1 蒸汽测量系统的构成
目前涡街流量计由于仪表内无机械可动部件、使用寿命长、压力损失小,量程比宽,在蒸汽流量测量中得到广泛的应用。选用德国E+H公司的PA总线型涡街流量计实现蒸汽的流量测量。
涡街流量计的工作原理为KARMAN涡街的原理,即当流体流过挡体时,两旁会交替产生旋涡,旋涡产生的频率与流速成正比:
式中,f为旋涡频率; st为斯特罗哈尔数;v为流体速度;d为挡体宽度。那么,流过管子的流体流量也与旋涡频率成正比:
或
式中,qv为流体的体积流量/m3/h,qm为流体质量流量/kg/h;f为旋涡频率/Hz;b为涡街流量传感器的仪表系数/升/次;ρ为流体密度/kg/m3。
从式(3)可以看出,质量流量qm的测量受密度ρ的影响,而在某一状态下饱和蒸汽的密度ρ和压力P(温度T)之间有着确定的非线性对应关系,故本系统采用压力补偿。
基于以上分析,在每台涡街流量计前设置PA总线压力变送器,充分利用锅炉控制系统中控制仪表的测量信息,如采用锅炉气包压力作为锅炉出汽流量的压力补偿,实现测控一体化,最大限度的降低系统投资。系统共有8个蒸汽流量测量点,流量计和压力变送器通过DP/PA Link连接在锅炉控制系统的PLC上,通过系统PLC对蒸汽压力和体积流量的采集,直接在PLC内进行蒸汽质量流量的计算,节省了流量积算仪的设置。计量数值和仪表信息(如故障信息)等通过工业以太网传送到能源管理中心的管理站。蒸汽流量测量系统硬件结构见图1。
2 软件设计
2.1 拟合公式的确定
饱和蒸汽的压力与密度之间的关系是非线性的[4],在2MPa压力以下,它们之间的关系为:ρ=1/1.7235p·15/16,这个非线性关系不便于实现补偿,但在压力变化的一定范围内,若将压力适当的分段,则各段上的密度与压力之间近似为线性关系。
通过分析饱和蒸汽性质表[3]中的有关数据可知,饱和蒸汽的密度随蒸汽的压力的增加而增加,但两者的增加速度不一样,利用这种关系,采用变系数补偿法,该补偿公式的一般形式为[5]:
式中:ρ—饱和蒸汽密度;P—蒸汽压力; k′—初始补偿系数;Pm—压力补偿段下限压力;B—k′的修正系数;k′·[1-(p-pm)·B]—变系数。
从式(4)可以看出,变系数补偿法具有减小压力测量误差对密度补偿的影响。
系统使用的饱和蒸汽的压力范围在0. 2 ~1.1MPa。为了较为准确的计算,将压力范围设置在0.1~1.3MPa。为了简化运算,并保证测量系统的精度,设置了5个区间(见表1)。对于不满足工艺要求的P<0.1MPa的蒸汽流量作为小信号切除,不纳入计量。
2.2 PLC软件设计
将已知的压力—密度数据组进行曲线拟合后,通过检测压力变化值,根据压力的范围分别进行计算,得出对应的密度,根据式(3)便得到了饱和蒸汽的质量流量。程序流程图如图2所示。
3 应用效果分析
自2002年投入运行以来,结果表明:将现场总线技术应用于蒸汽流量测量系统,辅之合理的密度补偿方法,很好地解决了蒸汽的计量问题。系统运行稳定,数据准确,及时有效,获得了较高的测量精度,节省了设备投资,大大提高了管理水平。
参考文献:
[1]杨庆伯,等.现场总线型变送器的特点及应用[J].世界仪表与自动化, 2002, (11).
[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社, 1999.
[3]钟史明,等.水和水蒸气性质参数手册[M].北京:水利电力出版社, 1989.
[4]程贺.流量测量及补偿技术[M].北京:化学工业出版社,1995.
[5]孙栓梁.涡街流量计测量饱和蒸汽质量流量和密度补偿法的探讨[J].自动化仪表, 1997, 18(10).
作者简介:黄杭昌(1971—),男,工程师,主要研究方向为信号检测与控制。
（收稿日期:2005-08）
