高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)在利安德裝置使用現(xiàn)狀的幾點(diǎn)思考

王俊偉（鎮(zhèn)海石化建安石化工程公司儀電項(xiàng)目部，浙江 寧波 315200）

鎮(zhèn)海煉化東區(qū)利安德28.5萬(wàn)噸環(huán)氧丙烷/62萬(wàn)噸苯乙烯（POSM）聯(lián)產(chǎn)裝置是100萬(wàn)噸/年乙烯工程的重要下游配套工程，裝置具有規(guī)模大、現(xiàn)場(chǎng)儀表先進(jìn)、系統(tǒng)控制復(fù)雜等特點(diǎn)。其中大量應(yīng)用了Emerson公司的Micro Motion的Elite型質(zhì)量流量計(jì)，采用了1700變送器。由于該儀表采用了獨(dú)特的科里奧利力原理（CMF），所以能直接測(cè)量氣體、液體的質(zhì)量流量而不受溫度、壓力、粘度、密度等的影響，無(wú)可動(dòng)機(jī)械部件，對(duì)直管段無(wú)要求，對(duì)于氣液流量精度在正常工況下分別可以達(dá)到±0.35%，±0.10%，并同時(shí)可直接測(cè)量密度、溫度等參數(shù)。但在日常的應(yīng)用和維護(hù)實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)其某些性能進(jìn)行分析探求和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量還要受工藝條件等多方面制約。

1 關(guān)于RS485 modbus通信的實(shí)踐

普通的質(zhì)量流量計(jì)一般采用4~20mA+HART的通訊方式（1、2端子），但是對(duì)于采用了最新的MVD多參數(shù)技術(shù)的1700型變送器，往往4~20mA輸出只代表了HART 通信中定義的PV（主變量）：質(zhì)量流量，而像密度、溫度等無(wú)法從該輸出一并獲得，特別是該廠POSM裝置除裝車(chē)站外有近13臺(tái)用于貿(mào)易計(jì)量的流量計(jì)，按照貿(mào)易計(jì)量有關(guān)規(guī)定，除了質(zhì)量流量，還需要質(zhì)量流量累積量，該累積量必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或積算儀直接讀取，不能通過(guò)二次系統(tǒng)。所以傳統(tǒng)的4~20mA輸出無(wú)法實(shí)現(xiàn)該功能。那么借助質(zhì)量流量計(jì)強(qiáng)大的RS485 modbus通信功能（5、6端子），就可以通過(guò)對(duì)其內(nèi)部不同寄存器的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多參數(shù)的讀取和操作。

當(dāng)1700變送器5、6端子采用modbus RTU協(xié)議，而非HART方式（HART地址為0）時(shí)，則1、2端主mA電流輸出正常指示流量，恒定端電壓為23V。否則主mA電流固定為4mA。另外1、2端間加上250歐標(biāo)準(zhǔn)電阻，仍可掛375組態(tài)。而9739變送器一旦采用通信，mA電流固定為4mA。

雖然串行方式理論上可以將多達(dá)幾十臺(tái)表用一個(gè)端口通信，但在實(shí)踐上發(fā)現(xiàn)該裝置比較合理的一個(gè)網(wǎng)段是3臺(tái)表以內(nèi)可保證通信可靠和實(shí)時(shí)性。這樣按照區(qū)域分為以下幾個(gè)網(wǎng)段，見(jiàn)表1。

表1

（1）以FT103005、FT107006網(wǎng)段為例，采用如圖1所示的串行接線方式。

圖1 串行接線方式

（2）現(xiàn)場(chǎng)表組態(tài)，通過(guò)375或prolink軟件，需要修改的參數(shù)：

波特率：9600；停止位：1；奇偶校驗(yàn)位：none；modbus protocol：RTU；modbus站地址：網(wǎng)段中每塊表唯一的串口地址，規(guī)定FT103005是1，F(xiàn)T107006是2。需要特別重視現(xiàn)場(chǎng)表和上位機(jī)參數(shù)單位量綱統(tǒng)一，以免造成不必要的麻煩。

（3）網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，因?yàn)閮x表信號(hào)先到網(wǎng)絡(luò)柜的終端服務(wù)器terminal server，再轉(zhuǎn)換成honeywell PKS系統(tǒng)的專(zhuān)門(mén)FTE協(xié)議被DCS讀取。故對(duì)終端服務(wù)器組態(tài)：根據(jù)terminal server IP，在DOS中運(yùn)行telnet命令，open該terminal server IP（進(jìn)入設(shè)備設(shè)置），組態(tài)儀表信號(hào)連的端口PORT，包括端口名稱、波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位：8位。必須與儀表一致。保存退出。

（4） DCS組態(tài)，在quick builder中，建立modbus channel，填寫(xiě)正確的terminal server IP、端口PORT、modbus RTU協(xié)議；建立modbus controllers，這里是兩個(gè)controller，一個(gè)是FT103005，plc station ID是1；一個(gè)是FT107006，plc station ID是2，分別填寫(xiě)正確的控制器類(lèi)型data table。最后是每個(gè)controller下點(diǎn)point建立，在pv source address中注意流量計(jì)中不同的寄存器代表不同的內(nèi)容，見(jiàn)表2。完善掃描周期、區(qū)域分配、量程、單位、描述、報(bào)警值、記錄趨勢(shì)。保存下裝。

表2

這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量流量計(jì)的表頭直讀，工藝計(jì)量員通過(guò)顯示屏直接計(jì)量、核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)，目前RS485 modbus通信的利用在國(guó)內(nèi)也是不多見(jiàn)的。經(jīng)過(guò)近大半年的使用反饋來(lái)看，維護(hù)量也極小，已成為我裝置以后解決類(lèi)似儀表計(jì)量的參考方案。

2 關(guān)于壓力補(bǔ)償

一般CMF標(biāo)定工況壓力在0.2Mpa左右，當(dāng)實(shí)際工況壓力（0.3-1.5Mpa甚至更高）時(shí)，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)已證實(shí)，當(dāng)壓力偏離不大時(shí)，其壓力效應(yīng)對(duì)CMF影響較小[1]，而當(dāng)壓力偏離較大時(shí)（2Mpa以上），對(duì)流量系數(shù)FCF（銘牌上5位數(shù)字）有較大影響，可根據(jù)式計(jì)算：FCFNEW=FCFOLD×[1-壓力效應(yīng)×（P實(shí)際-P標(biāo)定）]，壓力效應(yīng)見(jiàn)表3。

表3

壓力偏離越高，流量誤差也越大。在POSM裝置中有10臺(tái)流量計(jì)的介質(zhì)壓力都在0.2Mpa以上，但大多數(shù)的誤差在使用精度內(nèi)，只有FT103004、FT103005和碼頭裝船F(xiàn)T05101、FT05201誤差較大，需要對(duì)其進(jìn)行在線壓力補(bǔ)償。在線壓力補(bǔ)償又分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。

經(jīng)過(guò)使用和分析發(fā)現(xiàn)雖然FT103004、FT103005工作壓力在2.4Mpa左右，但是工況基本穩(wěn)定，所以采用靜態(tài)補(bǔ)償：通過(guò)375或prolink軟件，開(kāi)啟允許壓力補(bǔ)償選項(xiàng)，分別輸入流量系數(shù)FCF（%/Psi）；密度系數(shù)（g/cm3/psi），可通過(guò)產(chǎn)品資料獲得；流量標(biāo)定壓力（高準(zhǔn)是30Psi）；固定壓力值（這里是2.4Mpa）。

而裝船CMF壓力波動(dòng)范圍大（PO線FT05101，0.15~0.43Mpa；SM線FT05201，0.09~1.32 Mpa），且屬于貿(mào)易計(jì)量，故需要采用動(dòng)態(tài)輪詢外部壓力表實(shí)時(shí)更新壓力值，由于MVD1700型變送器沒(méi)有9739型的專(zhuān)用壓力表補(bǔ)償端子。采用如圖2所示壓力補(bǔ)償方式。

圖2 壓力補(bǔ)償方式

圖2 中R用于CMF讀取壓力變送器的HART信號(hào)，一般250Ω以上。需要設(shè)置PT05102壓力變送器位號(hào)、壓力單位、HART地址（為2，毫安輸出固定為4mA）、允許被輪詢、輪詢變量為壓力；通過(guò)375或prolink，設(shè)置CMF HART地址（為1），開(kāi)啟允許壓力補(bǔ)償選項(xiàng)，分別輸入流量系數(shù)、密度系數(shù)、流量標(biāo)定壓力，還需設(shè)置作為主機(jī)輪詢，外部設(shè)備為PT05102，變量為壓力，單位統(tǒng)一。因?yàn)榇薈MF主mA固定，所以通過(guò)串口來(lái)獲得流量值。（當(dāng)然資料中也有介紹將CMF HART地址設(shè)為0，這樣CMF主mA可以讀取，但并不是所有場(chǎng)合都通用）

而目前的CMF各型傳感器中配備了高精度Pt100，適用工況溫度為-240~204℃甚至更高，所以溫度變化效應(yīng)對(duì)CMF使用精度影響甚微。只有極端工況下（343℃以上或波動(dòng)大時(shí)）才考慮外部溫度補(bǔ)償，方法同上。

3 關(guān)于頻率輸出使用

對(duì)于1000 系列的變送器，頻率輸出（3、4端子）的組態(tài)由毫安輸出組態(tài)控制，如果4~20mA輸出分配為質(zhì)量流量，頻率輸出也分配為質(zhì)量流量，同步變化。對(duì)2000 系列變送器，頻率輸出于mA 輸出無(wú)關(guān)。為頻率輸出分配的過(guò)程變量總是HART 通信中定義的TV（第三變量）。頻率輸出范圍0~10000Hz。在POSM公路裝車(chē)站共11臺(tái)CMF以頻率輸出的方式被批控器DL8000采集。因我裝車(chē)站采用1700變送器，需用375或prolink軟件設(shè)置： PV和TV變量為同一變量質(zhì)量流量，選擇頻率輸出方式-脈沖數(shù)/單位（液相PO料500Hz/kg，氣相PO料6000Hz/kg；液相SM料200Hz/kg），其他脈寬、極性等默認(rèn)值即可。

頻率輸出采集的流量大小也是和量程設(shè)置有關(guān)，超量程也會(huì)報(bào)警（A100）。這在使用中應(yīng)該要重視，否則會(huì)影響批控器的正常計(jì)量，如暫停裝車(chē)等。

表4

4 關(guān)于手動(dòng)調(diào)零

零位作為CMF參考點(diǎn)，其在實(shí)際投運(yùn)中產(chǎn)生的漂移將大大影響CMF的精度，由于該漂移來(lái)源于傳感器，故在安裝方式、選型、環(huán)境等考慮周到下還是不可避免的，在進(jìn)行調(diào)零時(shí)確保流體滿管且完全靜止，加之合適的調(diào)零時(shí)間都是保證精確度的重要前提。同樣POSM公路裝車(chē)站3臺(tái)SM CMF由于裝車(chē)量大批次多，所以經(jīng)常產(chǎn)生零點(diǎn)漂移造成誤差，剛開(kāi)始采用自動(dòng)標(biāo)零，但效果不佳，相比地秤始終存在恒定偏差（一車(chē)約30噸，誤差約為100kg，裝車(chē)時(shí)間為20min）。分析原因后發(fā)現(xiàn)實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況（設(shè)計(jì)未考慮氣相SM損耗和空車(chē)載氣量），故采用手動(dòng)調(diào)零，通過(guò)固化調(diào)零系數(shù)不再讓CMF隨機(jī)地選擇測(cè)量起始點(diǎn)，雖然需要每臺(tái)表prolink單獨(dú)設(shè)，但精度提高了，克服了自動(dòng)標(biāo)零的隨機(jī)不確定性。如表4所示。連續(xù)5次流量計(jì)累積與汽車(chē)衡量偏差在千分之三范圍之內(nèi)，滿足計(jì)量要求。

5 關(guān)于氫氣流量測(cè)量

CMF有一個(gè)與標(biāo)定相關(guān)的零點(diǎn)和測(cè)量常數(shù)。零點(diǎn)通常在實(shí)際運(yùn)行的條件下確定；測(cè)量常數(shù)FCF由工廠在標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)標(biāo)定確定[2]。由于CMF能直接測(cè)量流體密度，是因?yàn)榘凑諒椥阅?shù)理論，彈簧所懸掛物體的質(zhì)量和它振動(dòng)的頻率成反比。這一概念引入到流量管的振動(dòng)，整體質(zhì)量（測(cè)量管和內(nèi)部介質(zhì)之和）越大，其振動(dòng)頻率就越小。通過(guò)檢測(cè)已知密度（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水和空氣，密度D1、D2）的介質(zhì)流經(jīng)測(cè)量管時(shí)的頻率K1、K2，可以得到密度與頻率之間的線性關(guān)系。然后通過(guò)感知實(shí)際工作下振動(dòng)頻率換算到密度。CMF也有密度范圍的，對(duì)液體所有E型CMF都是0~5g/cm3，雖然對(duì)氣體并無(wú)具體密度范圍，但其測(cè)量范圍也是相當(dāng)寬泛的。而氫氣作為一種工業(yè)氣體，其密度為0.089g/L，接近于CMF測(cè)量下限，傳統(tǒng)的體積式儀表難以測(cè)量，采用MVD數(shù)字技術(shù)的CMF在流體敏感性和流動(dòng)誘導(dǎo)噪音免疫性方面的性能大大提高，測(cè)量量程比高達(dá)100：1，測(cè)量密度量程比達(dá)60：1，加上不受管道入口流動(dòng)狀態(tài)的影響，所以已具備對(duì)其精準(zhǔn)測(cè)量的條件。

POSM裝置700單元的FT107006，用于從化肥供氫至氫氣脫水包、加氫反應(yīng)器的計(jì)量。設(shè)計(jì)溫度15℃、壓力3Mpa、流量285kg/h(實(shí)際介質(zhì)含水)。由于采用最新MVD 1700變送器，使得對(duì)氫氣流動(dòng)造成的噪音的抗干擾和處理低流量性能提高。應(yīng)注意的幾點(diǎn)：

（1）在相同氣壓下，即使管道系統(tǒng)對(duì)于空氣或其他普通氣體是密不透氣的，但氫氣依然可能會(huì)從系統(tǒng)中泄漏出來(lái)。所以FT107006用法蘭接頭具有金屬對(duì)金屬的密封或襯墊，管道法蘭等級(jí)ANSI 300lb，管道接口全焊接，CMF雙密封結(jié)構(gòu)保證密封程度。

（2） 氫脆化效應(yīng)[2]，它主要影響高強(qiáng)度鋼鐵，而不銹鋼、奧氏不銹鋼(如304L、316L)實(shí)際上對(duì)氫脆化是有抵抗性的，這是由于鎳基合金C-22的Ni-Cr-Mo結(jié)構(gòu)。FT107006傳感器采用316L不銹鋼作為材料(CMF100M329NAGAMZZZ)，確保了在測(cè)量氫氣時(shí)長(zhǎng)期可靠的壽命。

目前該表長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行在溫度18℃、壓力2.66Mpa、流量221.1kg/h左右工況，質(zhì)量流量精度達(dá)到實(shí)際流量的±0.5%±(傳感器的零點(diǎn)穩(wěn)定性/流速)×100%。

[1] 袁國(guó)富. 工況壓力對(duì)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2004(4).

[2] 高準(zhǔn)公司. 科里奧利流體測(cè)量技術(shù)在氫氣計(jì)量中的應(yīng)用[DB/OL].