（镇海石化建安石化工程公司仪电项目部，浙江 宁波 315200） 王俊伟

    摘要：通过对镇海炼化东区利安德装置所使用的高准质量流量计现状的反馈分析，从中发掘的几点问题进行思考和阐述。 

    关键词：质量流量计；科里奥利力；准确测量 

   Abstract: Thoughts and statement upon some issues found from the application status of Micro Motion mass flow meter used in Liande unit device at the east area of Zhenhai refinery.
Key words: Mass Flow Meter; Coriolis Force; Accurate Measurement

    利安德28.5万吨环氧丙烷/62万吨苯乙烯 (POSM)联产装置是100万吨/年乙烯工程的重要下游配套工程，装置具有规模大、现场仪表先进、系统控制复杂等特点。其中大量应用了Emerson公司的Micro Motion的Elite型质量流量计，采用了1700变送器。由于该仪表采用了独特的科里奥利力原理(CMF)，所以能直接测量气体、液体的质量流量而不受温度、压力、粘度、密度等的影响，无可动机械部件，对直管段无要求，对于气液流量精度在正常工况下分别可以达到±0.35%，±0.10%，并同时可直接测量密度、温度等参数。但在日常的应用和维护实践中，通过对其某些性能进行分析探求和总结，发现现场的准确测量还要受工艺条件等多方面制约。 

    1 关于RS485 modbus通信的实践

    普通的质量流量计还是普遍采用4-20mA+HART的方式（1，2端子），但是对于像采用了最新的MVD多参数技术的1700型变送器，往往4-20mA输出只代表了HART 通信中定义的PV （主变量）：质量流量，而像密度、温度等无法从该输出一并获得，特别是我POSM装置除装车站外有近13台用于贸易计量的流量计，按照贸易计量有关规定，除了质量流量，还需要质量流量累积量，该累积量必须通过现场设备或积算仪直接读取，不能通过二次系统。所以传统的4-20mA输出无法实现该功能。那么借助质量流量计强大的RS485 modbus通信功能（5，6端子），就可以通过对其内部不同寄存器的操作来实现对多参数的读取和操作。

    当1700变送器5，6端子采用modbus RTU协议，而非HART方式（HART地址为0）时，则1，2端主mA电流输出正常指示流量，恒定端电压为23V。否则主mA电流固定为4mA。另外1，2端间加上250欧标准电阻，仍可挂375组态。而9739变送器一旦采用通信，mA电流固定为4mA。 

    虽然串行方式理论上可以将多达几十台表用一个端口通信，但在实践上发现我装置比较合理的一个网段是3台表以内可保证通信可靠和实时性。这样按照区域分为以下几个网段，见表1。
   
                                            表1
                   

    （1）以FT103005、FT107006网段为例，采用如图1所示的串行接线方式。 

              
                                         图1


    （2）现场表组态，通过375或prolink软件，需要修改的参数：

    波特率：9600; 停止位：1; 奇偶校验位：none; modbus protocol：RTU; modbus站地址：网段中每块表唯一的串口地址，规定FT103005是1，FT107006是2。需要特别重视现场表和上位机参数单位量纲统一，以免造成不必要的麻烦。

   （3）网络组态，因为仪表信号先到网络柜的终端服务器terminal server，再转换成honeywell PKS系统的专门FTE协议被DCS读取。故对终端服务器组态：根据terminal server IP，在DOS中运行telnet命令，open该terminal server IP（进入设备设置），组态仪表信号连的端口PORT，包括端口名称，波特率，停止位，奇偶校验位，数据位：8位。必须与仪表一致。保存退出。

   （4） DCS组态，在quick builder中，建立modbus channel，填写正确的terminal server IP、端口PORT, modbus RTU协议；建立modbus controllers,这里是两个controller，一个是FT103005，plc station ID是1;一个是FT107006，plc station ID是2，分别填写正确的控制器类型data table。最后是每个controller下点point建立，在pv source address中注意流量计中不同的寄存器代表不同的内容，见表2，完善扫描周期、区域分配、量程、单位、描述、报警值、记录趋势。保存下装。
           
                                              表2    
                              
                                 
      这样就实现了对现场质量流量计的表头直读，工艺计量员通过显示屏直接计量、核对现场原始数据，目前RS485 modbus通信的利用在国内也是不多见的。经过近大半年的使用反馈来看，维护量也极小，已成为我装置以后解决类似仪表计量的参考方案。

    2 关于压力补偿

      一般CMF标定工况压力在0.2Mpa左右，当实际工况压力(0.3-1.5Mpa甚至更高)时，通过相关文献试验已证实，当压力偏离不大时，其压力效应对CMF影响较小[1]，而当压力偏离较大时(2Mpa以上)，对流量系数FCF(铭牌上5位数字)有较大影响，可根据式计算： ，压力效应见表3。

                                          表3
                            

    压力偏离越高，流量误差也越大。在POSM装置中有10台流量计的介质压力都在0.2Mpa以上，但大多数的误差在使用精度内，只有FT103004、FT103005和码头装船FT05101、FT05201误差较大，需要对其进行在线压力补偿。在线压力补偿又分为静态和动态两种。

    经过使用和分析发现虽然FT103004、FT103005工作压力在2.4Mpa左右，但是工况基本稳定，所以采用静态补偿：通过375或prolink软件，开启允许压力补偿选项，分别输入流量系数FCF-%/Psi；密度系数-g/cm3/psi，可通过产品资料获得；流量标定压力(高准是30Psi)；固定压力值(这里是2.4Mpa)。

    而装船CMF压力波动范围大(PO线FT05101，0.15-0.43Mpa；SM线FT05201，0.09-1.32 Mpa)，且属于贸易计量，故需要采用动态轮询外部压力表实时更新压力值，由于MVD1700型变送器没有9739型的专用压力表补偿端子。采用如图2所示。  

              
                                        图2    压力补偿方式

       图中R用于CMF读取压力变送器的HART信号，一般250欧以上。需要设置PT05102压力变送器位号、压力单位、HART地址(为2，毫安输出固定为4mA)、允许被轮询、轮询变量为压力；通过375或prolink，设置CMF HART地址(为1)，开启允许压力补偿选项，分别输入流量系数、密度系数、流量标定压力，还需设置作为主机轮询，外部设备为PT05102，变量为压力，单位统一。因为此CMF主mA固定，所以通过串口来获得流量值。（当然资料中也有介绍将CMF HART地址设为0，这样CMF主mA可以读取，但并不是所有场合都通用）

    而目前的CMF各型传感器中配备了高精度Pt100，适用工况温度为-240-204℃甚至更高，所以温度变化效应对CMF使用精度影响甚微。只有极端工况下(343℃以上或波动大时)才考虑外部温度补偿，方法同上。

    3 关于频率输出使用

    对于1000 系列的变送器，频率输出（3，4端子）的组态由毫安输出组态控制，如果4-20mA输出分配为质量流量，频率输出也分配为质量流量，同步变化。对2000 系列变送器，频率输出于mA 输出无关。为频率输出分配的过程变量总是HART 通信中定义的TV （第三变量）。频率输出范围0-10000Hz。在POSM公路装车站共11台CMF以频率输出的方式被批控器DL8000采集。因我装车站采用1700变送器，需用375或prolink软件设置： PV和TV变量为同一变量质量流量，选择频率输出方式-脉冲数/单位(液相PO料500Hz/kg，气相PO料6000 Hz/kg；液相SM料200Hz/kg)，其他脉宽、极性等默认值即可。

    频率输出采集的流量大小也是和量程设置有关，超量程也会报警(A100)。这在使用中应该要重视，否则会影响批控器的正常计量，比如暂停装车等。

    4 关于手动调零
  
      零位作为CMF参考点，其在实际投运中产生的漂移将大大影响CMF的精度，由于该漂移来源于传感器，故在安装方式、选型、环境等考虑周到下还是不可避免的，在进行调零时确保流体满管且完全静止，加之合适的调零时间都是保证精确度的重要前提。同样POSM公路装车站3台SM CMF由于装车量大批次多，所以经常产生零点漂移造成误差，刚开始采用自动标零，但效果不佳，相比地秤始终存在恒定偏差(一车约30吨，误差约为100kg，装车时间为20min)。分析原因后发现实际工况偏离设计工况(设计未考虑气相SM损耗和空车载气量)，故采用手动调零，通过固化调零系数不再让CMF随机地选择测量起始点，虽然需要每台表prolink单独设，但精度提高了，克服自动标零的随机不确定性。

                                         表4
        

连续5次流量计累积与汽车衡量偏差在千分之三范围之内,满足计量要求。

    5 关于氢气流量测量

      CMF有一个与标定相关的零点和测量常数。零点通常在实际运行的条件下确定；测量常数FCF由工厂在标准工况时水标定确定[2]。由于CMF能直接测量流体密度，是因为按照弹性模数理论，弹簧所悬挂物体的质量和它振动的频率成反比。这一概念引入到流量管的振动，整体质量（测量管和内部介质之和）越大，其振动频率就越小。通过检测已知密度（标准状态下水和空气，密度D1、D2）的介质流经测量管时的频率K1、K2，可以得到密度与频率之间的线性关系。然后通过感知实际工作下振动频率换算到密度。CMF也有密度范围的，对液体所有E型CMF都是0-5g/cm3，虽然对气体并无具体密度范围，但其测量范围也是相当宽泛的。而氢气作为一种工业气体，其密度为0.089g/L，接近于CMF测量下限，传统的体积式仪表难以测量，采用MVD数字技术的CMF在流体敏感性和流动诱导噪音免疫性方面的性能大大提高，测量量程比高达100：1，测量密度量程比达60：1，加上不受管道入口流动状态的影响，所以已具备对其精准测量的条件。

    POSM装置700单元的FT107006，用于从化肥供氢至氢气脱水包、加氢反应器的计量。设计温度15℃、压力3Mpa、流量285kg/h(实际介质含水)。由于采用最新MVD 1700变送器，使得对氢气流动造成的噪音的抗干扰和处理低流量性能提高。应注意的几点：

    （1）在相同气压下，即使管道系统对于空气或其他普通气体是密不透气的，但氢气依然可能会从系统中泄漏出来。所以FT107006用法兰接头具有金属对金属的密封或衬垫，管道法兰等级ANSI 300lb，管道接口全焊接，CMF双密封结构保证密封程度。  

    （2） 氢脆化效应[2]，它主要影响高强度钢铁，而不锈钢、奥氏不锈钢(如304L、316L)实际上对氢脆化是有抵抗性的，这是由于镍基合金C-22的Ni-Cr-Mo结构。FT107006传感器采用316L不锈钢作为材料(CMF100M329NAGAMZZZ)，确保了在测量氢气时长期可靠的寿命。

    目前该表长期稳定运行在温度18℃、压力2.66Mpa、流量221.1kg/h左右工况，质量流量精度达到实际流量的±0.5%±(传感器的零点稳定性/流速)×100%。

    参考文献

    [1] 袁国富. 工况压力对质量流量计测量准确度的影响[J]. 工业控制计算机,2004(4).

    [2] 高准公司. 科里奥利流体测量技术在氢气计量中的应用[DB/OL].

    摘自《自动化博览》2011年第六期