在我們DCS工程實(shí)施中,經(jīng)常會(huì)有氣體流量溫壓補(bǔ)償、分子量補(bǔ)償或密度補(bǔ)償計(jì)算,目的是為了保證流量測(cè)量計(jì)量、累積準(zhǔn)確,配料合理及控制、有效;經(jīng)常會(huì)有把氣體流量的計(jì)量單位由體積單位轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量單位。生產(chǎn)過(guò)程中由于實(shí)際溫度、壓力經(jīng)常的變化與波動(dòng)而偏離設(shè)計(jì)值(基準(zhǔn)值),勢(shì)必造成實(shí)際的瞬時(shí)流量測(cè)量有誤差,導(dǎo)致累積流量也會(huì)有誤差,為了糾正該誤差,在DCS方案設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮對(duì)氣體流量測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。在實(shí)際工程中,遇到氣體zui多的是天然氣流量補(bǔ)償計(jì)算、飽和蒸汽流量補(bǔ)償計(jì)算和空氣流量補(bǔ)償計(jì)算,下面以工程應(yīng)用實(shí)例給予介紹,其它氣體流量補(bǔ)償計(jì)算可以參照本實(shí)例。
在DCS系統(tǒng)中,一般都有的溫壓補(bǔ)償功能模塊,工程人員完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和回路連接即可。不論是差壓式流量計(jì)(孔板、噴嘴、阿牛巴、文丘里等),還是容積式流量計(jì)(旋渦、電磁等),在DCS工程實(shí)施中,其流量都可以進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。
一、 天然氣流量補(bǔ)償計(jì)算
在以天然氣為原料的化工裝置中,天然氣流量均需要進(jìn)行溫壓補(bǔ)償和分子量補(bǔ)償。例如:以長(zhǎng)慶油田天然氣為原料的某甲醇廠,在DCS系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)時(shí),我們看看工程對(duì)天然氣流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償和分子量補(bǔ)償?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)情況。由用戶提供天然氣的組份分析,實(shí)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(zhuǎn)化爐天然氣體積流量顯示(孔板設(shè)計(jì)為0℃時(shí)的天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量),刻度范圍0.0~50000.0 NM3/H
2、FL0202:數(shù)據(jù)設(shè)定單元,入轉(zhuǎn)化爐天然氣實(shí)際平均分子量手動(dòng)設(shè)定(SP=16.9191),刻度范圍:0.00~20.00。
計(jì)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?jǐn)?shù)相加
實(shí)例推算:根據(jù)用戶提供的實(shí)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)=16.9191
3、TI1507:指示單元,入轉(zhuǎn)化爐天然氣溫度顯示, 0.00~200.00℃。
4、PI102:指示單元,入轉(zhuǎn)化爐天然氣壓力顯示,0.00~6.00Mpa。
5、FX203A:溫壓補(bǔ)償運(yùn)算單元,天然氣流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算。
l 儀表刻度范圍: 0.0~50000.0 NM3/H
l 補(bǔ)償溫度:TI1507.PV,設(shè)計(jì)Tb=132℃
l 補(bǔ)償壓力:PI102.PV,設(shè)計(jì)Pb=4.3Mpa(絕壓)
溫壓補(bǔ)償公式:
F-------補(bǔ)償后流量,即FX203A.PV
f-------補(bǔ)償前流量,即FI400.PV
P------測(cè)量壓力(表壓),即PI102.PV
Pb-----設(shè)計(jì)壓力(基準(zhǔn)壓力)(絕壓),設(shè)計(jì)Pb=4.3Mpa(絕壓)
T------測(cè)量溫度,即TI1507.PV
Tb----設(shè)計(jì)溫度(基準(zhǔn)溫度),設(shè)計(jì)Tb=132℃
P0-----大氣壓,P0=0.101325Mpa
所以:
6、FX203B:計(jì)算單元,把0℃天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量換算成20℃的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。
l FX203A儀表刻度范圍: 0.0~50000.0 NM3/H(0℃標(biāo)準(zhǔn)體積流量)
l FX203B儀表刻度范圍: 0.0~50000.0 NM3/H(20℃標(biāo)準(zhǔn)體積流量)
由于:
--------大氣壓,0.101325Mpa
-------0℃時(shí)的體積流量,即FX203A.PV
-------0℃時(shí)的溫度,273.15K
P-------大氣壓,0.101325Mpa
V------20℃時(shí)的體積流量,即FX203B.PV
T------20℃時(shí)的溫度,T=293.15K
所以有:
7、FI400A:計(jì)算單元,把入轉(zhuǎn)化爐天然氣體積流量換算成質(zhì)量流量,儀表刻度范圍:0.00~42.00 T/H。
1) 1Kgmol=1千克分子=1Kg/M(Kg/分子量);
2) 1Kgmol=22.4NM3
3) 分子量M天的單位:0.00~20.00 Kg/ Kgmol
質(zhì)量流量(T/H)=[體積流量(NM3/H)*平均分子量M天]/(1000*22.4)
計(jì)算方法:
質(zhì)量流量(T/H)= FI400A.PV
體積流量(NM3/H)= FX203A.PV (標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算單元,入轉(zhuǎn)化爐天然氣質(zhì)量流量進(jìn)行分子量補(bǔ)償計(jì)算(0.00~42.00 T/H)。
計(jì)算方法:
A、體積流量分子量補(bǔ)償公式:補(bǔ)償后體積流量=補(bǔ)償前體積流量
B、質(zhì)量流量分子量或密度補(bǔ)償公式:
補(bǔ)償后質(zhì)量流量=補(bǔ)償前質(zhì)量流量(或)
分子量補(bǔ)償后質(zhì)量流量(T/H)= FX0203.PV
分子量補(bǔ)償前質(zhì)量流量(T/H)= FI400A.PV
M天= FL0202.SP(實(shí)際平均分子量)
M設(shè)= 17(FT400孔板設(shè)計(jì)平均分子量)
采用上面公式B,得:
9、FRCA1:PID調(diào)節(jié)單元,入轉(zhuǎn)化爐天然氣流量調(diào)節(jié)器。
l 儀表刻度范圍:0.00~42.00 T/H
l 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(bǔ)償計(jì)算
在絕大多數(shù)工廠都有蒸汽,一般對(duì)主要蒸汽、計(jì)量蒸汽和控制蒸汽均需要進(jìn)行流量溫壓補(bǔ)償。例如:某廠的中壓蒸汽流量控制,在DCS系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)時(shí),我們看看工程對(duì)中壓蒸汽流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)情況。
1、FI0002:指示單元,入轉(zhuǎn)化爐中壓蒸汽流量顯示,刻度范圍0.00~150.00T/H。
2、TI0002:指示單元,進(jìn)轉(zhuǎn)化爐中壓蒸汽溫度顯示,刻度范圍0.00~600.00℃。
3、PI0013:指示單元,進(jìn)101-B中壓蒸汽壓力顯示,刻度范圍0.00~6.00Mpa。
4、FX0208:溫壓補(bǔ)償運(yùn)算單元,進(jìn)轉(zhuǎn)化爐中壓蒸汽流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算。
l 儀表刻度范圍: 0.00~150.00T/H
l 補(bǔ)償溫度:TI0002.PV,設(shè)計(jì)Tb=320℃
l 補(bǔ)償壓力:PI0013.PV,設(shè)計(jì)Pb=4.0Mpa(絕壓)
溫壓補(bǔ)償公式:
F-------補(bǔ)償后流量,即FX0208.PV
f-------補(bǔ)償前流量,即FI0002.PV
P------測(cè)量壓力(表壓Mpa),即PI0013.PV
Pb-----設(shè)計(jì)壓力(基準(zhǔn)壓力)(絕壓),設(shè)計(jì)Pb=4.0Mpa
T------測(cè)量溫度,即TI0002.PV
Tb----設(shè)計(jì)溫度(基準(zhǔn)溫度),設(shè)計(jì)Tb=320℃
P0-----大氣壓,P0=0.101325Mpa
所以:
5、FRCA2:PID調(diào)節(jié)單元,入轉(zhuǎn)化爐中壓蒸汽流量調(diào)節(jié)器。
l 儀表刻度范圍:0.00~150.00 T/H
l 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(guān)閥)
調(diào)節(jié)器的輸出OP增加,閥門開打;反之,閥門關(guān)小。
6、XC0002:FRCA2調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò)反相器再到調(diào)節(jié)閥(0.00~100.00 %)。
XC0002.OP=100.00 - FRCA2.OP
三、 空氣流量補(bǔ)償計(jì)算
空氣是zui常見的氣體之一,許多場(chǎng)合需要對(duì)空氣進(jìn)行流量溫壓補(bǔ)償。例如:某廠的工藝空氣流量控制,在DCS系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)時(shí),我們看看工程對(duì)工藝空氣流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)情況。
1、FI0003:指示單元,進(jìn)入二段爐的工藝空氣流量顯示,刻度范圍:0.0~70000.0 NM3/H。
2、TI003A:指示單元,入二段爐空氣溫度顯示,刻度范圍0.00~260.00℃。
3、PI003A:指示單元,入二段爐空氣壓力顯示,刻度范圍0.00~6.00Mpa。
4、FX0402:溫壓補(bǔ)償運(yùn)算單元,二段爐空氣流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算,并把0℃標(biāo)準(zhǔn)體積流量換算成質(zhì)量流量(空氣密度=1.2931KG/ NM3)。
l 儀表刻度范圍: 0.0~90.00 T/H
l 補(bǔ)償溫度:TI003A.PV,設(shè)計(jì)Tb=181℃
l 補(bǔ)償壓力:PI003A.PV,設(shè)計(jì)Pb=3.6Mpa(絕壓)
溫壓補(bǔ)償公式:
F-------補(bǔ)償后流量,即FX0402.PV
f-------補(bǔ)償前流量,即FI0003.PV
P------測(cè)量壓力(表壓),即PI003A.PV
Pb-----設(shè)計(jì)壓力(基準(zhǔn)壓力)(絕壓),設(shè)計(jì)Pb=3.6Mpa(絕壓)
T------測(cè)量溫度,即TI003A.PV
Tb----設(shè)計(jì)溫度(基準(zhǔn)溫度),設(shè)計(jì)Tb=181℃
P0-----大氣壓,P0=0.101325Mpa
所以:
5、FIC003:PID調(diào)節(jié)單元,工藝空氣流量調(diào)節(jié)器。
l 儀表刻度范圍:0.0~90.00 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(guān)閥)
6、XC0003:FIC003調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò)反相器再到調(diào)節(jié)閥(0.00~100.00 %)。
XC0003.OP=100.00 – FIC003.OP
四、 由DCS軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)的安全措施:
為了保證DCS控制方案設(shè)計(jì)科學(xué)合理,根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),在DCS軟件組態(tài)時(shí),對(duì)參加溫壓補(bǔ)償計(jì)算的一次儀表均要設(shè)置正常工藝操作上下限報(bào)警值(HI、LO)、變化率報(bào)警值VL、輸入斷線報(bào)警值IOP,對(duì)PID調(diào)節(jié)器均要設(shè)置偏差報(bào)警值DV,目的是對(duì)一次儀表和主要調(diào)節(jié)器的故障和錯(cuò)誤信息進(jìn)行判斷、識(shí)別,采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施,如輸入開路、測(cè)量變化率大、輸入信號(hào)越限、偏差報(bào)警等現(xiàn)象發(fā)生時(shí),調(diào)節(jié)系統(tǒng)切回手動(dòng)狀態(tài),并報(bào)警提醒操作人員。例如:
a) 當(dāng)FI400、TI1507、PI102之一IOP(輸入開路)時(shí),F(xiàn)RCA1變?yōu)槭謩?dòng);
b) 當(dāng)FI400、TI1507、PI102之一HI,或LO、或VL報(bào)警時(shí),F(xiàn)RCA1變?yōu)槭謩?dòng);
c) 當(dāng)FRCA1偏差±DV報(bào)警時(shí),F(xiàn)RCA1變?yōu)镸AN(手動(dòng));
d) FRCA1在手動(dòng)MAN時(shí),相應(yīng)的調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)跟蹤,即:FRCA1.SP= FRCA1.PV;
e) 對(duì)天然氣的流量溫壓補(bǔ)償,為了避免一次儀表故障導(dǎo)致流量測(cè)量錯(cuò)誤,通過(guò)設(shè)計(jì)邏輯控制策略,采取間斷性溫壓補(bǔ)償方式,即:當(dāng)參與校正的溫度、壓力測(cè)量值正常時(shí),5秒鐘一刷新;異常(HI、或LO、或VL、或IOP)時(shí),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(jìn)行校正,當(dāng)該儀表正常后,又恢復(fù)5秒鐘采集一次。采用此方法進(jìn)行校正的目的是防止參與的儀表失靈造成整個(gè)控制系統(tǒng)誤動(dòng)作而造成事故。