（北京远东仪表有限公司，北京 100013）王维利，张洪垠，赵志霞
                        
    王维利（1968-）男，河北青县人，大学本科，自控工程师，现就职于北京远东仪表有限公司，研究方向为工业自动化仪表及控制。

    摘要：在DCS工程实施中，为了保证流量测量计量、累积准确，配料合理及控制精确、有效，常会有气体流量温压补偿、分子量补偿或密度补偿计算。本文章以天然气流量补偿计算、饱和蒸汽流量补偿计算和空气流量补偿计算三个工程实例作为典型在编程和软件组态实现上对气体流量补偿进行了阐述。

    关键词：气体流量补偿；温压补偿；分子量补偿

    Abstract: In the process of implementing DCS project, it is always using compensation of gas flow , molecular weight or density to ensure accurate flow measurement, accurate accumulation, proper ingredients and accurate control.In this chapter, we will use gas flow compensation calculation, steam flow compensation calculation and air flow compensation calculation as examples to elaborate gas flow compensation based on the programming and software configuration.

    Key words: Gas flow compensation; temperature and pressure compensation;molecular weight compensation

    1 引言

    在我们DCS工程实施中，经常会有气体流量温压补偿、分子量补偿或密度补偿计算，目的是为了保证流量测量计量、累积准确，配料合理及控制精确、有效；经常会有把气体流量的计算单位由体积单位转换成质量流量单位。生产过程中由于实际温度、压力经常的变化与波动而偏离设计值（基准值），势必造成实际的瞬时流量有误差，导致累积流量也会有误差，为了纠正该误差，在DCS方案设计时必须考虑对气体流量测量进行补偿计算。

    2 工程实例引用

    在实际工程中，遇到最多的气体流量补偿计算是天然气流量补偿计算、饱和蒸汽流量补偿计算和空气流量补偿计算，下面以工程应用实例给予介绍。

      在DCS系统中，一般都有专用的稳压补偿功能模块，工程人员完成相关参数的设置和回路连接即可。不论是差压式流量计（孔板、喷嘴、阿牛巴、文丘里等）、容积式流量计（椭圆齿轮流量计、刮板流量计、圆盘流量计、湿式气量计等），还是涡轮、电磁等其它形式的流量计，在DCS工程实施中，其流量都可以进行补偿计算。
               
     

                       图1 温度补偿运算功能模块
 

   
    2.1 天然气流量补偿计算

    在以天然气为原料的化工装置中，天然气流量均需要进行温压补尝和分子量补偿。例如：以长庆油田天然气为原料的某甲醇厂，在DCS系统控制方案设计时，工程对天然气流量进行补偿和分子量补偿的方案设计如下。由用户提供天然气的组份分析，实际天然气平均组分：

    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%。
                
                                       图2  天然气流量补偿   

    （1）FI400： 指示单元，入转化炉天然气体积流量显示（孔板设计为0℃时的天然气标准体积流量），刻度范围0.0~50000.0NM3/H。天然气流量补偿  

    （2）FL0202：数据设定单元，入转化炉天然气实际平均分子量手动设定（SP=16.9191），刻度范围：0.00~20.00。

    计算方法：平均分子量M（天）=各气体组分的分子量*个气体组分的百分数相加。

    实例推算：根据用户提供的实际天然气平均成分，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）T I1507：指示单元，入转化炉天然气温度显示，0.00~200.00℃。

（ 4 ）P I 1 0 2 ： 指示单元， 入转化炉天然气压力显示，0.00~6.00Mpa。

（5）FX203A：温压补偿运算单元，天然气流量温压补偿计算。

    仪表刻度范围：0.0～50000.0NM3/H

    补偿温度：TI1507.PV，设计Tb=132℃

    补偿压力：PI102.PV，设计Pb=4.3Mpa(绝压)
 

    温压补偿公式：

    F-------补偿后流量，即FX203A.PV

    f —补偿前流量，即FI400.PV；

    P —测量压力（表压），即PI102.PV；

    P b — 设计压力（ 基准压力） （ 绝压） ， 设计压力

    Pb=4.3Mpa(绝压)；

    T —测量温度，即TI1507.PV；

    Tb —设计温度（基准温度），设计Tb=132℃；

    P0 —大气压，P0=0.101325Mpa。

    所以：FX203A.PV=FI400.PV*

    FX203A.PV=9.7067*FI400.PV*

（6）FX203B：计算单元，把0℃天然气标准体积流量换算成20℃的标准体积流量。

     FX203A仪表刻度范围：0.0～50000.0 NM3/H（0℃标准体积流量）

    FX203B仪表刻度范围：0.0～50000.0 NM3/H（20℃标准体积流量）

    由于：

    P0 —大气压，0.101325Mpa；

    V0 —0℃时的体积流量。即FX203A.PV；

    T0 —0℃时的温度，273.15K；

    P —大气压，0.101325Mpa；

    V —20℃时的体积流量。即FX203B.PV；

    T —20℃时的温度，293.15K；

    所以有：
 

    （7）FI400A：计算单元，把入转化炉天然气体积流量换算成质量流量，仪表刻度范围：0.00~42.00T/H。

    1Kgmol=1千克分子=1Kg/M(Kg/分子量）

    1Kgmol=22.4NM3

    分子量M天的单位：0.00~20.00Kg/Kgmol
         
        
 

    计算方法：

    质量流量（T/H)=FI400A.PV

    体积流量（N M3 /H) = F X2 0 3A. P V ( 标准状态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：计算单元，入转化炉天然气质量流量进行分子量补偿计算（0.00~42.00T/H）。

    计算方法：

    A、体积流量分子量补偿公式：补偿后流量体积=补偿前流量

      B、质量流量分子量或密度补偿公式：补偿后质量流量=补偿前质量流量

    分子量补偿后质量流量（T/H)=FX0203.PV

    分子量补偿前质量流量（T/H)=FI400A.PV

    M天= FL0202.SP（实际平均分子量）

    M设=17（FT400孔板设计平均分子量）

      采用上面公式B，得： 
    （9）FRCA1：PID调节单元，入转化炉天然气流量调节器。

    仪表刻度范围：0.00~42.00T/H

    反作用

    比例带：P=300%，积分：I=50秒，微分：D=0秒

    FCV1为FC阀（气开阀）

    2.2 蒸汽流量补偿计算

    在绝大多数工厂都有蒸汽，一般对主要蒸汽、计量蒸汽和控制蒸汽均需要进行流量温压补偿。例如：某厂中的中压蒸汽流量控制，在DCS系统控制方案设计时，对中压蒸汽流量进行温压补偿的方案设计情况如下。

                
                                      图3  蒸汽流量补偿计算示意图

    （1）FI0002：指示单元，入转化炉中压蒸汽流量显示，刻度范围0.00~150.00T/H。

    （2）TI0002：指示单元：进转化炉中压蒸汽温度显示：刻度范围0.00~600℃。

    （3）PI0013：指示单元：进101-B中压蒸汽压力显示：刻度范围0.00~6.00MPa。

    （4）FX0208：温压补偿运算单元，进转化炉中压蒸汽流量温压补偿计算。
   
    仪表刻度范围 ：0.00~150.00T/H

    补偿温度 ：TI0002.PV，设计Tb=320℃

    补偿压力 ：PI0013.PV，设计Pb=4.0MPa(绝压）

    温压补偿公式：

    F —补偿后流量，即FX0208.PV；

    f —补偿前流量，即FI0002.PV；

    P —测量压力（表压MPa），即PI0013.PV；

    Pb —设计压力（基准压力）（绝压），设计Pb=4.0MPa；

    T —测量温度，即TI0002.PV；

    Tb —设计温度（基准温度），设计Tb=320℃；

    P0 —大气压，P0=0.101325Mpa。

      所以：FX0208.PV=FI0002.PV*
                  FX0208.PV =12.1773*FI0002.PV*   

    （5）FRCA2：PID调节单元，入转化炉中压蒸汽流量调节器。

    仪表刻度范围 ：0.00~150.00T/H

    反作用

    比例带：P=500%,积分：I=25秒，微分：D=0秒

    FCV2为F0阀（气关阀）

    调节器的输出OP增加，阀门开大；反之，阀门关小。

    （6）XC0002：FRCA2调节器的输出经过反相器再到调节阀

    （0.00~100.00%）。

    XC0002.OP=100.00-FRCA2.OP

    2.3 空气流量补偿计算

    空气是最常见的气体之一，许多场合需要对空气进行流量温压补偿。例如：某厂的工艺空气流量控制，在DCS系统控制方案设计时，工程对工艺空气流量进行温度补偿的方案设计情况如下。

                
                                   图4    空气流量补偿示意图

    （1）FI003A：指示单元，进入二段炉的工艺空气流量显示，刻度范围：0.0~70000.0NM3/H。

    （2）TI003A：指示单元，入二段炉空气温度显示，刻度范围0.00~260.00℃。

    （3）PI003A：指示单元，入二段炉空气压力显示，刻度范围0.00~6.00Mpa。

    （4）FX0402:温度补偿运算单元，二段炉空气流量温度补偿计算，并把0℃标准体积流量换算成质量流量（空气密度=1.2931KG/NM3)。

    仪表刻度范围：0.0~90.00T/H

    补偿温度：TI003A.PV，设计Tb=181℃

    补偿压力：PI003A.PV，设计Pb=3.6Mpa(绝压)

      温度补偿公式：
  

    F —补偿后流量，即FX0402.PV；

    f —补偿前流量，即FI0003.PV；

    P —测量压力（表压MPa），即PI003Ａ.PV；

    Pb —设计压力（基准压力）（绝压），设计Pb=３.６MPa；

    T —测量温度，即TI00３Ａ.PV；

    Tb —设计温度（基准温度），设计Tb=Tb=181℃；

    P0 —大气压，P0=0.101325Mpa。

      所以：FX0402.PV=1.2931*0.001*FI0003.PV*
                  FX0402.PV= 0.01452*FI0003.PV* 

    （5）FIC003：PID调节单元，工艺流量调节器。

    仪表刻度范围 ：0.00~90.00T/H

    反作用

    比例带：P=200%,积分：I=90秒，微分：

    D=0秒

    FCV3为F0阀（气关阀）

    （6）XC0003：FIC003调节器的输出经过反相器再到调节阀（0.00~100.00%）。

    XC0003.OP=100.00-FIC003.OP

    3 由DCS软件组态实现的安全措施

    为了保证DCS控制方案设计科学合理，根据实际经验，在DCS软件组态时，对参加温压补偿计算的一次仪表均要设置正常工艺操作上下报警值（H1、L0）、变化率报警值VL、输入断线报警值IOP，对PID调节器均要设置偏差报警值DV，目的是对一次仪表和主要调节器的故障和错误信息进行判断、识别，采取相应的安全保护措施，如输入开路、测量变化率大、输入信号越限、偏差报警等现象发生时，调节系统切回手动状态，并报警提醒操作人员。例如：

    （1）当FI400、TI1507、PI102之一 IOP（输入开路）时，FRCA1变为手动；

    （2）当FI400、TI1507、PI102之一 HI，或L0、或VL报警时，FRCA1变为手动；

    （3）当FRCA1偏差±DV报警时，FRCA1变为MAN（手动）；

    （4）FRCA1在手动MAN时；相应的调节器会自动跟踪，即FRCA1.SP=FRCA1.PV；

    （5）对天然气的流量温压补偿，为了避免一次仪表故障导致流量测量错误，通过设计逻辑控制策略，采取间接性温压补偿方式，即当参与校正的温度、压力测量值正常时，5秒钟一刷新；异常（HI、或LO、或VL、或IOP）时，保持上一周期的数据，停止数据采集，测量校正采用前一次采集的数据进行校正，当该仪表正常后，又恢复5秒钟采集一次。采用此方法进行校正的目的是防止参与的仪表失灵造成整个控制系统误动作而造成事故。

    4 结束语

    本文章主要结合工程实例在计算和软件组态实现上对流量补偿做了详细阐述，实践性强，可以给其它气体流量补偿计算做为参照。

    摘自《自动化博览》2010年第四期