压力测量不准的十大诱因——过程工程师必备排查手册

图片来源cechina.cn

作者 | Abhishek Sharma

本文探讨了压力传感器容易出现的相关问题以及测量值偏差的成因，并提供了具体的操作建议。

泵、压缩机和蒸馏塔是过程工业中常用的设备。测量系统压力或压头需要使用压力表或传感器。然而，由于安装不当或工况变化，远程压力传感器或现场压力表可能会产生异常结果。这些情况有时会让工艺工程师感到困惑，例如出现沿流动方向下游压力高于上游压力的现象。本文将深入分析压力传感器相关问题与测量值偏差的成因，系统梳理压力测量知识，并提供实操性建议。

当流体在管道中流动时，压力可分为两类：静压和动压。已安装的压力传感器通常仅检测静压。若压力表接口位于流线上，它还会测量到动压。静压与动压之和称为总压；除非动压为零，总压始终大于静压。

一些典型的安装问题可能会导致压力变送器读数异常，例如：沿流动方向下游压力高于上游、换热器出口压力高于入口、容器底部压力低于顶部、蒸馏塔底部压力低于顶部等。此类读数偏差可能暗示变送器故障，但也可能是压力取压口安装不当所致。

考虑压力变送器的安装高度

当压力变送器安装在远低于取压口的高度时，引压管会充满液体。由于液柱高度的存在，这部分液体会产生额外压力。若变送器未按“湿腿”工况进行补偿或校准，压力传感器将读取到该额外压力。这种情况仅存在于液体工况或可冷凝蒸汽（如蒸汽、丙烯或更重的烃类蒸汽）的应用中。

另一个需要注意的情况是变送器安装位置高于工艺取压口，且工艺介质为可在环境温度下冷凝的蒸汽。冷凝液会充满引压管，导致变送器读数与实际压力不符。此类情况下，引压管应具备自排液功能或进行“湿腿”补偿。

如图1所示，三个不同高度的压力变送器，即便接入同一管道，也会因安装高度差异产生不同读数。传感器P1因引压管充满液体而读数偏低；P3受液柱高度影响显示较高压力；唯有P2安装位置恰当，可以正确反映实际压力。

▲图1：管道上安装高度不同的三个压力变送器示意图。图片来源：ISA

若误将压力表或传感器安装在蒸馏塔降液管中，也会因额外液柱高度导致读数偏高。此类问题需在设计阶段进行核查。对于蒸汽在环境温度下可冷凝的蒸馏塔，压力传感器引压管须具备自排液功能或在安装时与取压口保持同一高度。

压力动量的影响

在很多运营中，压力测点常被无意设置在喷嘴正前方，高速流体会直接冲击测点。此类压力传感器不仅测量静压，还会感应到动压带来的额外流体动量。由于同时测得动态压力与静态压力，其读数总是高于周边其它变送器。

进料喷嘴或再沸器出口喷嘴处的流体，可能冲击压力传感器，导致压缩机分离罐、分离器及蒸馏塔中出现异常读数。例如，安装在蒸馏塔底部（预期最高液位之上）的压力表，也可能因流体动量而测得高于正常值的压力。

不应安装在管道弯头处

在任何工况下，压力传感器或压力表均不应安装在管道弯头处。液体在压差作用下流动时，同时包含静压与动压。若将传感器安装在弯头处，它会同时感应到动压，从而导致读数偏高。

例如，冷却水在管道中流动时，三个压力传感器安装在不同位置：第一个（P1）位于弯头上游，第二个（P2）位于弯头处，第三个（P3）位于弯头下游。P2的读数将高于P1和P3（图2）。P2传感器会感知流体的动量或速度压头，显示总压（静压与动压之和）的数值。

▲图2：压力传感器安装位置示意图。第一个压力传感器安装在弯头上游，第二个位于弯头处，第三个位于弯头下游。P2的读数将高于P1和P3。

容器与管道的安装选择

在过程工业中，容器或缓冲罐用于储存烃类物料，既可作为泵的吸入罐，也可作为装置的进料罐。这些储罐通常通过氮气或燃料气等惰性气体持续加压，以提供辅助泵的净正吸入压头（NPSH）并防止环境介质侵入。

容器通常配备压力变送器，通过外围接口控制器（PIC）或压力控制阀（PCV）维持压力。部分工厂将压力传感器安装在管道上（P2）而非容器上（P1）。这些传感器会因气体流动而产生读数偏差。由于氮气或烃类蒸汽持续流经氮气管线或放空管线，容器或储罐顶部的压力无法得到有效管控——压力时而低于设定值，时而高于设定点。为准确控制容器的静压，压力传感器应始终直接安装在容器或储罐上（如P1位置），而非管道上（P2位置）。

▲图3：安装压力变送器以维持容器压力，并通过PIC控制器或PCV实现压力控制。

应位于充分发展的流段后

在流体力学中，边界层被视为一种分离现象。当流体进入管道时，边界层发生分裂，流体沿管道的速度分布会不断变化直至流动充分发展。该速度分布受流体所处层流或湍流状态的影响。由于大多数流体流动具有湍流特性，压力传感器应安装在流动充分发展后的区段。充分发展流动的速度分布，在层流中呈抛物线形，而在湍流中则相对平坦。

靠近管壁处的流速几乎为零。为获得准确测量结果，压力传感器应安装在流动充分发展后或入口段长度之后的区域。靠近管壁处的压力仅为静压，传感器此时仅测量静压而非总压。

引压管堵塞、节流或结焦问题

过程工业的许多工艺过程涉及凝结物、浆料、重质焦油或结焦物料。此类工况下的压力测量较为困难。焦油或结焦物会沉积在压力传感器引压管内，造成堵塞或节流，导致压力变送器报出错误读数，误导操作人员对工艺的判断。

为减少粘稠或浓厚浆料与压力传感器的直接接触，部分行业已采用远传密封式压力传感器。然而，在远传密封结构中，由隔膜监测压力，再通过变送器转换信号。此类结焦物或浆料仍可能沉积在隔膜上，因此需使用外部流体冲洗沉积物。典型应用场景包括：流化催化裂化装置（FCCU）中的浆料循环、延迟焦化装置（DCU）中的重油处理，以及蒸汽裂解装置中的急冷油循环。

采用外部流体冲洗

如前所述，在某些工况下，需处理易在环境温度下凝固的凝结物或粘稠物料。此时也需要通过外部流体来冲洗、清除积聚物。外部冲洗流体须与管道内流体或内部介质相容。蒸汽、氮气或其它合适液体均可用作外部流体。在此类易凝结或高粘性工况中安装压力传感器时，需将高压外部流体注入压力传感器引压管或隔膜部位。

这些高压外部流体产生的高速流动可清除沉积物。然而，压力传感器会感应到此外部流体的高速流动并读取错误数值，因为外部流体高速流经传感器隔膜或引压管时，会形成局部低压区（图4）。在有些工厂中，由于流量计量不足，外部流体或吹扫气体的流量过高。这种大流量可能导致压力积聚，造成压力读数偏高。