分散控制系統(tǒng)流量補(bǔ)償計(jì)算組態(tài)的應(yīng)用

陳樂

(廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣州 510080)

1 問題的提出

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和分散控制系統(tǒng)(DCS)的普及，從過去的由電動單元組合儀表建立自動補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在的將流量測量檢測儀表輸出信號和流體的溫度壓力信號送入DCS的階段系統(tǒng)，DCS具有完成流量自動補(bǔ)償計(jì)算、累積流量計(jì)算以及流量瞬時值的實(shí)時功能，或歷史趨勢顯示和報表的打印功能。但在電廠DCS組態(tài)中，經(jīng)常涉及到各種流體的流量測量和流量補(bǔ)償計(jì)算，由于沒有獲取流量節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算書，熱工人員缺乏對流量計(jì)算書的深入研究，沒有選用正確的流量計(jì)算公式和填寫準(zhǔn)確流量計(jì)算參數(shù)，致使流量計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際流量相差很大，導(dǎo)致運(yùn)行人員不能正確判斷設(shè)備運(yùn)行狀況，使熱工自動控制無法正常投入。本文將對DCS流量補(bǔ)償計(jì)算組態(tài)中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行研究和探討。

所謂流量補(bǔ)償，就是對流量測量系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正。流量測量裝置是根據(jù)設(shè)計(jì)工況制造和標(biāo)定的，在流體工況與設(shè)計(jì)工況一致的情況下，流量測量裝置才能保證較高精度，當(dāng)流體工況偏離設(shè)計(jì)工況時，就會產(chǎn)生測量誤差。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要對流體流量進(jìn)行流量補(bǔ)償。就本質(zhì)而言，流量補(bǔ)償就是對流體的密度進(jìn)行修正和補(bǔ)償(如圖1所示)。實(shí)際上，在不同工況下流體的密度是不一樣的，流體密度難以直接測量，但工況下的溫度和壓力卻可以直接測量，通過對不同工況下溫度和壓力的測量，可利用不同流體和流量計(jì)適用的流量補(bǔ)償計(jì)算公式進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。

圖1 流體流量補(bǔ)償示意

2 流量補(bǔ)償基本公式

2.1 基本密度公式

qm=qVρ，

(1)

式中:ρ為流體密度；qV為流體體積流量；qm為流體質(zhì)量流量。

2.2 理想氣體狀態(tài)方程

(2)

式中：p為氣體絕對壓力；V為氣體體積；T為氣體熱力學(xué)溫度。

2.3 差壓式流量計(jì)基本流量公式

(3)

(4)

式中：qm為流體質(zhì)量流量；qV為流體體積流量；K為流量計(jì)流量系數(shù) ；Δp為流量計(jì)輸出差壓；ρ為流體密度。

3 DCS流量補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

艾默生公司OVATION系統(tǒng)對鍋爐給水流量補(bǔ)償組態(tài)應(yīng)用分析，如圖2所示。給水流量差壓信號經(jīng)過折線函數(shù)f(x)對流量小信號切除后輸入流量計(jì)算塊STEAMFLOW，同時給水溫度、壓力信號輸入汽水熱力計(jì)算塊STM-TBL計(jì)算出給水比容結(jié)果，然后送入STEAMFLOW對給水流量作實(shí)時流量補(bǔ)償。圖2中STM-TBL算法塊是計(jì)算水和汽的熱力學(xué)特性，根據(jù)給水的壓力、溫度計(jì)算出水的比容，相應(yīng)輸入IN1，IN2，IN3，分別代表給水溫度、壓力和當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?。鍋爐給水屬于壓縮液體對應(yīng)STM-TBL算法塊參數(shù)選擇VCLTP。算法塊的工程單位可選英制或國際單位制，通常選用國際單位制。算法塊內(nèi)使用的壓力單位是bar，實(shí)際給水壓力單位是MPa，因此給水壓力輸入算法塊GAINBIAS乘上系數(shù)K=10換算成國際單位制。STEAMFLOW算法塊將根據(jù)差壓或流量輸入作為流量測量進(jìn)行流量補(bǔ)償計(jì)算，IN1為差壓或流量輸入信號,IN2為STM-TBL算法塊的輸出給水比容信號，OUT輸出為經(jīng)過補(bǔ)償計(jì)算的給水流量。STEAMFLOW算法塊提供的計(jì)算公式有:

DELTAP(差壓)

(5)

FLOW(流量)

(6)

DELTAP公式適用于差壓式流量計(jì)輸出差壓信號，未有開方需在DCS開方，F(xiàn)LOW公式適用于差壓式流量計(jì)輸出差壓信號在變送器或DCS的AI輸入信號已作開方處理不需在邏輯里開方。STEAMFLOW算法塊組態(tài)時輸入類型選擇時一定要區(qū)分清楚。算法塊設(shè)置參數(shù)有SCAL是標(biāo)度因子，可理解為差壓式流量計(jì)的流量系數(shù)K。BASE是基本比容，默認(rèn)值是1。GAIN為IN2輸入變量的增益，DCS流量補(bǔ)償計(jì)算邏輯圖如圖2所示。

圖2 DCS流量補(bǔ)償計(jì)算邏輯

4 流量補(bǔ)償組態(tài)的問題

4.1 正確選用流量補(bǔ)償計(jì)算公式

從計(jì)算結(jié)果可以看出，上述公式與差壓式流量計(jì)基本流量公式(3)是一致的，根據(jù)公式(3)和質(zhì)量守恒定律可推導(dǎo)出

(7)

式中：qmmax為刻度質(zhì)量流量；Δpmax為差壓上限；ρD為操作密度；qm為實(shí)際質(zhì)量流量；Δp為差壓；ρ為密度。STEAMFLOW算法塊提供的公式(5)實(shí)際上是公式(7)的一種變形簡化計(jì)算。標(biāo)度因子SCAL=1/ρ=42 082.48，基本比容BASE=1/ρD=0.001 3，將上述計(jì)算數(shù)值填入算法塊功能參數(shù)欄完成設(shè)置，從中可以看出在運(yùn)用DCS組態(tài)軟件中的宏算法塊進(jìn)行組態(tài)時要對算法塊計(jì)算公式深入研究，弄清楚內(nèi)部參數(shù)變量的功能和參數(shù)設(shè)置方法。

目前工業(yè)上應(yīng)用較廣泛的威力巴流量計(jì)，對其測量流體進(jìn)行流量補(bǔ)償計(jì)算時應(yīng)根據(jù)威力巴流量計(jì)算書提供的流量計(jì)算公式進(jìn)行組態(tài)。威力巴流量計(jì)算書提供氣體流量公式

(8)

式中：qV為氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量，m3/h(名義工況，下同)；C′為流量系數(shù)；pw為流量計(jì)輸出差壓，kPa；pfa為工作狀態(tài)下絕對壓力，kPa；Tfa為工作狀態(tài)下熱力學(xué)溫度，K；Zf為流體壓縮系數(shù)。

威力巴流量計(jì)算書是根據(jù)用戶提供的工藝參數(shù)利用威力巴差壓計(jì)算軟件獲得流量和差壓對應(yīng)關(guān)系的計(jì)算結(jié)果，所得計(jì)算結(jié)果中的流量系數(shù)和差壓在計(jì)算時已對工藝參數(shù)中的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，只需按照公式(8)進(jìn)行組態(tài)輸入相應(yīng)的信號即可完成對氣體流量補(bǔ)償計(jì)算。不再用理想氣體方程重復(fù)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，簡化了計(jì)算過程。流量補(bǔ)償計(jì)算的組態(tài)方式是靈活多樣的，對于不同流體和不同的流量測量儀表應(yīng)采用合理的流量補(bǔ)償計(jì)算公式，但計(jì)算公式的選擇必須是正確且經(jīng)過論證的，這樣才能獲得準(zhǔn)確的流量計(jì)算結(jié)果。

4.2 流量小信號切除處理方法

由于流量測量在小信號時測量誤差比較大，流量儀表的零漂及虛假信號干擾，會造成小流量測量數(shù)值變化很大。從而增大流量小信號測量的誤差。為了克服各種原因引起的小信號所導(dǎo)致的不良后果，通常采用流量小信號切除處理方式。在圖2中，給水流量利用折線函數(shù)實(shí)現(xiàn)小信號切除，其中算法塊函數(shù)f(x)的函數(shù)x=0.1，y=0,x=100，y=100。雖然能將小信號切除，但是改變差壓輸入信號的線性會產(chǎn)生不必要的線性誤差。當(dāng)切除值設(shè)置的越大，差壓信號的非線性所引起的流量誤差就越大。給水流量需對差壓進(jìn)行開方運(yùn)算，由于開方對誤差有放大作用，差壓線性誤差經(jīng)開方運(yùn)算后誤差也會變得更大。為了合理切除小信號可做出如下改進(jìn)。

圖3所示的當(dāng)差壓信號低于LOWMON設(shè)定的小信號切除點(diǎn)數(shù)值時自動將差壓歸為零對應(yīng)常數(shù)A=0，差壓信號的線性沒有改變。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及儀表制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，差壓變送器和不同類型的流量計(jì)的精確度、穩(wěn)定性大幅提高，小信號切除點(diǎn)也越來越小?，F(xiàn)在世界上許多儀表制造廠都將差壓切除點(diǎn)減小為0.75%，對應(yīng)的流量值為8.7%?？偟脑瓌t是在能達(dá)到目的的前提下，將切除值盡量選得小一些。熱工人員應(yīng)根據(jù)具體條件和要求合理設(shè)定切除點(diǎn)。對于流量小信號的切除，最好放在DCS處理，而不要在差壓變送器或流量儀表設(shè)置流量切除數(shù)值。由于DCS功能強(qiáng)大，能夠方便、直觀地看到流量變化的實(shí)時和歷史趨勢，可以更方便地設(shè)置和調(diào)整切除數(shù)值。

圖3 修改后DCS流量補(bǔ)償計(jì)算邏輯

4.3 流量計(jì)算的單位要統(tǒng)一

5 結(jié)束語

流量補(bǔ)償計(jì)算組態(tài)的正確及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否關(guān)系到熱力系統(tǒng)自動控制的正常投入以及設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。準(zhǔn)確的流量計(jì)算數(shù)據(jù)同時也是衡量機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)考核指標(biāo)，對于電廠的節(jié)能減排方面有著重要意義，希望能引起熱工人員對流量計(jì)算工作的足夠重視。

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