在DCS中实现流量计量的温度压力补偿

    天津石化公司化纤厂200kt/a PET纺丝装置的自动控制系统采用Honeywell公司的TPS系统实现。公用工程系统的流量计量是在DCS中组态完成的，但在DCS中实现流量计量时仅采用对瞬时流量累计的方法，忽视了温度、压力波动所带来的偏差。在一般情况下流体工况稳定（温度，压力参数基本稳定）的流量计量系统中，由于工况波动所产生的误差是在一个允许的范围内。在聚酯短丝的生产过程中蒸汽等介质的温度、压力波动极大，这是由于短丝的生产性质决定的。在短丝的生产过程中蒸汽用量随时都可能大范围波动，从停车到小负荷到满负荷运转经常变化。另外，由于管线长压力损失也很大，以致压力达不到设计要求，经常发生压力下限报警。如果压力降低得很多或蒸发前湿度较低，则因水滴蒸发而使温度降低后仍高于新的压力所对应的饱和温度，则蒸汽变为过热状态^[1]，而设计条件为饱和蒸汽。此外，现蒸汽流量的测量单位是质量流量单位；气体流量的计量单位是体积流量单位，而由孔板或涡街测量的均为体积流量，要实现质量流量的计量需进行温度、压力的补偿。由于以上原因，流量计量时仅采用对瞬时流量累计的方法，忽视了温度、压力波动所带来的偏差，这对压力变化比较大的工况是不适宜的。解决的办法就是在测量中引入温度和压力补偿的方法来实现实时的流量温压补偿，将体积流量转变为质量流量。

    1 温度压力补偿及基本公式

    在Honeywell的DCS中有专用的Flowcomp模块进行流量补偿。此模块可用于补偿温度、压力、比密度或分子量变化的流量测量。被测介质可以是气体，蒸汽和液体。原理如图1所示。

    注：简化等式PVCALC=F*Compterm，F― 未补偿的流量；Compterm有5种形式―A 液体，B 气体，蒸汽 C 气体、蒸汽（特定引力），D 气体、蒸汽的体积流量，E 蒸汽

    FLOWCOMP模块的使用取决于Compterm的形式选择。补偿输入端引自各变量的PV输入端。
    补偿的基本公式

    PVCALC=C

    式中 PVCALC― 补偿输出；
         C― 刻度，缺省值=1.0；
         C₁，C₂― 假定条件修正值，缺省值=1.0；
         Compterm― 补偿值。
         Compterm取决于它的形式― A，B，C，D，E。

    A形式主要用于液体质量流量或体积流量的补偿。

    B形式主要用于气体或蒸汽流量的质量流量补偿。用实际的绝对温度和绝对压力来进行补偿。

    C形式主要用于气体或蒸汽流量的质量流量补偿。作为补偿输入的是实际的比密度（测量值或计算值）、绝对温度和绝对压力。

    D形式主要用于气体或蒸汽流量的质量流量补偿。作为补偿输入的是实际的绝对温度、绝对压力和相对分子质量。相对分子质量可由程序计算获得。

    E形式主要用于工业蒸汽流量的质量流量补偿。作为补偿输入的是实际的温度、压力、比密度、蒸汽压缩性和蒸汽特性。此形式也可用于气体和液体。

    其中下列变量以工程单位连接输入。
    G― 测量或计算的比密度或相对分子质量；
    p― 实际压力测量值（表压）；
    T― 实际温度测量值；
    X― 实际蒸汽压缩比测量值；
    Q― 实际蒸汽的质量系数。

    其中下列变量由工艺工程师设定。
    G_R― 设计比密度或参考相对分子质量；
    P_R― 设计压力；
    Q_R― 设计蒸汽的质量系数；
    T_R― 设计温度；
    p₀― 大气压，101.325kPa；
    T₀― 温度，K
    X_R― 参考蒸汽压缩比。

    2 温度压力补偿实例

    根据该装置公用工程的实际情况，需补偿的流量测量点如表1所列。

    表1 需要补偿的流量测量点

    从表1可以看出：1）流量测量点同时都有温度压力测量；2）被测介质只有两类― 蒸汽和压缩空气。由于在线没有更多的物性参数测量仪表，这样就可使用B形式作为流量测量的温度压力补偿算法。

    下面以2.2MPa蒸汽FIT-00003点为例说明利用在线温度（TE-00003）、压力（PIT-00003）进行温度压力补偿的实现过程。将式（3）代入式（1）得

    其中 取C=1.00，C₁=1.00，C₂=1.00，F=FIT-00003.PV， p=PRIAL-00003.PV，p₀=0.101325M Pa，p_R=2.301325MPa， T_R=493.15℃，T=TIR-00003.PV.T₀=273.15℃

    经试验补偿效果良好。当流量、温度不变，仅压力变化时的数据如表2所列。

    表2 仅压力变化时数据表

    当压力值变化10%时补偿环节将补偿流量变化的4.88%；当压力值变化20%时补偿环节将补偿流量变化的9.54%。2.2MPa蒸汽系统的压力峰值变化会达到50%，所以温度压力的补偿环节是非常必要的。

    DCS中的组态内容（部分）如下。
    PVALGID=Flowcomp
    TF=0.000000
    PVEQN=EQB
    PVCHAR=SQRT
    C =1.000000
    C₁ =1.000000
    C₂ =1.000000
    COMPHILM= 1.25000
    COMPHILM= 0.800000
    p_R =2.301325
    T_R =493.1500
    p₀ =0.1O1 325
    T₀ =273.1500
    PISRC（1）=FIT - 00003.PV
    PISRC（2）=PRIAL - 00003.PV
    PISRC（3）=TIR - 00003.PV

    这样体积流量就可以转换为质量流量，便于计量和计量单位的统一。利用现在检测条件，通过这种温度压力补偿方法的实现，解决了流量计量时仅采用对瞬时流量累计的方法而忽视了温度、压力波动所带来偏差的影响，从而流量计量能够更加准确合理。

    参考文献：

    1 汪里迈，纪纲.蒸汽流量测量中的温压补偿实施方案.石油化工自动化，1998（3）：39~42