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  時(shí)間:2024-4-8 08:51:28

差壓式流量計溫壓補償信號影響

摘要:差壓式流量計測量介質(zhì)流量過(guò)程中因介質(zhì)的密度受介質(zhì)壓力和溫度的影響,所以要采用溫壓信號對流量值進(jìn)行補償。采用DCS系統分別對溫度和壓力信號的波動(dòng)對最終流量值的影響進(jìn)行了數據模擬分析,說(shuō)明了溫度和壓力信號的穩定性和準確性對流量的測量是至關(guān)重要的,分析了DCS系統中典型的溫壓補償邏輯存在的薄弱點(diǎn),并給出了相應的解決方案。
  在電力生產(chǎn)中流量屬于重要的測量參數,差壓式流量計以其較低的價(jià)格、廣泛的應用場(chǎng)合、長(cháng)期的使用經(jīng)驗,以及越來(lái)越高的精度在流量測量中一直占有非常重要的地位。為提高差壓式流量計測量精度,經(jīng)常需要對介質(zhì)流量測量進(jìn)行相應的溫度壓力補償,溫壓補償信號的準確和穩定對測量具有重要的影響。某電廠(chǎng)曾發(fā)生由于用于補償鍋爐主給水流量信號的溫度信號發(fā)生故障導致主給水流量大幅波動(dòng)的情況,嚴重影響了機組的安全穩定運行。
1差壓式流量計工作原理
  差壓式流量計主要由節流部件和差壓變送器組成,其原理遵循伯努利方程和流動(dòng)連續性方程。在密閉管道中的單相流體經(jīng)過(guò)節流件時(shí),由于管道內的流通截面突然減小,流體的流速急速增大,因而流體的動(dòng)能相應增加。此時(shí)流體的部分位能轉化為動(dòng)能,流體在節流件前后就會(huì )產(chǎn)生壓力差。這個(gè)壓差值與流體的流量有一個(gè)數值比,因此只要測量壓差,就可以得到流體通過(guò)管道的流量。差壓變送器將測量的節流件前后實(shí)時(shí)差壓值送至分散控制系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DCS系統),在DCS系統內根據相應的計算公式就可以計算出實(shí)時(shí)的流量值。在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中,節流件前后的差壓值與流量值之間的計算公式常采用如下公式:
 
式(1)中:
qm一質(zhì)量流量。
△P一節流件前后取壓口的差壓。
ρ一節流件正端取壓口平面上的流體密度。
K一-綜合系數(一般可根據節流件計算說(shuō)明書(shū)中給出.的節流件開(kāi)孔直徑、可膨脹性系數、流量系數等參數直接求出)。
2差壓式流量計溫壓補償的必要性
  從式(1)中可以看出,采用差壓式流量計測流量參數中,節流件前后取壓口的差壓可以通過(guò)差壓變送器直接進(jìn)行測量。K值為一常數,唯一不確定變量為被測介質(zhì)的密度ρ。而被測介質(zhì)的密度又與被測介質(zhì)的溫度和壓力有關(guān),在實(shí)際生產(chǎn)中介質(zhì)的溫度和壓力值一般不是固定的,而是隨生產(chǎn)工況的變化而隨時(shí)變化的,即被測介質(zhì)的密度值是隨時(shí)變化的。對于密度變化所帶來(lái)的影響可以通過(guò)密度補償的方式來(lái)進(jìn)行修正,以得到最接近真實(shí)情況的流量,即對被測介質(zhì)的流量值進(jìn)行溫壓補償。
3溫壓補償信號對流量測量值的影響
  某電廠(chǎng)鍋爐采用超超臨界、螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構架、露天布置的I型鍋爐,DCS系統采用H-5000M系統。機組正常運行中給水系統采用兩臺50%容量汽動(dòng)給水泵,主給水流量測量采用差壓變送器+節流噴嘴的方式,機組額定工況下主給水壓力約為28MPa,主給水溫度約為300℃。DCS系統中主給水流量的計算邏輯如圖1所示。
 
3.1溫度補償信號對流量值的影響
  假定機組某一工況下主給水壓力為28MPa,差壓變送器測得的節流件前后差壓值為100kPa,溫度信號因故障導致跳變。以300℃為基準以50為一數據間隔,分別輸人到DCS系統進(jìn)行模擬,溫度信號變化對主給水流量的影響。
  眾所周知水的臨界點(diǎn)為壓力22.129MPa,溫度374.15℃。從表1可以看出給水溫度在350℃~400℃之間波動(dòng)時(shí),給水流量波動(dòng)最大。表明在此溫度區間內DCS系統計算時(shí)認為水已經(jīng)從液態(tài)轉換為了汽態(tài),壓縮水的密度大幅降低導致最終的給水流量發(fā)生大幅下降。
 
3.2壓力補償信號對流量值的影響
  假定機組某一工況下主給水溫度為300,差壓變送器測得的節流件前后差壓值為100kPa,主給水壓力信號因故障導致跳變。以28MPa為基準,以4MPa為一數據間隔,分別輸人到DCS系統進(jìn)行模擬,壓力信號變化對主給水流量的影響。
  從表2可以看出,在壓力為12MPa~8MPa之間壓縮水的密度大幅度降低。經(jīng)計算12MPa壓力下水的飽和溫度為325℃C,8MPa壓力下水的飽和溫度為295℃,低于了預置值300℃。表明在此壓力區間內DCS系統計算時(shí)認為水已經(jīng)從液態(tài)轉換為了汽態(tài),壓縮水的密度大幅降低導致最終的給水流量發(fā)生大幅下降。
 
  綜上所述,采用差壓式流量計測量介質(zhì)流量時(shí)溫度、壓力信號的穩定性和準確性對最終能否正確地測量介質(zhì)流量是至關(guān)重要的,尤其是溫度或壓力信號發(fā)生大幅度跳變使二次計算軟件(如DCS系統)認為被測介質(zhì)的狀態(tài)已發(fā)生汽液兩相變化時(shí),將導致被測介質(zhì)的流量值大幅失真。如果被測介質(zhì)的流量信號參與機組重要聯(lián)鎖保護時(shí),將對機組的安全穩定運行產(chǎn)生重要影響。
4溫壓補償信號薄弱點(diǎn)分析及解決對策
  現在電力生產(chǎn)中已經(jīng)重視參與重要聯(lián)鎖保護信號的可靠性問(wèn)題,參與控制的信號一般采取三取中,參與保護的信號一般采取三取二的方式進(jìn)行信號真實(shí)性的判斷。但仍普遍存在的一個(gè)盲點(diǎn)為只重視參與保護信號的本身是不是冗余和分散的,卻忽視了修正這些信號的測點(diǎn)的可靠性。如前述的鍋爐主給水流量信號,主給水流量信號作為參與鍋爐給水流量控制和鍋爐給水流量低保護的信號對整個(gè)鍋爐的安全穩定運行是至關(guān)重要的。從測點(diǎn)數量上來(lái)看,3個(gè)主給水流量信號滿(mǎn)足模擬量控制系統中的三取中,保護系統中三取二的信號配置原則。但因為有溫壓補償信號的存在,就還需要從另一方面再次考量主信號的可靠性。
1)溫度或壓力信號三重冗余配置
  增加溫度或壓力信號的數量,溫度或壓力信號本身和主信號一樣也采用三重冗余的方式進(jìn)行配置。這樣的話(huà)無(wú)論是一對一的對主信號進(jìn)行補償或補償信號三選后再分別對主信號進(jìn)行補償,對提高主信號的可靠性都是有利的。但受制于現場(chǎng)設備的實(shí)際情況,如果在設計階段就沒(méi)有考慮三重冗余的設置,后期增加的話(huà)一般是比較困難的,尤其是在電廠(chǎng)中的四大管道上增加測點(diǎn)。所以,溫壓測點(diǎn)多重冗余的配置方式最好在設計階段就應該進(jìn)行考慮。
2)溫度或壓力測點(diǎn)雙冗余配置
  溫度或壓力測點(diǎn)雙冗余配置在一定程度上可以提高主測點(diǎn)的可靠性,但要特別注意雙冗余測點(diǎn)信號的處理方式,否則可能會(huì )比單測點(diǎn)信號更不可靠。
 
  從圖2可以看出,在邏輯設計中已經(jīng)考慮了當溫度或壓力信號出現故障時(shí)邏輯會(huì )自動(dòng)保持故障前的密度值,防止信號故障導致的密度值大幅失真。用于補償計算密度值的溫度或壓力信號如果為雙冗余配置的話(huà),往往采用雙重冗余信號兩選之后的值。當兩個(gè)信號都正常時(shí)則兩選值輸出為兩個(gè)測量值的均值;當兩個(gè)信號中的其中一個(gè)故障時(shí)則切除故障信號,選擇其中正常的信號作為輸出信號。
  信號故障的判斷方式一般分為兩種:當信號超量程或超過(guò)預設的變化速率時(shí)認為該信號故障。不同的被測對象往往具有不同的變化速率,速率判斷一般需要根據生產(chǎn)現場(chǎng)被測介質(zhì)的實(shí)際情況由經(jīng)驗值給出。信號超量程的判斷一般根據DCS系統中預設的信號量程,當實(shí)際檢測的信號超過(guò)量程的-5%~105%時(shí)認為信號故障。壓力信號一般由壓力變送器進(jìn)行檢測,采用壓力變送器時(shí)要求DCS系統內設置的信號量程要和就地變送器中設置的量程一致,所以DCS系統中壓力信號的量程設置一般都比較嚴謹。溫度信號一般采用熱電阻熱電偶進(jìn)行檢測,熱電阻或熱電偶測量溫度時(shí)不依賴(lài)于DCS系統中設置的信號量程,而是根據檢測到的電阻值(熱電阻)或毫伏值(熱電偶)進(jìn)行測量,所以相對壓力信號來(lái)講溫度信號在DCS中設置的量程值較為隨意,這就為超量程判斷信號故障埋下了隱患。
  舉例來(lái)講,如果在機組正常運行中用于補償流量信號的溫度信號值約為300℃,溫度信號在DCS系統中設置的量程上下限為0℃~1000℃。當其中一個(gè)溫度信號跳變至700℃時(shí),這時(shí)的DCS系統不會(huì )判斷其為故障,則兩個(gè)溫.度信號經(jīng)雙選塊后輸出為500℃。根據表1中的數據可以得出此時(shí)的流量值已經(jīng)大幅失真,嚴重影響了機組的安全穩定運行。
  雙冗余配置的溫壓補償測點(diǎn),其中任一測點(diǎn)波動(dòng)均會(huì )影響輸出值,如果信號故障判斷功能設置不合理,在某種程度上講將會(huì )比單個(gè)測點(diǎn)可靠性更低。所以,雙冗余配置的測點(diǎn)在信號故障判斷時(shí)應合理地設置信號量程,尤其要保證任一信號跳變時(shí)兩選輸出值不要超過(guò)被測介質(zhì)汽液兩相的轉換點(diǎn),否則將引起被測介質(zhì)流量的大幅波動(dòng)。
3)溫度或壓力信號單點(diǎn)配置
  如果溫度或壓力信號單點(diǎn)配置時(shí),要充分考慮單點(diǎn)信號故障后對被測介質(zhì)流量的影響,需要設置合理的信號故障判斷邏輯和參數,除此還可考慮對溫壓補償后的密度值進(jìn)行限幅,保證溫壓補償后的介質(zhì)密度值不因溫壓補償信號故障發(fā)生大幅跳變。除上述外,還需考慮如果單點(diǎn)信號故障且又無(wú)法及時(shí)進(jìn)行處理的情況下對設備長(cháng)期運行的影響。在增加實(shí)際測點(diǎn)困難的情況下,可考慮采用類(lèi)似信號代替的方法,如采用同--管道或同一設備上與該測點(diǎn)特征具有高度相似的其它測點(diǎn)進(jìn)行代替。如果上述辦法仍存在困難,還可考慮采用其它特征信號擬合的辦法,如根據實(shí)際運行經(jīng)驗采用機組負荷信號折算出對應的函數擬合出一條接近的曲線(xiàn)代替實(shí)際測點(diǎn)。采用測點(diǎn)代替的方法時(shí)需要考慮當真實(shí)測點(diǎn)故障后切換至代替測點(diǎn)時(shí)的無(wú)擾切換問(wèn)題。
5結論
  對差壓式流量計測量介質(zhì)流量時(shí),溫壓補償信號對流量測量的影響進(jìn)行了分析。對溫壓補償邏輯中易忽略的薄弱點(diǎn)進(jìn)行了分析并給出了相關(guān)的解決方案,目的是為了使溫壓補償信號在差壓式流量計測介質(zhì)流量時(shí)能發(fā)揮其本來(lái)功能,而不使其成為影響介質(zhì)流量測量的問(wèn)題,以期能夠為廣大的生產(chǎn)技術(shù)人員提供借鑒經(jīng)驗。

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