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案例頻道 （北京遠東儀表有限公司，北京 100013）王維利，張洪垠，趙志霞
王維利（1968-）男，河北青縣人，大學本科，自控工程師，現就職于北京遠東儀表有限公司，研究方向為工業自動化儀表及控制。
摘要：在DCS工程實施中，為了保證流量測量計量、累積準確，配料合理及控制精確、有效，常會有氣體流量溫壓補償、分子量補償或密度補償計算。本文章以天然氣流量補償計算、飽和蒸汽流量補償計算和空氣流量補償計算三個工程實例作為典型在編程和軟件組態實現上對氣體流量補償進行了闡述。
關鍵詞：氣體流量補償；溫壓補償；分子量補償
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
在我們DCS工程實施中，經常會有氣體流量溫壓補償、分子量補償或密度補償計算，目的是為了保證流量測量計量、累積準確，配料合理及控制精確、有效；經常會有把氣體流量的計算單位由體積單位轉換成質量流量單位。生產過程中由于實際溫度、壓力經常的變化與波動而偏離設計值（基準值），勢必造成實際的瞬時流量有誤差，導致累積流量也會有誤差，為了糾正該誤差，在DCS方案設計時必須考慮對氣體流量測量進行補償計算。
2 工程實例引用
在實際工程中，遇到最多的氣體流量補償計算是天然氣流量補償計算、飽和蒸汽流量補償計算和空氣流量補償計算，下面以工程應用實例給予介紹。
在DCS系統中，一般都有專用的穩壓補償功能模塊，工程人員完成相關參數的設置和回路連接即可。不論是差壓式流量計（孔板、噴嘴、阿牛巴、文丘里等）、容積式流量計（橢圓齒輪流量計、刮板流量計、圓盤流量計、濕式氣量計等），還是渦輪、電磁等其它形式的流量計，在DCS工程實施中，其流量都可以進行補償計算。
圖1 溫度補償運算功能模塊
2.1 天然氣流量補償計算
在以天然氣為原料的化工裝置中，天然氣流量均需要進行溫壓補嘗和分子量補償。例如：以長慶油田天然氣為原料的某甲醇廠，在DCS系統控制方案設計時，工程對天然氣流量進行補償和分子量補償的方案設計如下。由用戶提供天然氣的組份分析，實際天然氣平均組分：
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%。
圖2 天然氣流量補償
（1）FI400： 指示單元，入轉化爐天然氣體積流量顯示（孔板設計為0℃時的天然氣標準體積流量），刻度范圍0.0~50000.0NM3/H。天然氣流量補償
（2）FL0202：數據設定單元，入轉化爐天然氣實際平均分子量手動設定（SP=16.9191），刻度范圍：0.00~20.00。
計算方法：平均分子量M（天）=各氣體組分的分子量*個氣體組分的百分數相加。
實例推算：根據用戶提供的實際天然氣平均成分，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）T I1507：指示單元，入轉化爐天然氣溫度顯示，0.00~200.00℃。
（ 4 ）P I 1 0 2 ： 指示單元， 入轉化爐天然氣壓力顯示，0.00~6.00Mpa。
（5）FX203A：溫壓補償運算單元，天然氣流量溫壓補償計算。
儀表刻度范圍：0.0～50000.0NM3/H
補償溫度：TI1507.PV，設計Tb=132℃
補償壓力：PI102.PV，設計Pb=4.3Mpa(絕壓)
溫壓補償公式：
F-------補償后流量，即FX203A.PV
f —補償前流量，即FI400.PV；
P —測量壓力（表壓），即PI102.PV；
P b — 設計壓力（ 基準壓力） （ 絕壓） ， 設計壓力
Pb=4.3Mpa(絕壓)；
T —測量溫度，即TI1507.PV；
Tb —設計溫度（基準溫度），設計Tb=132℃；
P0 —大氣壓，P0=0.101325Mpa。
所以：FX203A.PV=FI400.PV*
FX203A.PV=9.7067*FI400.PV*
（6）FX203B：計算單元，把0℃天然氣標準體積流量換算成20℃的標準體積流量。
FX203A儀表刻度范圍：0.0～50000.0 NM3/H（0℃標準體積流量）
FX203B儀表刻度范圍：0.0～50000.0 NM3/H（20℃標準體積流量）
由于：
P0 —大氣壓，0.101325Mpa；
V0 —0℃時的體積流量。即FX203A.PV；
T0 —0℃時的溫度，273.15K；
P —大氣壓，0.101325Mpa；
V —20℃時的體積流量。即FX203B.PV；
T —20℃時的溫度，293.15K；
所以有：
（7）FI400A：計算單元，把入轉化爐天然氣體積流量換算成質量流量，儀表刻度范圍：0.00~42.00T/H。
1Kgmol=1千克分子=1Kg/M(Kg/分子量）
1Kgmol=22.4NM3
分子量M天的單位：0.00~20.00Kg/Kgmol
計算方法：
質量流量（T/H)=FI400A.PV
體積流量（N M3 /H) = F X2 0 3A. P V ( 標準狀態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：計算單元，入轉化爐天然氣質量流量進行分子量補償計算（0.00~42.00T/H）。
計算方法：
A、體積流量分子量補償公式：補償后流量體積=補償前流量
B、質量流量分子量或密度補償公式：補償后質量流量=補償前質量流量
分子量補償后質量流量（T/H)=FX0203.PV
分子量補償前質量流量（T/H)=FI400A.PV
M天= FL0202.SP（實際平均分子量）
M設=17（FT400孔板設計平均分子量）
采用上面公式B，得： 
（9）FRCA1：PID調節單元，入轉化爐天然氣流量調節器。
儀表刻度范圍：0.00~42.00T/H
反作用
比例帶：P=300%，積分：I=50秒，微分：D=0秒
FCV1為FC閥（氣開閥）
2.2 蒸汽流量補償計算
在絕大多數工廠都有蒸汽，一般對主要蒸汽、計量蒸汽和控制蒸汽均需要進行流量溫壓補償。例如：某廠中的中壓蒸汽流量控制，在DCS系統控制方案設計時，對中壓蒸汽流量進行溫壓補償的方案設計情況如下。
圖3 蒸汽流量補償計算示意圖
（1）FI0002：指示單元，入轉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：進轉化爐中壓蒸汽溫度顯示：刻度范圍0.00~600℃。
（3）PI0013：指示單元：進101-B中壓蒸汽壓力顯示：刻度范圍0.00~6.00MPa。
（4）FX0208：溫壓補償運算單元，進轉化爐中壓蒸汽流量溫壓補償計算。
儀表刻度范圍 ：0.00~150.00T/H
補償溫度 ：TI0002.PV，設計Tb=320℃
補償壓力 ：PI0013.PV，設計Pb=4.0MPa(絕壓）
溫壓補償公式：
F —補償后流量，即FX0208.PV；
f —補償前流量，即FI0002.PV；
P —測量壓力（表壓MPa），即PI0013.PV；
Pb —設計壓力（基準壓力）（絕壓），設計Pb=4.0MPa；
T —測量溫度，即TI0002.PV；
Tb —設計溫度（基準溫度），設計Tb=320℃；
P0 —大氣壓，P0=0.101325Mpa。
所以：FX0208.PV=FI0002.PV*
FX0208.PV
=12.1773*FI0002.PV* 
（5）FRCA2：PID調節單元，入轉化爐中壓蒸汽流量調節器。
儀表刻度范圍 ：0.00~150.00T/H
反作用
比例帶：P=500%,積分：I=25秒，微分：D=0秒
FCV2為F0閥（氣關閥）
調節器的輸出OP增加，閥門開大；反之，閥門關小。
（6）XC0002：FRCA2調節器的輸出經過反相器再到調節閥
（0.00~100.00%）。
XC0002.OP=100.00-FRCA2.OP
2.3 空氣流量補償計算
空氣是最常見的氣體之一，許多場合需要對空氣進行流量溫壓補償。例如：某廠的工藝空氣流量控制，在DCS系統控制方案設計時，工程對工藝空氣流量進行溫度補償的方案設計情況如下。
圖4 空氣流量補償示意圖
（1）FI003A：指示單元，進入二段爐的工藝空氣流量顯示，刻度范圍：0.0~70000.0NM3/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:溫度補償運算單元，二段爐空氣流量溫度補償計算，并把0℃標準體積流量換算成質量流量（空氣密度=1.2931KG/NM3)。
儀表刻度范圍：0.0~90.00T/H
補償溫度：TI003A.PV，設計Tb=181℃
補償壓力：PI003A.PV，設計Pb=3.6Mpa(絕壓)
溫度補償公式：
F —補償后流量，即FX0402.PV；
f —補償前流量，即FI0003.PV；
P —測量壓力（表壓MPa），即PI003Ａ.PV；
Pb —設計壓力（基準壓力）（絕壓），設計Pb=３.６MPa；
T —測量溫度，即TI00３Ａ.PV；
Tb —設計溫度（基準溫度），設計Tb=Tb=181℃；
P0 —大氣壓，P0=0.101325Mpa。
所以：FX0402.PV=1.2931*0.001*FI0003.PV*
FX0402.PV=
0.01452*FI0003.PV* 
（5）FIC003：PID調節單元，工藝流量調節器。
儀表刻度范圍 ：0.00~90.00T/H
反作用
比例帶：P=200%,積分：I=90秒，微分：
D=0秒
FCV3為F0閥（氣關閥）
（6）XC0003：FIC003調節器的輸出經過反相器再到調節閥（0.00~100.00%）。
XC0003.OP=100.00-FIC003.OP
3 由DCS軟件組態實現的安全措施
為了保證DCS控制方案設計科學合理，根據實際經驗，在DCS軟件組態時，對參加溫壓補償計算的一次儀表均要設置正常工藝操作上下報警值（H1、L0）、變化率報警值VL、輸入斷線報警值IOP，對PID調節器均要設置偏差報警值DV，目的是對一次儀表和主要調節器的故障和錯誤信息進行判斷、識別，采取相應的安全保護措施，如輸入開路、測量變化率大、輸入信號越限、偏差報警等現象發生時，調節系統切回手動狀態，并報警提醒操作人員。例如：
（1）當FI400、TI1507、PI102之一 IOP（輸入開路）時，FRCA1變為手動；
（2）當FI400、TI1507、PI102之一 HI，或L0、或VL報警時，FRCA1變為手動；
（3）當FRCA1偏差±DV報警時，FRCA1變為MAN（手動）；
（4）FRCA1在手動MAN時；相應的調節器會自動跟蹤，即FRCA1.SP=FRCA1.PV；
（5）對天然氣的流量溫壓補償，為了避免一次儀表故障導致流量測量錯誤，通過設計邏輯控制策略，采取間接性溫壓補償方式，即當參與校正的溫度、壓力測量值正常時，5秒鐘一刷新；異常（HI、或LO、或VL、或IOP）時，保持上一周期的數據，停止數據采集，測量校正采用前一次采集的數據進行校正，當該儀表正常后，又恢復5秒鐘采集一次。采用此方法進行校正的目的是防止參與的儀表失靈造成整個控制系統誤動作而造成事故。
4 結束語
本文章主要結合工程實例在計算和軟件組態實現上對流量補償做了詳細闡述，實踐性強，可以給其它氣體流量補償計算做為參照。
摘自《自動化博覽》2010年第四期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號