几种常见的流量测量补偿在DCS中的实现

摘 要：水蒸汽和空气是工业现场中常用的物料，常用流量测量计必须设置物料的温度和压力，然而温度和压力会发生变化，所以无法在设计阶段精确定义温度和压力，必需在流量计测量后进行补偿。介绍了几种常见的流量测量补偿方法在DCS中的应用。

关键字：水蒸汽 空气 流量测量 补偿

    在工业控制过程中，流量测量的精度直接影响着现场工艺。液体和气体在温度发生改变时，其密度会发生变化。而现场流量计总是按照设计的温度和压力进行测量的，也就是说，其测量出来的信号是基于设计的温度和压力。当温度和压力发生变化时，这时所测量值并不是其真正的值，需要通过温压补偿对流量进行修正。本文介绍了几种典型的流量补偿方式，并以过热蒸汽为例，介绍了在ECS－100系统中的实现方法。

    1 水蒸汽

    水蒸汽可分为过饱和蒸汽、饱和蒸汽和过热蒸汽。其中过饱和是一个非稳定状态，它最终会使得一部分气体凝结为液体，从而又进入了饱和状态。在这里我们只讨论饱和蒸汽和过热蒸汽的测量补偿。

    1.1 节流式差压流量计

    节流式差压流量计的计量公式为：

        （1）

    其中：qm－质量流量，kg/s；

    C－流出系数；

    ε₁－节流件正端取压口平面上的可膨胀系数；

    d－工作条件下节流件的开孔直径，m；

    △p－差压，Pa；

    ρ₁－节流件正端取压口平面上的流体密度，kg/m³；

    β－直径比，β＝d/D；

    D－管道内径，m。

    D和β为常数，而C和ε₁在一定的流量范围内可近似为常数，令：

        （2）

    则：

        （3）

    若采用节流式差压流量计测量一蒸汽，其设计密度为ρ_D，而实际工况下的密度为ρ_W，仪表指示的流量为q_mD，那么实际流量应为：

        （4）

    对于过热蒸汽，其密度取决于温度和压力。而对于饱和蒸汽，其温度和压力是单值函数，从蒸汽温度查出的密度与此温度所对应的压力查出的密度是一致的，可以采用温度补偿或压力补偿。

    有时候DCS或二次仪表中所得到的为差压信号（△q），需要将其开平方后才是流量值。在这种情况下，其补偿公式为：

        （5）

    1.2 涡街流量计

    涡街流量计是体积流量计，即流体雷诺数在一定的范围内，其输出与体积流量成正比。频率输出涡街流量计测量质量流量的表达式为：

        （6）

    其中：qm－质量流量，kg/h；

    f－涡街流量计输出频率，P/s；

    Kt－工作状态下的流量系数，P/L；

    ρ_f－流体密度，kg/m³。

    若采用涡街流量计测量蒸汽，其设计密度为ρ_D，而实际工况下的密度为ρ_W，仪表指示的流量为q_mD，那么实际流量q_mW应为：

        （7）

    注意：涡街流量计的温压补偿方式也适用于那些流量与密度成线性关系的流量计如线性孔板等。

    2 空气的测量

    在现场实际使用的空气流量计最主要的有玻璃浮子流量计、节流式差压流量计、涡街流量计。

    对于理想气体其遵循理想气体方程：

       （8）      

    而：    

        （9）

        （10）

    对于一定质量的气体可得：

        （11）

    2.1 玻璃浮子流量计

    浮子流量计的基本方程为：

        （12）

    其中：

    α－仪表的流量系数；

    ε－气体膨胀系数；

    △F－流通环形面积；

    g－当地重力加速度；

    G_f－浮子质量；

    V_f－浮子体积；

    ρ－被测流体密度；

    F_f－浮子工作直径处的横截面积。    

    而α、△F、g、G_f、F_f为常数，ε的校正量很小，可近似为常数。当气体的温度和压力发生改变时，G_f－V_fρ所引入的精度误差相对于ρF_f要小的多，为了简化运算，可将V_fρ近似为常数。所以浮子流量计的基本方程可近似为：

        （13）

    其温压补偿公式为：

        （14）

    其中：

    q_v－实际体积流量；

    q_vf－仪表测量值；

    ρ_n－被测气体在标准状态下的密度；

    ρ_an－空气在标准状态下的密度；

    T_n、P_n－气体（空气）在标准状态下的绝对温度、绝对压力；

    T_f、P_f－气体在工作状态下的绝对温度、绝对压力。

    如果被测气体近似等于空气，那么上式可近似等于：

        （15）

    2.2 节流式差压流量计

    由式（3）可得：

        （16）

    由式（16）可知，差压流量计的温压补偿方法与玻璃浮子流量计的方式一样，参照式（14）。当差压流量计送上的信号为差压信号时，那么其补偿方式为：

        （17）

    其中：

    q_v－实际体积流量；

    △P_vf－仪表测量差压值；

    ρ_n－被测气体在标准状态下的密度；

    ρ_an－空气在标准状态下的密度；    

    T_n、P_n－气体（空气）在标准状态下的绝对温度、绝对压力；

    T_f、P_f－气体在工作状态下的绝对温度、绝对压力。

    如果被测气体近似等于空气，那么上式可近似等于：

        （18）    

    2.3 涡街流量计    

    用涡街流量计测量体积流量时，与密度无关，但是气体的流量是用标准状态来表达的。由式（8）可得：

        （19）

    其中：

    q_v－实际体积流量；

    q_vf－仪表测量值；

    T_n、P_n－气体（空气）在标准状态下的绝对温度、绝对压力；

    T_f、P_f－气体在工作状态下的绝对温度、绝对压力。

    3 DCS中的实现

    3.1 涡街流量计

    有一涡街流量计测量过热蒸汽流量，过热蒸汽的设计压力为4MPa（表压），设计温度为400℃；过热蒸汽的实测压力为PI-101：0～6MPa（表压），实测温度为TI-101：0～600℃，流量为FI-101，补偿后的流量为自定义半浮点数FI＿101，计算方法如下：    

    1）经过热蒸汽计算器得出设计比容为71.849001488cm³/g；

    2）采用COMPENSATE模块

图1 过热蒸汽温压补偿1

    3.2 孔板流量计1（变送器无开方处理）

    有一孔板流量计测量过热蒸汽流量，过热蒸汽的设计压力为4MPa（表压），设计温度为400℃；过热蒸汽的实测压力为PI－101：0～6MPa（表压），实测温度为TI－101：0～600℃，流量为FI－101（未在变送器上进行开方处理），补偿后的流量为自定义半浮点数FI＿101，计算方法如下：

    1）经过热蒸汽计算器得出设计比容为71.849001488cm³/g，密度为13.93kg/m³；

    2）采用COMPENSATE模块。

图2 过热蒸汽温压补偿2

    3.3 孔板流量计2（变送器有开方处理）

    有一孔板流量计测量过热蒸汽流量，过热蒸汽的设计压力为4MPa（表压），设计温度为400℃；过热蒸汽的实测压力为PI－101：0～6MPa（表压），实测温度为TI-101：0～600℃，流量为FI-101（已在变送器上进行开方处理），补偿后的流量为自定义半浮点数FI＿101，计算方法如下：    

图3 过热蒸汽温压补偿3    

    1）经过热蒸汽计算器得出设计比容为71.849001488cm³/g；

    2）采用COMPENSATE模块。

    4 结束语

    通过对水蒸汽和理想气体进行密度补偿，能够充分修正流量，提高流量测量精度，以提高控制精度。SUPCONECS－100系统中，集成了丰富的算法模块，能够满足各类流量补偿的需求。采用ECS－100系统进行流量补偿，在多个工业现场取得较好的补偿效果。