分散控制系统流量补偿计算组态的应用

2014-09-11陈乐

综合智慧能源 2014年9期

陈乐

(广州粤能电力科技开发有限公司，广州 510080)

1 问题的提出

随着科学技术的发展和分散控制系统(DCS)的普及，从过去的由电动单元组合仪表建立自动补偿系统发展到现在的将流量测量检测仪表输出信号和流体的温度压力信号送入DCS的阶段系统，DCS具有完成流量自动补偿计算、累积流量计算以及流量瞬时值的实时功能，或历史趋势显示和报表的打印功能。但在电厂DCS组态中，经常涉及到各种流体的流量测量和流量补偿计算，由于没有获取流量节流装置的设计计算书，热工人员缺乏对流量计算书的深入研究，没有选用正确的流量计算公式和填写准确流量计算参数，致使流量计算数据与实际流量相差很大，导致运行人员不能正确判断设备运行状况，使热工自动控制无法正常投入。本文将对DCS流量补偿计算组态中出现的一些问题进行研究和探讨。

所谓流量补偿，就是对流量测量系统误差进行修正。流量测量装置是根据设计工况制造和标定的，在流体工况与设计工况一致的情况下，流量测量装置才能保证较高精度，当流体工况偏离设计工况时，就会产生测量误差。在实际生产过程中，需要对流体流量进行流量补偿。就本质而言，流量补偿就是对流体的密度进行修正和补偿(如图1所示)。实际上，在不同工况下流体的密度是不一样的，流体密度难以直接测量，但工况下的温度和压力却可以直接测量，通过对不同工况下温度和压力的测量，可利用不同流体和流量计适用的流量补偿计算公式进行补偿计算。

图1 流体流量补偿示意

2 流量补偿基本公式

2.1 基本密度公式

qm=qVρ，

(1)

式中:ρ为流体密度；qV为流体体积流量；qm为流体质量流量。

2.2 理想气体状态方程

(2)

式中：p为气体绝对压力；V为气体体积；T为气体热力学温度。

2.3 差压式流量计基本流量公式

(3)

(4)

式中：qm为流体质量流量；qV为流体体积流量；K为流量计流量系数；Δp为流量计输出差压；ρ为流体密度。

3 DCS流量补偿的应用

艾默生公司OVATION系统对锅炉给水流量补偿组态应用分析，如图2所示。给水流量差压信号经过折线函数f(x)对流量小信号切除后输入流量计算块STEAMFLOW，同时给水温度、压力信号输入汽水热力计算块STM-TBL计算出给水比容结果，然后送入STEAMFLOW对给水流量作实时流量补偿。图2中STM-TBL算法块是计算水和汽的热力学特性，根据给水的压力、温度计算出水的比容，相应输入IN1，IN2，IN3，分别代表给水温度、压力和当地大气压力。锅炉给水属于压缩液体对应STM-TBL算法块参数选择VCLTP。算法块的工程单位可选英制或国际单位制，通常选用国际单位制。算法块内使用的压力单位是bar，实际给水压力单位是MPa，因此给水压力输入算法块GAINBIAS乘上系数K=10换算成国际单位制。STEAMFLOW算法块将根据差压或流量输入作为流量测量进行流量补偿计算，IN1为差压或流量输入信号,IN2为STM-TBL算法块的输出给水比容信号，OUT输出为经过补偿计算的给水流量。STEAMFLOW算法块提供的计算公式有:

DELTAP(差压)

(5)

FLOW(流量)

(6)

DELTAP公式适用于差压式流量计输出差压信号，未有开方需在DCS开方，FLOW公式适用于差压式流量计输出差压信号在变送器或DCS的AI输入信号已作开方处理不需在逻辑里开方。STEAMFLOW算法块组态时输入类型选择时一定要区分清楚。算法块设置参数有SCAL是标度因子，可理解为差压式流量计的流量系数K。BASE是基本比容，默认值是1。GAIN为IN2输入变量的增益，DCS流量补偿计算逻辑图如图2所示。

图2 DCS流量补偿计算逻辑

4 流量补偿组态的问题

4.1 正确选用流量补偿计算公式

从计算结果可以看出，上述公式与差压式流量计基本流量公式(3)是一致的，根据公式(3)和质量守恒定律可推导出

(7)

式中：qmmax为刻度质量流量；Δpmax为差压上限；ρD为操作密度；qm为实际质量流量；Δp为差压；ρ为密度。STEAMFLOW算法块提供的公式(5)实际上是公式(7)的一种变形简化计算。标度因子SCAL=1/ρ=42 082.48，基本比容BASE=1/ρD=0.001 3，将上述计算数值填入算法块功能参数栏完成设置，从中可以看出在运用DCS组态软件中的宏算法块进行组态时要对算法块计算公式深入研究，弄清楚内部参数变量的功能和参数设置方法。

目前工业上应用较广泛的威力巴流量计，对其测量流体进行流量补偿计算时应根据威力巴流量计算书提供的流量计算公式进行组态。威力巴流量计算书提供气体流量公式

(8)

式中：qV为气体标准体积流量，m3/h(名义工况，下同)；C′为流量系数；pw为流量计输出差压，kPa；pfa为工作状态下绝对压力，kPa；Tfa为工作状态下热力学温度，K；Zf为流体压缩系数。

威力巴流量计算书是根据用户提供的工艺参数利用威力巴差压计算软件获得流量和差压对应关系的计算结果，所得计算结果中的流量系数和差压在计算时已对工艺参数中的设计温度、设计压力进行温压补偿，只需按照公式(8)进行组态输入相应的信号即可完成对气体流量补偿计算。不再用理想气体方程重复进行补偿计算，简化了计算过程。流量补偿计算的组态方式是灵活多样的，对于不同流体和不同的流量测量仪表应采用合理的流量补偿计算公式，但计算公式的选择必须是正确且经过论证的，这样才能获得准确的流量计算结果。

4.2 流量小信号切除处理方法

由于流量测量在小信号时测量误差比较大，流量仪表的零漂及虚假信号干扰，会造成小流量测量数值变化很大。从而增大流量小信号测量的误差。为了克服各种原因引起的小信号所导致的不良后果，通常采用流量小信号切除处理方式。在图2中，给水流量利用折线函数实现小信号切除，其中算法块函数f(x)的函数x=0.1，y=0,x=100，y=100。虽然能将小信号切除，但是改变差压输入信号的线性会产生不必要的线性误差。当切除值设置的越大，差压信号的非线性所引起的流量误差就越大。给水流量需对差压进行开方运算，由于开方对误差有放大作用，差压线性误差经开方运算后误差也会变得更大。为了合理切除小信号可做出如下改进。

图3所示的当差压信号低于LOWMON设定的小信号切除点数值时自动将差压归为零对应常数A=0，差压信号的线性没有改变。随着科学技术的发展以及仪表制造技术的不断改进，差压变送器和不同类型的流量计的精确度、稳定性大幅提高，小信号切除点也越来越小。现在世界上许多仪表制造厂都将差压切除点减小为0.75%，对应的流量值为8.7%。总的原则是在能达到目的的前提下，将切除值尽量选得小一些。热工人员应根据具体条件和要求合理设定切除点。对于流量小信号的切除，最好放在DCS处理，而不要在差压变送器或流量仪表设置流量切除数值。由于DCS功能强大，能够方便、直观地看到流量变化的实时和历史趋势，可以更方便地设置和调整切除数值。