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气体流量测量装置及控制方法研究

时间:2018/03/29来源:未知


摘 要 : 研究了一种气体流量测量装置及控制方法 , 利用 P L C 或 D C S 硬件平台 , 通过主副回路测量装置切换 , 根据流量大小 , 采用主、副差压测量装置进行气体流量测量 , 大大提高了测量精度 , 彻底解决了工业生产中流量范围过大、且长时间工作在小流量况下、流量计测量不准、甚至流量计无法使用的难题 , 是工业气体流量测量设备和方法领域的创新 , 对生产控制过程起到了重要作用 , 具有显著的经济效益 , 在生产中有极大的推广使用价值。


1、引言:
   在很多工业生产的过程中 , 需要进行气体流量测量 ,气体流量测量是工艺生产的重要参数之一 [3-6]。在实际的大口径气体流量测量过程中 ,90% 的用户均采用差压式气体流量计。但差压式气体流量计的量程比小 , 加上设计时工艺管径大多数选择过大 , 工艺人员给仪表专业提供的流量参数过大 , 或用户使用量不定 , 时大时小 ,使流量变化范围较大 , 差压式气体流量计必须选择较大的仪表量程。这样就有可能在小流量时测量不准 , 而很多用户遇到的实际问题是系统投运后 , 气体流量测量大部分工作在小流量状态下 , 受微差压变送器测量准确性和稳定性的制约 , 因此流量测量不准的问题更显突出。
 
  目前的解决办法是在工艺粗管道设置旁路细管道 , 并在粗管和细管上分别安装差压式气体流量计和切断阀。大流量测量时打开粗管道切断阀 , 关闭细管道切断阀 , 使用粗管道测量装置 ; 小流量测量时打开细管道切断阀 ,关闭粗管道切断阀 , 使用细管道测量装置。但是此种方法对于工艺管道改动大 , 必须停产 , 在正常生产过程中不允许且没有充足检修时间改动工艺管道 , 并且投资较大 , 所以上述方式无法解决正常生产过程中大管径、流量范围变化大的差压式气体流量计 , 在小流量测量时 ,流量不准或无法测量的难题。
  本研究所要解决的技术问题是提供一种气体流量测量装置及控制方法 , 能够有效解决大管径、大量程、差压式气体流量计在测量小流量时 , 流量不准确、不稳定的问题 , 并且投资小 , 实施简单、快速 [1]

2、气体流量测量装置组成:
  气体流量测量装置由气体管道 1、差压式气体流量计2、取压主管 3、手动球阀 4、三通管接头 5、取压主支管6、电磁阀 7、主三阀组 8、主差压测量装置 9、取压副支管 10、副三阀组 11、副差压测量装置 12、压力测量装置13、温度测量装置 14、现场控制站 15、操作员站 16 组成。
  气体流量测量装置的结构示意图如图 1 所示。
   图 1 显示 , 差压式气体流量计 2 安装在气体管道 1 中 ,两根取压主管 3 分别与差压式气体流量计 2 的高压侧和低压侧焊接连接 , 在两根取压主管 3 上分别通过三通管接头5 与两根取压主支管 6 的一端相连接 ,3 组手动球阀 4 分别安装在取压主管 3 上。3 组手动球阀 4 由 6 个内螺纹球阀组成 , 以便于后端设备安装与维护。差压式气体流量计2 为标准或非标准节流装置或其他差压式计量仪表。
   图 1 显示 , 两根取压主支管 6 的另一端依次连接主三阀组 8 和主差压测量装置 9, 在两根取压主支管 6 上安装主回路电磁阀 7。主差压测量装置 9、主回路电磁阀 7 与现场控制站 15 相连接。主回路电磁阀 7 用于控制主差压测量装置 9 的投用与否 , 主三阀组 8 用于对主差压测量装置 9 维修和调校的操作之用 , 主差压测量装置 9 为差压变送器。取压主支管 6 回路用于检测气体管道 1 流量较大时的气体流量。
 图 1	气体流量测量装置的结构示意图
 
图 1 气体流量测量装置的结构示意图
 
  1—气体管道 ;2—差压式气体流量计 ;3—取压主管 ;4— 手动球阀 ;5—三通管接头 ;6—取压主支管 ;7—电磁阀 ;8— 主三阀组 ;9—主差压测量装置 ;10—取压副支管 ;11—副三阀组 ;12—副差压测量装置 ;13—压力测量装置 ;14—温度测量装置 ;15—现场控制站 ;16—操作员站
   图 1 显示 , 两根取压副支管 10 的一端分别通过三通管接头 5 与两根取压主支管 6 相连接 , 两根取压副支管10 的另一端依次连接副三阀组 11、副差压测量装置 12,在两根取压副支管 10 上安装副回路电磁阀 7。副差压测量装置 12、副回路电磁阀 7 与现场控制站 15 相连接。副回路电磁阀 7 用于控制副差压测量装置 12 的投用与否 ,副三阀组 11 用于对副差压测量装置 12 维修和调校的操作之用 , 副差压测量装置 12 为微差压变送器 , 取压副支管 10 回路用于检测气体管道 1 流量较小时的气体流量。
  图 1 显示 , 在气体管道 1 上还安装有压力测量装置13、温度测量装置 14。压力测量装置 13、温度测量装置 14 分别与现场控制站 15 相连接 , 用于对气体流量测量时的温压补偿。压力测量装置 13 为压力变送器 , 温度测量装置 14 为 Pt100 热电阻。
  现场控制站 15 由输入模件、输出模件、电源模件、CPU 控制器件、总线底板模件组成 , 输入模件、输出模件、电源模件、CPU 控制器件、接口模件通过总线底板模件连接并安装在总线底板模件上 , 现场控制站 15 的接口模件为工业交换机、以太网模板、现场总线 , 操作员站 16 为工业计算机或工业触摸屏 , 现场控制站 15 的接口模件与操作员站 16 连接。现场控制站 15 和操作员站 16 组成市场成熟的 DCS 或 PLC 系统。

3、气体流量测量控制方法:
 气体流量测量控制方法所采用的步骤如下 :
 
a . 当主差压测量装置 10 测得瞬时流量小于***大流量的 1/3 时 , 即 :
 (1)
式中 :Q-- 瞬时流量 ,Nm3/h;ε1-- 流量下行死区设定值 ,Nm3/h;QMAX-- 被测介质的***大流量 ,Nm3/h。
 现场控制站 15 切断取压主支管 6 中的主回路电磁阀 7, 打开取压副支管 10 中的副回路电磁阀 7, 采用副差压测量装置 12 进行流量计算。为保证测量切换的稳定性 , 避免在瞬时流量处于临界值时 , 即  测量导压管路频繁切换的情况 , 故设置死区设定值 ε1。在切换的瞬间 , 为保持数据的稳定性 , 现场控制站 15保持切换前的数值 3s。ε1 为在操作员站 16 上人工设定 ,一般取 ε1 为  的 10%;b . 当主差压测量装置 9 测得瞬时流量大于***大流量的 1/3 时 , 即
 
(2)
 式中 :Q-- 瞬时流量 ,Nm3/h;ε2-- 流量上行死区设定值 ,Nm3/h;QMAX-- 被测介质的***大流量 ,Nm3/h。现场控制站 15 切断取压副支管 10 中的副回路电磁阀 7, 打开取压主支管 6 中的主回路电磁阀 7, 采用主差压测量装置 9 进行流量计算。为保证测量切换的稳定性 ,避免在瞬时流量处于临界值时 , 即  测量导压管路频繁切换的情况 , 故设置死区设定值 ε2。在切换的瞬间 , 为保持数据的稳定性 , 现场控制站 15 保持切换前的数值 3s。ε2 为在操作员站 16 上人工设定 , 一般取 ε2 为  的 10%; c. 副差压测量装置 12 量程的计算首先主差压测量装置 9 ***大差压值△ P M A X 由工况下差压式气体流量计 2 计算得出。
  副差压测量装置 12 差压值上限计算见公式 :
 
(3)
 
式中 :Q-- 瞬时流量 ,Nm3/h;QMAX-- 被测介质的***大流量 ,Nm3/h; △ P -- 副差压测量装置 12 的差压值 ,Pa; △ PMAX-- 主差压测量装置 9 的差压值 ,KPa。由于当瞬时流量  或  时进行流量测量管路切换 , 其中 ε1、ε2 为死区设定值 ,在计算副差压测量装置 12 差压值时 ,ε1、ε2 可设定为 0,所以根据上述公式得 :
 
(4)
 
可以根据上述公式计算的差压值来对副差压测量装置 12 进行选型工作。以上的数据在操作员站 16 上进行监视操作。

4、气体流量测量装置及控制法实施:
 
本研究的气体流量测量装置的实施例的各个部件如下 :
 
气体管道 1 的规格为焊接钢管 φ2020*10 和焊接钢管 φ2620*10(2 根管道 );
 
差压式气体流量计 2 为节流装置 , 型号为 LGH;
 
取压主管 3 的规格为焊接钢管 DN20;
 
手动球阀 4 的型号为 Q11F-16 型 ,PN1.6MPa,DN20;
 
取压主管 3 安装的三通管接头 5 的型号为 YZG5-10-22;
 
取压主支管 6 的规格为焊接钢管 DN15;
 
取压主支管 6 安装的三通管接头 5 的型号为 YZG取压主支管 6 安装的主回路电磁阀 7 的型号为 2243
 
22-446,DN15,ASCO 238 系列电磁阀 ;
 
主三阀组 8 为主差压测量装置 9 附带 ;
 
主差压测量装置 9 的型号为 EJA110A 型差压变送器 ;
 
取压副支管 10 的规格为焊接钢管 DN15;
 
取压副支管 10 安装的副回路电磁阀 7 的型号为
 
224322-446,DN15,ASCO 238 系列电磁阀 ;
 
副三阀组 11 为副差压测量装置 12 附带 ;
 
副差压测量装置 12 的型号为 EJA120A 型微差压变送器 ;
 
压力测量装置 13 的型号为 EJA530A 型压力变送器 ,
 
附带压力表接头和压力表球阀 ;
 
温度测量装置 14 的型号为 WZP-240 型热电阻 , 附
 
带 M27*2 的直型连接头 ;
 
现场控制站 15 的构成器件如下 :
 
输入模件的型号为 6ES7 331-7KF02-0AB0 和 6ES
 
7 321-1BL00-0AA0;
 
输出模件的型号为 6ES7 322-1BL00-0AA0;
 
电源模件的型号为 6ES7 307-1KA01-0AA0 CPU 控制器件的型号为 6ES7 315-2AH14-0AB0;
 
接口模件的型号为 Moxa EDS - G205、6ES7 343-1EX30-0XE0 和 6ES7 153-1AA03-0XB0;
 
总线底板模件的型号为 6ES7390-1GF30-0AA0;
 
操作员站 16 的型号为研华 IPC-610H 型。
 
4.1 气体流量测量实例 1
 
某现场差压式气体流量计 2 为节流装置 ( 角接取压孔板 ), 材质为 Q235, 测量介质为混合煤气 , 气体管道
 
1 材质为 Q235, ***大流量 120000Nm3/h, 常用流量为
 
80000Nm3/h, 工作压力 3kPa, 管道内径为 2000mm, 根
 
据差压式气体流量计 2 计算 , 主差压测量装置 9 的差压变送器***大差压为 4000Pa, 即量程为 4kPa, 常用差压
 
为 1.778kPa。但是气体管道 1 的工作流量大部分时间
 
为 20000 ~ 30000Nm3/h, 此时***大差压仅为 250Pa, 所
 
以如果使用主差压测量装置 9( 量程为 4kPa) 测量 250Pa
 
的差压值 , 量程比为 16:1, 主差压测量装置 9 所测量得到的流量值将是不准确的 , 误差很大 [2]
 
采用本研究的控制方法 , 主差压测量装置 9 测得瞬时流量 Q=30000Nm3/h, 被测介质的***大流量
 
QMAX=120000Nm3/h, 流量下行死区设定值 :
 
ε12=*10% = ≈1333Nm3/h,
满足公式 :, 按本研究的控制方法步骤

a 工作 , 现场控制站 15 切断取压主支管 6 的主回路电磁
 
阀 7, 打开取压副支管 10 的副回路电磁阀 7, 采用副差压测量装置 12 进行流量测量。
 
副差压测量装置 12 量程按本研究的控制方法步骤 c
 
进行计算 :
 
首先主差压测量装置 9 ***大差压值△ P M A X =4k P a ,
 
由工况下差压式气体流量计 2 计算得出。按切换条件 , , 副差压测量装置 12 差压值上限 : 
 
当大部分瞬时流量 Q =30000N m3/ h 时 , 副差压测量装置 12 的工作差压 :
 
 
工作在副差压测量装置 12 的 50% 以上 , 测量精度较高。
 
当主差压测量装置 9 测得瞬时流量大于***大流量的1/3 时 , 即 :
 
=40000+1333=41333Nm3/h 时 , 按本研究的控制方法步骤 b 进行工作 , 现场控制站 15 切断取压副支管 10 的副回路电磁阀 7, 打开取压主支管 6 的主回路电磁阀 7, 采用主差压测量装置 9 进行流量测量。

4.2、气体流量测量实例 2:
 
某现场差压式气体流量计 2 为节流装置 ( 角接取压孔板 ) , 材质为 Q235, 测量介质为混合煤气 , 气体管道1 材质为 Q235, ***大流量 150000N m3/ h , 常用流量为100000N m3/ h , 工作压力 3k P a , 管道内径为 2600m m ,
 根据差压式气体流量计 2 计算主差压测量装置 10 的差压变送器***大差压为 1600Pa, 即量程为 1.6kPa, 常用差压为 0.771k P a。但是现场实际工作的瞬时流量大部分时间为 40000m3/ h , 常用差压仅为 114P a , 所以如果仍然使用原使用量程为 1.6kPa 的主差压测量装置 9, 量程比为 15:1, 变送器所测量得到的流量值将是不准确的。
 采用本研究的控制方法 , 主差压测量装置 9 测得瞬时流量 Q =40000N m3/ h , 被测介质的***大流量QMAX=150000Nm3/h, 流量下行死区设定值 :
 ε12= *10%= ≈ 1667Nm3/h, 
满足公式 : , 按本研究的控制方法步
 骤 a 工作 , 现场控制站 15 切断取压主支管 6 的主回路电磁阀 7, 打开取压副支管 10 的副回路电磁阀 7, 采用副差压测量装置 12 进行流量测量。
 
副差压测量装置 12 量程按本研究的控制方法步骤 c
 
进行计算 :
 
首先主差压测量装置 9 ***大差压值△ PMAX=1.6kPa,
 
由工况下差压式气体流量计 2 计算得出。按切换条件 ,, 副差压测量装置 12 差压值上限 :
当大部分瞬时流量 Q=40000Nm3/h 时 , 副差压测量装置 12 的工作差压 :
 
工作在副差压测量装置 12 的 60% 以上 , 测量精度较高。
 
当主差压测量装置 9 测得瞬时流量大于***大流量的1/3 时 , 即 :
 =50000+1667=51667Nm3/h 时 , 按本研究的控制方法步骤 b 进行工作 , 现场控制站 15切断取压副支管 10 的副回路电磁阀 7, 打开取压主支管 6 的主回路电磁阀 7, 采用主差压测量装置 9 进行流量测量。
 
5、结束语:
 本研究的气体流量测量装置 , 通过焊接方式安装在被测气体管道上的差压式气体流量计的高压侧和低压侧 ,气体流量测量装置中设置有取压主管、取压主支管、取压副支管、主三阀组、主差压测量装置、副三阀组、副差压测量装置、现场控制站以及手动球阀、电磁阀 , 在气体管道的气体流量发生变化时 , 现场控制站可以对测量装置进行切换 , 采用不同的差压测量装置进行气体流量测量 , 大大提高了测量精度 , 彻底解决了工业生产中流量范围过大、且长时间工作在小流量况下、流量计量不准、甚至流量计无法使用的难题。本研究不用对现有的工艺管道进行改动 , 不但节约了改建费用 , 而且不会影响生产的正常进行 , 保证了生产的连续性。本研究有效解决了长期困扰生产的难题 , 是工业气体流量测量设备和方法领域的创新 , 对生产控制过程起到了重要作用 ,具有显著的经济效益 , 在生产中有极大的推广使用价值。

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