被测介质的特性进行设计,以帮助保护温度传感器免受化学和机械应力的影响。一个例子是悬浮在工艺中的磨料组件。当热电偶在管道中高速移动时,研磨颗粒会使热电偶受到冲刷,从而在很长一段时间内降低其使用寿命。虽然使用特殊的热电偶材料可以帮助解决这个问题,但它也会大大增加整体价格标签。为了防止磨蚀性和化学腐蚀性介质的影响,必须定期检查温度计套管,必要时更换。

为了避免过早磨损和潜在故障等问题,必须定期检查并在必要时更换温度计套管,这增加了成本。这些检查至少需要部分关闭,通常需要完全清空系统。此外,温度计套管还需要清洗,这可能会产生进一步的成本,包括在拆除探头时关闭管道所产生的成本。

除了增加成本外,使用温度计套管还会产生安全隐患。例如,放置在流动介质中的热电偶阱会由于涡流的形成而开始振动。在极端情况下,这种振动会导致热井破裂,这不仅对系统,而且对整个运行环境都会产生巨大的后果。

因此,规范温度计套管稳定性的标准,如ASME PTC 19.3 TW-2016,变得越来越严格,增加了工程成本,并限制了在某些情况下使用传统温度计套管的能力。

无创温度测量

图2。与温度计套管不同,非侵入式温度传感器安装在管道外,因此与管道内的流体接触没有任何问题

考虑到这些因素,由于非侵入式传感器技术,在许多情况下甚至不需要温度计井,这可能会让人松一口气(图2)。

非侵入性原则

为了理解无创温度测量技术是如何工作的,有必要首先了解液体或类液体混合物流动的典型管道的物理特性。管道中流动的行为被称为流动剖面。流动轮廓主要有三种类型,每一种都与液体的速度有关。这些类别被称为层流,过渡和湍流。

层流以稳定的低流量发生,流体以恒定的速度向同一方向移动。流体沉降成流线型层,流体内部的粘性力阻止了流线型层的移动,流速从壁面到截面中心呈众所周知的抛物线型增长,并有一个相对明显的边界层。

当流体速度的增加引起流动的扭曲,导致流体内的层变得混合时,就会发生过渡流动。这种混合导致流动在管道的不同位置同时表现出层流和湍流特征。

湍流以更快的流速发生,其中涡流和旋流通过形成各自的子扭曲而引起质量扭曲。这些质量扭曲导致流体内的层发生混合。得到的平均速度剖面在边界层厚度很小的情况下,在大部分横截面上是恒定的。

简单地说,流体横截面上的温差遵循一般的流动剖面。流体体温度与管道内壁的温差很大程度上取决于边界层厚度。

由于湍流流动是工业应用中最常见的流动类型,正是这种类型的流动为温度测量提供了有趣的可能性。温度分布的物理模型表明,相对于层流区,其代表性的温度是由边界层决定的,湍流区将有温度均匀分布在整个流动,在管道中心的温度和管壁的温度之间的差异很小。对于金属管来说,在这样的流动情况下,内外壁的温度会有一个可以忽略不计的温差——就像电一样,金属是非常好的热导体。

绝大多数现有的管道和未来的工厂都是金属的。这使得无创表面温度测量成为过程测量应用中越来越有吸引力的选择,其中约70%的安装具有湍流而不是层流。到目前为止,所面临的挑战是准确地捕捉管道的表面温度和动态温度变化。

可用于计算表面与介质之间温差的工程工具现已问世[1].先进的特性使得诸如流量、密度、粘度、管径甚至环境影响等因素都可以被考虑在内,以帮助确定表面测量的好坏。

非侵入性的好处

测量管道表面温度的设备并不新鲜。例如,所谓的“表面温度”传感器,可以测量管壁的温度,已经有一段时间了。这些设备通常采用热电偶或电阻温度探测器(rtd),可以安装在管道表面。虽然这些可能是有效的,但它们的性能往往受到糟糕的设计、糟糕的位置或糟糕的安装的阻碍,降低了它们的准确性和响应时间。如果绝缘不当,它们也会对影响测量精度的环境条件敏感。为了提高性能,还需要在保温管下面沿管道安装。与温度计套管相比,这可能会使现场调查或更换传感器变得更加困难和昂贵。

实现真正的表面测量需要一些可以排除可能影响温度读数的潜在错误的方法,以及一些能够简化传感器安装和维护的方法。现在,最新一代的表面安装温度测量技术使这成为可能。例如,一种商用的无创温度解决方案使用了与温度计井安装相同的传感器和变送器技术,但采用了基于模型的方法,将实际的温度计井本身数字化。

该软件测量来自两个传感器的读数——一个测量管壁温度,另一个测量环境温度——并使用得到的数据实时计算和输出真实的表面温度。通过考虑测量过程中的环境条件,并具有可预测的接触电阻,发射器显著提高了表面测量的准确性和响应性。当与离线模型相结合,预测过程温度和表面温度之间的差异时,该传感器消除了传统测量的需要。

图3。这里绘制的是德国某城市用于集中供热的配线换热器上过热蒸汽的温度趋势,以比较安装在同一位置的侵入式热阱和非侵入式温度传感器。差异(无创-有创):准确度(均值)= +0.24°C,重复性(标准差)= 0.65°C;管材:DN125,钢;工艺:过热蒸汽公称270°C,流速7000 kg/h;热套管:3G锥形2毫米尖端

与传统的热井相比,该技术的有效性已经在世界各地的数千个安装中得到了证明。性能预测模型的可用性表明了该原理对测量各种各样的过程的有效性。从简单的辅助流体(如热交换器上的冷却水监测)到高温高压蒸汽测量(图3),非侵入式传感的使用被分解为两个简单步骤。首先是使用在线预测工具(输入流量、密度、粘度等常见工艺参数)检查表面测量的预期性能。如果差异是适用的和可接受的,第二步是使用精确的、可重复的、可靠的测量设备来补偿表面测量中的常见误差。

节省时间和成本

这种新一代非侵入式温度传感器的优势,与传统的热井安装相比,具有显著的成本节约潜力。通过最大限度地减少或消除规划、设计和安装传统侵入式温度传感器所需的时间和精力,可以节省至少30%的时间(图4)。

图4。新一代非侵入式温度传感器可以通过最大限度地减少或消除规划、设计和安装经典热井安装所需的大量时间和精力,节省至少30%的成本

这在很大程度上可以归因于传感器易于安装的特性。该传感器被设计安装在管道表面,避免了安装传统温度传感器所涉及的时间、成本和干扰。不需要钻入管道,因为传感器通过两个卡箍连接在管道上。这种安装安排还有助于减少所需的绝缘量,只需覆盖设备的底部。因此,该传感器通常可以在一小时内安装完成,使操作人员能够快速启动和运行。

此外,与指定和安装热井相关的工作也很少,从开始到结束通常需要几周的时间。消除的一个主要领域是需要进行尾迹频率计算,侵入性安装需要进行尾迹频率计算,以评估热阱装置的设计,包括其尺寸和承受工艺介质冲击所需的材料类型。这种计算的需要,再加上相关的工艺调整,通常会使温度计套管的总价格增加两到三倍,超过其材料成本。

最后的评论

虽然温度可能是最古老的过程测量方法之一,但这并不意味着它的测量方法必须保持不变。当谈到温度时,传统的测量方法越来越多地受到数字化给所有工业测量领域带来的新可能性的挑战。

温度测量技术的进步,特别是在数字化方面,为颠覆带来了新的机会,可以使绝大多数公司在湍流中操作流程受益。通过从模拟转换到数字,公司可以从整个工厂过程数据的集成和应用中受益,使他们能够对从工厂运营到维护的所有事情做出明智的决策。

正如本文所强调的,非侵入式温度传感器提供的许多好处解决了传统测量方法的许多传统缺点,这些缺点阻止了在整个工艺工厂中更广泛地测量温度。无创温度传感器将高性能与可部署在任何地方的灵活性相结合,有望为提高工厂效率开辟新的机会。

展望未来,非侵入式温度测量技术的发展将使公司能够测量更大范围的流动状态和具有更复杂传热行为的流体,如气体,具有与常规井相同的准确性、可靠性和响应性。

参考文献

1.https://my-measurement-assistant.abb.com/non-invasive

作者

Guruprasad Sosale是ABB测量与分析技术部(Landsberger Strasse 320, Munich, Germany 80687;电话:+ 49-89-58005-0)。在2022年10月担任这一职位之前,他是ABB位于德国拉登堡的企业研究中心的工业传感技术高级科学家。他的研发活动的重点是无线和自主传感器,然后是非侵入式传感器技术,还包括使用ABB的NiTemp进行温度测量。他曾是NiTemp开发团队的一员,现在负责将这项技术推向市场。索塞尔获得了博士学位和工学硕士学位。麦吉尔大学(Montréal,加拿大)机械工程学士学位。

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