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

    摘要：通過對(duì)鎮(zhèn)海煉化東區(qū)利安德裝置所使用的高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)現(xiàn)狀的反饋分析，從中發(fā)掘的幾點(diǎn)問題進(jìn)行思考和闡述。 

    關(guān)鍵詞：質(zhì)量流量計(jì)；科里奧利力；準(zhǔn)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(huán)氧丙烷/62萬噸苯乙烯 (POSM)聯(lián)產(chǎn)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(guī)模大、現(xiàn)場儀表先進(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，無可動(dòng)機(jī)械部件，對(duì)直管段無要求，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)場的準(zhǔn)確測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)還是普遍采用4-20mA+HART的方式（1，2端子），但是對(duì)于像采用了最新的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(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，該累積量必須通過現(xiàn)場設(shè)備或積算儀直接讀取，不能通過二次系統(tǒng)。所以傳統(tǒng)的4-20mA輸出無法實(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），就可以通過對(duì)其內(nèi)部不同寄存器的操作來實(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)我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


    （2）現(xiàn)場表組態(tài)，通過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)的專門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，分別填寫正確的控制器類型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。保存下裝。
           
                                              表2    
                              
                                 
      這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場質(zhì)量流量計(jì)的表頭直讀，工藝計(jì)量員通過顯示屏直接計(jì)量、核對(duì)現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)，目前RS485 modbus通信的利用在國內(nèi)也是不多見的。經(jīng)過近大半年的使用反饋來看，維護(hù)量也極小，已成為我裝置以后解決類似儀表計(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： ，壓力效應(yīng)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(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375或prolink軟件，開啟允許壓力補(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型變送器沒有9739型的專用壓力表補(bǔ)償端子。采用如圖2所示。  

              
                                        圖2    壓力補(bǔ)償方式

       圖中R用于CMF讀取壓力變送器的HART信號(hào)，一般250歐以上。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375或prolink，設(shè)置CMF HART地址(為1)，開啟允許壓力補(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，所以通過串口來獲得流量值。（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 輸出無關(guān)。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(tái)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(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6000 Hz/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，比如暫停裝車等。

    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公路裝車站3臺(tái)SM CMF由于裝車量大批次多，所以經(jīng)常產(chǎn)生零點(diǎn)漂移造成誤差，剛開始采用自動(dòng)標(biāo)零，但效果不佳，相比地秤始終存在恒定偏差(一車約30噸，誤差約為100kg，裝車時(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損耗和空車載氣量)，故采用手動(dòng)調(diào)零，通過固化調(diào)零系數(shù)不再讓CMF隨機(jī)地選擇測量起始點(diǎn)，雖然需要每臺(tái)表prolink單獨(dú)設(shè)，但精度提高了，克服自動(dòng)標(biāo)零的隨機(jī)不確定性。

                                         表4
        

連續(xù)5次流量計(jì)累積與汽車衡量偏差在千分之三范圍之內(nèi),滿足計(jì)量要求。

    5 關(guān)于氫氣流量測量

      CMF有一個(gè)與標(biāo)定相關(guān)的零點(diǎn)和測量常數(shù)。零點(diǎn)通常在實(shí)際運(yùn)行的條件下確定；測量常數(shù)FCF由工廠在標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)水標(biāo)定確定[2]。由于CMF能直接測量流體密度，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（測量管和內(nèi)部介質(zhì)之和）越大，其振動(dòng)頻率就越小。通過檢測已知密度（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)氣體并無具體密度范圍，但其測量范圍也是相當(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測量下限，傳統(tǒng)的體積式儀表難以測量，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，測量量程比高達(dá)100：1，測量密度量程比達(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。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)，確保了在測量氫氣時(shí)長期可靠的壽命。

    目前該表長期穩(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%。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 袁國富. 工況壓力對(duì)質(zhì)量流量計(jì)測量準(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. 科里奧利流體測量技術(shù)在氫氣計(jì)量中的應(yīng)用[DB/OL].

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第六期