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余热锅炉蒸汽流量的温度压力补偿及在DCS系统中的实现方法

时间:2018/04/06来源:未知

    要:

将“IFC-1967公式”用于水蒸汽流量的温度压力补偿, 可以保证企业测量及统计蒸汽流量和累计用量。利用DCS系统提供的结构化文本编程组态方式, 将IFC-1967公式写入到系统, 并封装成通用功能块, 在DCS系统中实现了对余热锅炉过热蒸汽流量的准确测量。

 

0概述

在现代生产和生活的各个领域, 蒸汽被广泛用做载热工质, 是重要的二次能源。提高蒸汽流量计量的度, 对准确掌握企业能耗水平和能源利用率, 提高企业的管理水平和经济效益, 都有十分重要的意义。过热蒸汽流量的测量常常采用的测量仪表有标准节流孔板流量计、涡街流量计、均速管流量计等。下面以标准节流孔板为例, 先容蒸汽流量测量过程中的温度压力补偿及在DCS系统中的实现。

以往蒸汽流量测量中, 除需安装节流孔板流量计以外, 还需配备差压仪表作为变送单元, 流量智能积算仪作为显示单元, 并由积算仪送出标准信号 (如4~20m A电流值) 至DCS系统, 为DCS系统流量显示及统计提供依据, 如图1所示。随着DCS系统的成熟和不断发展, 为提高测量精度, 节约成本, 以往由智能流量积算仪进行的蒸汽流量温度压力补偿及计算功能, 目前倾向于在DCS系统中完成。这就需要在DCS系统中建立合理的蒸汽流量温度压力补偿模型。

图1 配备流量积算仪的蒸汽流量测量系统

图1 配备流量积算仪的蒸汽流量测量系统   下载原图

 

1 过热蒸汽流量的计算

1.1 节流式差压流量计测量蒸汽的质量流量公式

节流式差压流量计测量工质流量的一般表达式为[1]:

 

计算公式

 

式中:qm—质量流量, kg/s;C—流出系数;ε1—可膨胀系数;d—工作条件下节流件的开孔直径, m;Δp—差压, Pa;ρ1—节流件正端取压口平面上的流体密度, kg/m;β—直径比。其中, β和d为常数, C和ε1在一定范围之内也可看做常数[2], 孔板流量计生产商会在孔板计算书中提供这些参数。因此 (1) 式可简化成:

 

计算公式

 

由 (2) 式可知, 蒸汽的质量流量是密度和差压的函数。差压信号可以由标准孔板流量计测量并由差压变送器变送成标准信号, 作为DCS系统计算依据。因此, 要准确的测量蒸汽质量流量, 就需要尽可能获取工作状态下的蒸汽密度。表1是水泥窑余热发电系统常用的蒸汽参数变化范围, 可知蒸汽的密度有很大的变化。要获得准确的蒸汽流量数值, 必须建立可靠的蒸汽密度计算模型, 由蒸汽流量的温度压力补偿转化为对蒸汽密度的温度压力修正。文献[3]根据IAPWS-1997系列公式, 拟合了计算饱和蒸汽在工业锅炉压力范围内的密度模型, 计算精度可以满足工业企业计量饱和蒸汽流量的需求。但是该模型计算蒸汽密度只限于饱和蒸汽, 对于过热蒸汽并不适用。文献[4]提出了以过热蒸汽密度表为依据, 利用线性内差法计算过热蒸汽密度的思路, 具有较高性。但是此方法在DCS系统中实现时, 需要利用DCS系统的线性化拟合模块。对过热蒸汽密度的温度压力修正需要将过热蒸汽密度表的二维表格进行拟合, 这样就需要一系列线性化模块, 使用的模块太多会使计算模型复杂, 占用系统空间, 模块太少又不能保证计算精度。本文提出了基于IFC-1967公式进行蒸汽密度温度压力修正的方法, 并利用结构化文本 (ST) 语言在DCS系统中封装了通用功能块, 不论是饱和蒸汽还是过热蒸汽, 只需将蒸汽工作状态下的温度压力输入到功能块中, 即可获得该状态下蒸汽密度, 并由流量计算公式 (1) , 计算出蒸汽流量。

表1 过热蒸汽密度表 (部分)    下载原表

表1 过热蒸汽密度表 (部分)

1.2 利用IFC-1967公式[5]进行蒸汽密度温度压力修正

国际公式化委员会 (IFC) 制定的蒸汽热力学性质, 被广泛应用于工程设计和科学研究等领域, 其可靠性得到了公认。利用IFC-1967公式计算蒸汽密度, 在压力为0~16.65 MPa的范围内, 计算的过热蒸汽及饱和蒸汽密度值完全符合国际标准。应用此公式, 不需要判断蒸汽是饱和状态还是过热状态, 只需将当前工作状态下的蒸汽温度、压力输入该公式, 即可准确算得蒸汽的密度, 见式 (3) , (4) , 公式中各个常数值见表2。

 

计算公式

 

 

计算公式

 

 

计算公式

 

2 过热蒸汽流量计算在DCS系统中的实现

本章以ABB企业的Freelance 800F系统为例, 重点先容利用IFC-1967公式进行蒸汽密度温度压力修正的过程在DCS系统中的一种实现方法。

Freelance 800F作为ABB Industrial IT控制系统认证的新一代DCS系统, 融传统的DCS和PLC优点于一体, 并支撑多种国际现场总线标准。它既具有DCS的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面及方便的工程App, 同时又具有与PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。

表2 IFC-1967公式的常数    

表2 IFC-1967公式的常数

Control Build F (CBF) App是该系统中用于自动化控制策略组态、现场总线设备硬件组态和操作员站界面组态的工具。CBF支撑的组态方式包括功能块图 (FBD) 、指令表 (IL) 、梯形图 (LD) 、顺控图 (SFC) 及结构化文本 (ST) 。结构化文本非常适合用于复杂逻辑和复杂计算程序的编写, 它是符合IEC61131-3标准的面向文本的编程语言, CBF中所有的函数和功能块都可以在ST编程中调用。如前文所述, IFC-1967蒸汽密度温度压力修正公式由于其参数众多且计算过程繁杂, 所以要在DCS系统实现该公式, 结构化文本语言便成为优选的编程方式。如果希翼将IFC-1967蒸汽密度温度压力修正公式封装成为通用功能块, 则需要在CBF项目树中创建用户功能块池 (P-FB) , 并在该池中定义新的功能块。为方便应用, 将IFC-1967蒸汽密度温度压力修正公式及蒸汽流量计算公式封装到同一个功能块中, 供程序中多处蒸汽流量测点使用。篇幅所限, 对程序各部分的代码进行了适当的简化:

计算公式

 

计算公式

 

封装完成后即可将功能块用于程序中, 如图1。功能块输入管脚中, P为蒸汽压力 (MPa) , t为蒸汽温度 (℃) , d P为现场差压变送器送至中控的孔板流量计的差压信号 (Pa) ;输出管脚中, G为蒸汽流量 (t/h) , Den为蒸汽密度 (kg/m) ;其他参数, 如功能块的流出系数、直径比、孔径、可膨胀系数等参数从孔板流量计供应商提供的计算书中获取, 见图2。需要注意的是, 由于IFC-1967公式中所用到的压力都是压力, 而现场仪表测量值多为表压, 需将仪表的表压值送至DCS的表压信号转换成压力, 即将表压值和当地大气压值进行求和运算, 将结果作为功能块的压力信号输入。

图1 蒸汽流量补偿通用功能块的使用

图1 蒸汽流量补偿通用功能块的使用   

 

图2 蒸汽流量补偿功能块参数设置

图2 蒸汽流量补偿功能块参数设置  

 

在功能块应用于项目之前, 利用Freelance 800F系统提供的仿真控制器功能, 对功能块的计算精度进行了测试。假设过热蒸汽参数为P=2.5 MPa, t=3300℃, 如图3所示, 利用Steam F_IFC功能块计算蒸汽密度的结果为ρ'=9.479 662 kg/m, 查过热蒸汽密度表得其密度为ρ=9.4806 kg/m, 误差为:

图3 由蒸汽流量补偿功能块计算蒸汽密度

图3 由蒸汽流量补偿功能块计算蒸汽密度

 

 

计算公式

 

某项目中的一处过热蒸汽孔板流量计, 供货商的计算书中标明蒸汽工作状态参数为P=2.40MPa, t=3900℃, 孔板差压上限ΔPmax=80 k Pa, ***大流量为Gmax=57.4 t/h, 由自定义功能块中计算出的流量G'=56.6637 t/h, 如图4。流量的计算误差为:

 

计算公式

 

图4 由蒸汽流量补偿功能块计算蒸汽流量

图4 由蒸汽流量补偿功能块计算蒸汽流量

 

由以上计算结果可见, 利用IFC-1967蒸汽密度温度压力修正公式对蒸汽的密度进行修正, 进而求得蒸汽流量, 蒸汽密度及流量计算结果误差很小。表3列举了伊犁天山水泥有限责任企业余热发电项目调试期间几种不同工况下, 由DCS系统封装的Steam F_IFC功能块计算的蒸汽流量数据。由表3数据可见, Steam F_IFC功能块可以根据现场蒸汽温度、压力及测点处差压信号的变化, 真实准确的计算出各不同工况的蒸汽流量, 可以满足工业企业对蒸汽计量的需求。

表3 不同工况下Steam F_IFC功能块对蒸汽流量的计算结果 

表3 不同工况下Steam F_IFC功能块对蒸汽流量的计算结果

3 结论

利用“IFC—1967公式”对水蒸汽密度进行温度压力修正, 虽然公式较为繁杂, 但是借助DCS系统自带的强大的编程语言, 只需细致的将公式及其参数输入到系统中, 并封装成通用的功能块, 便可实现在系统中的多个蒸汽流量测点的使用。

在中材国际工程股份有限企业为伊犁天山水泥有限责任企业提供的DCS系统中, 采用了上述方法, 在DCS系统实现了蒸汽流量的温度压力补偿, 在无需业主额外配置智能流量积算仪的前提下, 便可计量不同工况下水蒸汽的流量, 降低了项目建设成本, 同时为企业本身及计量部门对蒸汽用量的统计及核算提供了依据。


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