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案例頻道 （鎮海石化建安石化工程公司儀電項目部，浙江 寧波 315200） 王俊偉
摘要：通過對鎮海煉化東區利安德裝置所使用的高準質量流量計現狀的反饋分析，從中發掘的幾點問題進行思考和闡述。
關鍵詞：質量流量計；科里奧利力；準確測量
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28.5萬噸環氧丙烷/62萬噸苯乙烯 (POSM)聯產裝置是100萬噸/年乙烯工程的重要下游配套工程，裝置具有規模大、現場儀表先進、系統控制復雜等特點。其中大量應用了Emerson公司的Micro Motion的Elite型質量流量計，采用了1700變送器。由于該儀表采用了獨特的科里奧利力原理(CMF)，所以能直接測量氣體、液體的質量流量而不受溫度、壓力、粘度、密度等的影響，無可動機械部件，對直管段無要求，對于氣液流量精度在正常工況下分別可以達到±0.35%，±0.10%，并同時可直接測量密度、溫度等參數。但在日常的應用和維護實踐中，通過對其某些性能進行分析探求和總結，發現現場的準確測量還要受工藝條件等多方面制約。
1 關于RS485 modbus通信的實踐
普通的質量流量計還是普遍采用4-20mA+HART的方式（1，2端子），但是對于像采用了最新的MVD多參數技術的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）：質量流量，而像密度、溫度等無法從該輸出一并獲得，特別是我POSM裝置除裝車站外有近13臺用于貿易計量的流量計，按照貿易計量有關規定，除了質量流量，還需要質量流量累積量，該累積量必須通過現場設備或積算儀直接讀取，不能通過二次系統。所以傳統的4-20mA輸出無法實現該功能。那么借助質量流量計強大的RS485 modbus通信功能（5，6端子），就可以通過對其內部不同寄存器的操作來實現對多參數的讀取和操作。
當1700變送器5，6端子采用modbus RTU協議，而非HART方式（HART地址為0）時，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歐標準電阻，仍可掛375組態。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幾十臺表用一個端口通信，但在實踐上發現我裝置比較合理的一個網段是3臺表以內可保證通信可靠和實時性。這樣按照區域分為以下幾個網段，見表1。
表1
（1）以FT103005、FT107006網段為例，采用如圖1所示的串行接線方式。
圖1
（2）現場表組態，通過375或prolink軟件，需要修改的參數：
波特率：9600; 停止位：1; 奇偶校驗位：none; modbus protocol：RTU; modbus站地址：網段中每塊表唯一的串口地址，規定FT103005是1，FT107006是2。需要特別重視現場表和上位機參數單位量綱統一，以免造成不必要的麻煩。
（3）網絡組態，因為儀表信號先到網絡柜的終端服務器terminal server，再轉換成honeywell PKS系統的專門FTE協議被DCS讀取。故對終端服務器組態：根據terminal server IP，在DOS中運行telnet命令，open該terminal server IP（進入設備設置），組態儀表信號連的端口PORT，包括端口名稱，波特率，停止位，奇偶校驗位，數據位：8位。必須與儀表一致。保存退出。
（4） DCS組態，在quick builder中，建立modbus channel，填寫正確的terminal server IP、端口PORT, modbus RTU協議；建立modbus controllers,這里是兩個controller，一個是FT103005，plc station ID是1;一個是FT107006，plc station ID是2，分別填寫正確的控制器類型data table。最后是每個controller下點point建立，在pv source address中注意流量計中不同的寄存器代表不同的內容，見表2，完善掃描周期、區域分配、量程、單位、描述、報警值、記錄趨勢。保存下裝。
表2
這樣就實現了對現場質量流量計的表頭直讀，工藝計量員通過顯示屏直接計量、核對現場原始數據，目前RS485 modbus通信的利用在國內也是不多見的。經過近大半年的使用反饋來看，維護量也極小，已成為我裝置以后解決類似儀表計量的參考方案。
2 關于壓力補償
一般CMF標定工況壓力在0.2Mpa左右，當實際工況壓力(0.3-1.5Mpa甚至更高)時，通過相關文獻試驗已證實，當壓力偏離不大時，其壓力效應對CMF影響較小[1]，而當壓力偏離較大時(2Mpa以上)，對流量系數FCF(銘牌上5位數字)有較大影響，可根據式計算： ，壓力效應見表3。
表3
壓力偏離越高，流量誤差也越大。在POSM裝置中有10臺流量計的介質壓力都在0.2Mpa以上，但大多數的誤差在使用精度內，只有FT103004、FT103005和碼頭裝船FT05101、FT05201誤差較大，需要對其進行在線壓力補償。在線壓力補償又分為靜態和動態兩種。
經過使用和分析發現雖然FT103004、FT103005工作壓力在2.4Mpa左右，但是工況基本穩定，所以采用靜態補償：通過375或prolink軟件，開啟允許壓力補償選項，分別輸入流量系數FCF-%/Psi；密度系數-g/cm3/psi，可通過產品資料獲得；流量標定壓力(高準是30Psi)；固定壓力值(這里是2.4Mpa)。
而裝船CMF壓力波動范圍大(PO線FT05101，0.15-0.43Mpa；SM線FT05201，0.09-1.32 Mpa)，且屬于貿易計量，故需要采用動態輪詢外部壓力表實時更新壓力值，由于MVD1700型變送器沒有9739型的專用壓力表補償端子。采用如圖2所示。
圖2 壓力補償方式
圖中R用于CMF讀取壓力變送器的HART信號，一般250歐以上。需要設置PT05102壓力變送器位號、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375或prolink，設置CMF HART地址(為1)，開啟允許壓力補償選項，分別輸入流量系數、密度系數、流量標定壓力，還需設置作為主機輪詢，外部設備為PT05102，變量為壓力，單位統一。因為此CMF主mA固定，所以通過串口來獲得流量值。（當然資料中也有介紹將CMF HART地址設為0，這樣CMF主mA可以讀取，但并不是所有場合都通用）
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，所以溫度變化效應對CMF使用精度影響甚微。只有極端工況下(343℃以上或波動大時)才考慮外部溫度補償，方法同上。
3 關于頻率輸出使用
對于1000 系列的變送器，頻率輸出（3，4端子）的組態由毫安輸出組態控制，如果4-20mA輸出分配為質量流量，頻率輸出也分配為質量流量，同步變化。對2000 系列變送器，頻率輸出于mA 輸出無關。為頻率輸出分配的過程變量總是HART 通信中定義的TV （第三變量）。頻率輸出范圍0-10000Hz。在POSM公路裝車站共11臺CMF以頻率輸出的方式被批控器DL8000采集。因我裝車站采用1700變送器，需用375或prolink軟件設置： PV和TV變量為同一變量質量流量，選擇頻率輸出方式-脈沖數/單位(液相PO料500Hz/kg，氣相PO料6000 Hz/kg；液相SM料200Hz/kg)，其他脈寬、極性等默認值即可。
頻率輸出采集的流量大小也是和量程設置有關，超量程也會報警(A100)。這在使用中應該要重視，否則會影響批控器的正常計量，比如暫停裝車等。
4 關于手動調零
零位作為CMF參考點，其在實際投運中產生的漂移將大大影響CMF的精度，由于該漂移來源于傳感器，故在安裝方式、選型、環境等考慮周到下還是不可避免的，在進行調零時確保流體滿管且完全靜止，加之合適的調零時間都是保證精確度的重要前提。同樣POSM公路裝車站3臺SM CMF由于裝車量大批次多，所以經常產生零點漂移造成誤差，剛開始采用自動標零，但效果不佳，相比地秤始終存在恒定偏差(一車約30噸，誤差約為100kg，裝車時間為20min)。分析原因后發現實際工況偏離設計工況(設計未考慮氣相SM損耗和空車載氣量)，故采用手動調零，通過固化調零系數不再讓CMF隨機地選擇測量起始點，雖然需要每臺表prolink單獨設，但精度提高了，克服自動標零的隨機不確定性。
表4
連續5次流量計累積與汽車衡量偏差在千分之三范圍之內,滿足計量要求。
5 關于氫氣流量測量
CMF有一個與標定相關的零點和測量常數。零點通常在實際運行的條件下確定；測量常數FCF由工廠在標準工況時水標定確定[2]。由于CMF能直接測量流體密度，是因為按照彈性模數理論，彈簧所懸掛物體的質量和它振動的頻率成反比。這一概念引入到流量管的振動，整體質量（測量管和內部介質之和）越大，其振動頻率就越小。通過檢測已知密度（標準狀態下水和空氣，密度D1、D2）的介質流經測量管時的頻率K1、K2，可以得到密度與頻率之間的線性關系。然后通過感知實際工作下振動頻率換算到密度。CMF也有密度范圍的，對液體所有E型CMF都是0-5g/cm3，雖然對氣體并無具體密度范圍，但其測量范圍也是相當寬泛的。而氫氣作為一種工業氣體，其密度為0.089g/L，接近于CMF測量下限，傳統的體積式儀表難以測量，采用MVD數字技術的CMF在流體敏感性和流動誘導噪音免疫性方面的性能大大提高，測量量程比高達100：1，測量密度量程比達60：1，加上不受管道入口流動狀態的影響，所以已具備對其精準測量的條件。
POSM裝置700單元的FT107006，用于從化肥供氫至氫氣脫水包、加氫反應器的計量。設計溫度15℃、壓力3Mpa、流量285kg/h(實際介質含水)。由于采用最新MVD 1700變送器，使得對氫氣流動造成的噪音的抗干擾和處理低流量性能提高。應注意的幾點：
（1）在相同氣壓下，即使管道系統對于空氣或其他普通氣體是密不透氣的，但氫氣依然可能會從系統中泄漏出來。所以FT107006用法蘭接頭具有金屬對金屬的密封或襯墊，管道法蘭等級ANSI 300lb，管道接口全焊接，CMF雙密封結構保證密封程度。
（2） 氫脆化效應[2]，它主要影響高強度鋼鐵，而不銹鋼、奧氏不銹鋼(如304L、316L)實際上對氫脆化是有抵抗性的，這是由于鎳基合金C-22的Ni-Cr-Mo結構。FT107006傳感器采用316L不銹鋼作為材料(CMF100M329NAGAMZZZ)，確保了在測量氫氣時長期可靠的壽命。
目前該表長期穩定運行在溫度18℃、壓力2.66Mpa、流量221.1kg/h左右工況，質量流量精度達到實際流量的±0.5%±(傳感器的零點穩定性/流速)×100%。
參考文獻
[1] 袁國富. 工況壓力對質量流量計測量準確度的影響[J]. 工業控制計算機,2004(4).
[2] 高準公司. 科里奧利流體測量技術在氫氣計量中的應用[DB/OL].
摘自《自動化博覽》2011年第六期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號