DCS工程實施中的流量補償計算.doc

DCS工程實施中的流量補償計算張洪垠 在我們DCS工程實施中，經常會有氣體流量溫壓補償、分子量補償或密度補償計算，目的是為了保證流量測量計量、累積準確，配料合理及控制精確、有效；經常會有把氣體流量的計量單位由體積單位轉換成質量流量單位。生產過程中由于實際溫度、壓力經常的變化與波動而偏離設計值（基準值），勢必造成實際的瞬時流量測量有誤差，導致累積流量也會有誤差，為了糾正該誤差，在DCS方案設計時必需考慮對氣體流量測量進行補償計算。在實際工程中，遇到氣體最多的是天然氣流量補償計算、飽和蒸汽流量補償計算和空氣流量補償計算，下面以工程應用實例給予介紹，其它氣體流量補償計算可以參照本實例。 在DCS系統(tǒng)中，一般都有專用的溫壓補償功能模塊，工程人員完成相關參數(shù)的設置和回路連接即可。不論是差壓式流量計（孔板、噴嘴、阿牛巴、文丘里等），還是容積式流量計（旋渦、電磁等），在DCS工程實施中，其流量都可以進行補償計算。 一、 天然氣流量補償計算在以天然氣為原料的化工裝置中，天然氣流量均需要進行溫壓補償和分子量補償。例如：以長慶油田天然氣為原料的某甲醇廠，在DCS系統(tǒng)控制方案設計時，我們看看工程對天然氣流量進行溫壓補償和分子量補償?shù)姆桨冈O計情況。由用戶提供天然氣的組份分析，實際天然氣平均組分：CH4= 96.37 %，C2H6= 0.77 %，C3H8= 0.06 %，C4H10= 0.0 %，C5H12= 0.0 %，CO2= 2.61 %，N2= 0.15 %，O2= 0.03%，H2= 0.01%。 1、FI400：指示單元，入轉化爐天然氣體積流量顯示（孔板設計為0時的天然氣標準體積流量），刻度范圍0.050000.0 NM3/H2、FL0202：數(shù)據(jù)設定單元，入轉化爐天然氣實際平均分子量手動設定（SP=16.9191），刻度范圍：0.0020.00。計算方法：平均分子量M（天）=各氣體組分的分子量*各氣體組分的百分數(shù)相加實例推算：根據(jù)用戶提供的實際天然氣平均成分，得：M天=16.04*96.37%+30.07*0.77%+44.097*0.06%+58.124*0.00%+72.151*0.00%+44.01*2.61%（CO2）+28.013*0.15%（N2）+32*0.03%（O2）+2*0.01%（H2）=16.91913、TI1507：指示單元，入轉化爐天然氣溫度顯示， 0.00200.00。4、PI102：指示單元，入轉化爐天然氣壓力顯示，0.006.00Mpa。5、FX203A：溫壓補償運算單元，天然氣流量溫壓補償計算。l 儀表刻度范圍： 0.050000.0 NM3/Hl 補償溫度：TI1507.PV，設計Tb=132l 補償壓力：PI102.PV，設計Pb=4.3Mpa（絕壓） 溫壓補償公式：F-補償后流量，即FX203A.PVf-補償前流量，即FI400.PVP-測量壓力（表壓），即PI102.PVPb-設計壓力（基準壓力）（絕壓），設計Pb=4.3Mpa（絕壓）T-測量溫度，即TI1507.PVTb-設計溫度（基準溫度），設計Tb=132P0-大氣壓，P0=0.101325Mpa 所以：6、FX203B：計算單元，把0天然氣標準體積流量換算成20的標準體積流量。l FX203A儀表刻度范圍： 0.050000.0 NM3/H（0標準體積流量）l FX203B儀表刻度范圍： 0.050000.0 NM3/H（20標準體積流量）由于： -大氣壓，0.101325Mpa-0時的體積流量，即FX203A.PV-0時的溫度，273.15KP-大氣壓，0.101325MpaV-20時的體積流量，即FX203B.PVT-20時的溫度，T=293.15K所以有： 7、FI400A：計算單元，把入轉化爐天然氣體積流量換算成質量流量，儀表刻度范圍：0.0042.00 T/H。1) 1Kgmol=1千克分子=1Kg/M（Kg/分子量）;2) 1Kgmol=22.4NM33) 分子量M天的單位：0.0020.00 Kg/ Kgmol質量流量（T/H）=體積流量（NM3/H）*平均分子量M天/(1000*22.4) 計算方法：質量流量（T/H）= FI400A.PV體積流量（NM3/H）= FX203A.PV （標準狀態(tài)0，0.101325Mpa）平均分子量M（天）= FL0202.SP即： FI400A.PV=4.4643*10-5 *FX203A.PV*FL0202.SP 8、FX0203：計算單元，入轉化爐天然氣質量流量進行分子量補償計算（0.0042.00 T/H）。計算方法：A、體積流量分子量補償公式：補償后體積流量=補償前體積流量B、質量流量分子量或密度補償公式：補償后質量流量=補償前質量流量（或）分子量補償后質量流量（T/H）= FX0203.PV分子量補償前質量流量（T/H）= FI400A.PVM天= FL0202.SP（實際平均分子量）M設= 17（FT400孔板設計平均分子量）采用上面公式B，得： 9、FRCA1：PID調節(jié)單元，入轉化爐天然氣流量調節(jié)器。l 儀表刻度范圍：0.0042.00 T/Hl 反作用l 比例帶：P=300%，積分：I=50秒，微分：D=0秒l FCV1為FC閥（氣開閥）二、 蒸汽流量補償計算在絕大多數(shù)工廠都有蒸汽，一般對主要蒸汽、計量蒸汽和控制蒸汽均需要進行流量溫壓補償。例如：某廠的中壓蒸汽流量控制，在DCS系統(tǒng)控制方案設計時，我們看看工程對中壓蒸汽流量進行溫壓補償?shù)姆桨冈O計情況。1、FI0002：指示單元，入轉化爐中壓蒸汽流量顯示，刻度范圍0.00150.00T/H。2、TI0002：指示單元，進轉化爐中壓蒸汽溫度顯示，刻度范圍0.00600.00。3、PI0013：指示單元，進101-B中壓蒸汽壓力顯示，刻度范圍0.006.00Mpa。4、FX0208：溫壓補償運算單元，進轉化爐中壓蒸汽流量溫壓補償計算。l 儀表刻度范圍： 0.00150.00T/Hl 補償溫度：TI0002.PV，設計Tb=320l 補償壓力：PI0013.PV，設計Pb=4.0Mpa（絕壓） 溫壓補償公式： F-補償后流量，即FX0208.PVf-補償前流量，即FI0002.PVP-測量壓力（表壓Mpa），即PI0013.PVPb-設計壓力（基準壓力）（絕壓），設計Pb=4.0MpaT-測量溫度，即TI0002.PVTb-設計溫度（基準溫度），設計Tb=320P0-大氣壓，P0=0.101325Mpa 所以： 5、FRCA2：PID調節(jié)單元，入轉化爐中壓蒸汽流量調節(jié)器。l 儀表刻度范圍：0.00150.00 T/Hl 反作用l 比例帶：P=500%，積分：I=25秒，微分：D=0秒l FCV2為FO閥（氣關閥）調節(jié)器的輸出OP增加，閥門開打；反之，閥門關小。6、XC0002：FRCA2調節(jié)器的輸出經過反相器再到調節(jié)閥（0.00100.00 %）。XC0002.OP=100.00 - FRCA2.OP三、 空氣流量補償計算空氣是最常見的氣體之一，許多場合需要對空氣進行流量溫壓補償。例如：某廠的工藝空氣流量控制，在DCS系統(tǒng)控制方案設計時，我們看看工程對工藝空氣流量進行溫壓補償?shù)姆桨冈O計情況。 1、FI0003：指示單元，進入二段爐的工藝空氣流量顯示，刻度范圍：0.070000.0 NM3/H。2、TI003A：指示單元，入二段爐空氣溫度顯示，刻度范圍0.00260.00。3、PI003A：指示單元，入二段爐空氣壓力顯示，刻度范圍0.006.00Mpa。4、FX0402：溫壓補償運算單元，二段爐空氣流量溫壓補償計算，并把0標準體積流量換算成質量流量（空氣密度=1.2931KG/ NM3）。l 儀表刻度范圍： 0.090.00 T/Hl 補償溫度：TI003A.PV，設計Tb=181l 補償壓力：PI003A.PV，設計Pb=3.6Mpa（絕壓） 溫壓補償公式：F-補償后流量，即FX0402.PVf-補償前流量，即FI0003.PVP-測量壓力（表壓），即PI003A.PVPb-設計壓力（基準壓力）（絕壓），設計Pb=3.6Mpa（絕壓）T-測量溫度，即TI003A.PVTb-設計溫度（基準溫度），設計Tb=181P0-大氣壓，P0=0.101325Mpa所以：5、FIC003：PID調節(jié)單元，工藝空氣流量調節(jié)器。l 儀表刻度范圍：0.090.00 T/H l 反作用l 比例帶：P=200%，積分：I=90秒，微分：D=0秒l FCV3為FO閥（氣關閥）6、XC0003：FIC003調節(jié)器的輸出經過反相器再到調節(jié)閥（0.00100.00 %）。XC0003.OP=100.00 FIC003.OP四、 由DCS軟件組態(tài)實現(xiàn)的安全措施：為了保證DCS控制方案設計科學合理，根據(jù)實際經驗，在DCS軟件組態(tài)時，對參加溫壓補償計算的一次儀表均要設置正常工藝操作上下限報警值（HI、LO）、變化率報警值VL、輸入斷線報警值IOP，對PID調節(jié)器均要設置偏差報警值DV，目的是對一次儀表和主要調節(jié)器的故障和錯誤信息進行判斷、識別，采取相應的安全保護措施，如輸入開路、測量變化率大、輸入信號越限、偏差報警等現(xiàn)象發(fā)生時，調節(jié)系統(tǒng)切回手動狀態(tài)，并報警提醒操作人員。例如：a) 當FI400、TI1507、PI102之一IOP（輸入開路）時，F(xiàn)RCA1變?yōu)槭謩樱籦) 當FI400、TI1507、PI102之一HI，或LO、或VL報警時，F(xiàn)RCA1變?yōu)槭謩樱籧) 當FRCA1偏差DV報警時，F(xiàn)RCA1變?yōu)镸AN（手動）；d) FRCA1在手動MAN時，相應的調節(jié)器會自動跟蹤，即：FRCA1.SP= FRCA1.PV；e) 對天然氣的流量溫壓補償，為了避免一次儀表故障導致流量測量錯誤，通過設計邏輯控制策略，采取間斷性溫壓補償方式，即：當參與校正的溫度、壓力測量值正常時，5秒鐘一刷新；異常（HI、或LO、或VL、或IOP）時，保持上一周期的數(shù)據(jù)，停止數(shù)據(jù)采集，流量校正采用前一次采集的數(shù)據(jù)進行校正，當該儀表正常后，又恢復5秒鐘采集一次。采用此方法進行校正的目的是防止參與的儀表失靈造成整個控制系統(tǒng)誤動作而造成事故。首先，我們應該知道，我們通常所說的流量計除了質量流量計外測量的一般都是體積流量。以下測量場合的流量計需要溫度或壓力補償：1、測量氣體時，需要溫度壓力同時補償；氣體一般都以標準狀況體積流量結算。因為氣體的體積流量溫度或壓力變化時，流量都會改變。2、測量過熱蒸汽時，需要溫度壓力同時補償；蒸汽一般都以質量流量結算。因為溫度或壓力有任何一個發(fā)生變化，蒸汽的密度會發(fā)生改變，質量流量也隨之改變。3、測量飽和蒸汽時，需要單溫度補償或單壓力補償。飽和蒸汽的密度與溫度或壓力有一個固定的對應關系（飽和蒸汽密度表），知道其中的任何一個，都可以確定飽和蒸汽的密度。4、測量液體時，一般不需要壓力補償，在5MPa以下，一般只考慮溫度影響，為準確測量需要溫度補償。一般測量時，可以不使用任何補償；測量一些碳氫化合物（如原油），一般需要溫度壓力同時補償。流量的溫度壓力補償：從流量公式可以看出，對于質量流量和重量流量來說，要知道流量就必須知道介質密度（）；同時要進行實際流量和標準流量的換算，同樣要知道不同狀態(tài)下的介質密度（）。就實際應用來說，大多數(shù)流量計是以標準流量進行刻度的。而除了專門的質量流量計以外的大多數(shù)流量計是以測量流速為基本工作方式的。在表達流量的過程中，介質密度（）是根據(jù)介質的的實際工況條件人為給出的。當實際工況條件發(fā)生變化，偏離設計時的工況條件時，流量計的測量結果將出現(xiàn)偏差。對于服從理想氣體定律的氣體，以及密度與溫度、壓力呈線性關系的介質。在溫度、壓力變化不超出一定范圍，并且介