為提高差壓式流量計(jì)測(cè)量精度，經(jīng)常需要對(duì)介質(zhì)流量測(cè)量進(jìn)行相應(yīng)的溫度壓力補(bǔ)償，溫壓補(bǔ)償信號(hào)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定對(duì)測(cè)量具有重要的影響。2022年浙江省某電廠曾發(fā)生由于用于補(bǔ)償鍋爐主給水流量信號(hào)的溫度信號(hào)發(fā)生故障導(dǎo)致主給水流量大幅波動(dòng)的情況，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1、差壓式流量計(jì)工作原理
差壓式流量計(jì)主要由節(jié)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(xù)性方程。在密閉管道中的單相流體經(jīng)過節(jié)流件時(shí)，由于管道內(nèi)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(yīng)增加。此時(shí)流體的部分位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流體在節(jié)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(shù)值比，因此只要測(cè)量壓差，就可以得到流體通過管道的流量。差壓變送器將測(cè)量的節(jié)流件前后實(shí)時(shí)差壓值送至分散控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱DCS系統(tǒng))，在DCS系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式就可以計(jì)算出實(shí)時(shí)的流量值。在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，節(jié)流件前后的差壓值與流量值之間的計(jì)算公式常采用如下公式：
qm為質(zhì)量流量；ΔP為節(jié)流件前后取壓口的差壓；ρ為節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度；K為綜合系數(shù)(一般可根據(jù)節(jié)流件計(jì)算說明書中給出的節(jié)流件開孔直徑、可膨脹性系數(shù)、流量系數(shù)等參數(shù)直接求出)。
2、差壓式流量計(jì)溫壓補(bǔ)償?shù)谋匾?/span>
從公式中可以看出，采用差壓式流量計(jì)測(cè)流量參數(shù)中，節(jié)流件前后取壓口的差壓可以通過差壓變送器直接進(jìn)行測(cè)量。K值為一常數(shù)，唯一不確定變量為被測(cè)介質(zhì)的密度ρ。而被測(cè)介質(zhì)的密度又與被測(cè)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(cè)介質(zhì)的密度值是隨時(shí)變化的。對(duì)于密度變化所帶來的影響可以通過密度補(bǔ)償?shù)姆绞絹磉M(jìn)行修正，以得到最接近真實(shí)情況的流量，即對(duì)被測(cè)介質(zhì)的流量值進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。
3、溫壓補(bǔ)償信號(hào)對(duì)流量測(cè)量值的影響
浙江省某電廠鍋爐采用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產(chǎn)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(gòu)架、露天布置的Π型鍋爐，型號(hào)為B&W B-3048/26.15-605/603-M。DCS系統(tǒng)采用北京日立H-5000M系統(tǒng)。機(jī)組正常運(yùn)行中給水系統(tǒng)采用兩臺(tái)50%容量汽動(dòng)給水泵，主給水流量測(cè)量采用差壓變送器+節(jié)流噴嘴的方式，機(jī)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(tǒng)中主給水流量的計(jì)算邏輯如圖1所示。
圖1 某廠DCS系統(tǒng)主給水流量計(jì)算邏輯
注：OR-或門邏輯；SG-信號(hào)發(fā)生器(此處置常數(shù)0.001的目的為將密度單位由kg/m3轉(zhuǎn)換為t/m3);VCL-壓縮水的比容積計(jì)算(計(jì)算處理參照IAPWS-IF97基準(zhǔn))；DIV-除法器(X1/X2);ASW-模擬量切換塊(切換腳為1時(shí),輸出Y=X1；切換腳為0時(shí),輸出Y=X2);MLT-乘法器；RT-開方(K為常數(shù))。
3.1 溫度補(bǔ)償信號(hào)對(duì)流量值的影響
假定機(jī)組某一工況下主給水壓力為28MPa，差壓變送器測(cè)得的節(jié)流件前后差壓值為100kPa，溫度信號(hào)因故障導(dǎo)致跳變。以300℃為基準(zhǔn)以50℃為一數(shù)據(jù)間隔，分別輸入到DCS系統(tǒng)進(jìn)行模擬，研究溫度信號(hào)變化對(duì)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(qū)間內(nèi)DCS系統(tǒng)計(jì)算時(shí)認(rèn)為水已經(jīng)從液態(tài)轉(zhuǎn)換為了汽態(tài)，壓縮水的密度大幅降低導(dǎo)致最終的給水流量發(fā)生大幅下降。
3.2 壓力補(bǔ)償信號(hào)對(duì)流量值的影響
表1 溫度信號(hào)變化對(duì)流量值的影響
假定機(jī)組某一工況下主給水溫度為300℃，差壓變送器測(cè)得的節(jié)流件前后差壓值為100kPa，主給水壓力信號(hào)因故障導(dǎo)致跳變。以28MPa為基準(zhǔn)，以4MPa為一數(shù)據(jù)間隔，分別輸入到DCS系統(tǒng)進(jìn)行模擬，研究壓力信號(hào)變化對(duì)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(jì)算12MPa壓力下水的飽和溫度為325℃，8MPa壓力下水的飽和溫度為295℃，低于了預(yù)置值300℃。表明在此壓力區(qū)間內(nèi)DCS系統(tǒng)計(jì)算時(shí)認(rèn)為水已經(jīng)從液態(tài)轉(zhuǎn)換為了汽態(tài)，壓縮水的密度大幅降低導(dǎo)致最終的給水流量發(fā)生大幅下降。
表2 壓力信號(hào)變化對(duì)流量值的影響
注：壓縮水的比容積計(jì)算函數(shù)VCL的適用范圍為1KPa≤P≤100MPa，故表2中最后一個(gè)參數(shù)選為1kPa。
綜上所述，采用差壓式流量計(jì)測(cè)量介質(zhì)流量時(shí)溫度、壓力信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對(duì)最終能否正確地測(cè)量介質(zhì)流量是至關(guān)重要的，尤其是溫度或壓力信號(hào)發(fā)生大幅度跳變使二次計(jì)算軟件(如DCS系統(tǒng))認(rèn)為被測(cè)介質(zhì)的狀態(tài)已發(fā)生汽液兩相變化時(shí)，將導(dǎo)致被測(cè)介質(zhì)的流量值大幅失真。如果被測(cè)介質(zhì)的流量信號(hào)參與機(jī)組重要聯(lián)鎖保護(hù)時(shí)，將對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。
4、溫壓補(bǔ)償信號(hào)薄弱點(diǎn)分析及解決對(duì)策
現(xiàn)在電力生產(chǎn)中已經(jīng)非常重視參與重要聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)的可靠性問題，參與控制的信號(hào)一般采取三取中，參與保護(hù)的信號(hào)一般采取三取二的方式進(jìn)行信號(hào)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(hù)信號(hào)的本身是不是冗余和分散的，卻忽視了修正這些信號(hào)的測(cè)點(diǎn)的可靠性。如本文前述的鍋爐主給水流量信號(hào)，主給水流量信號(hào)作為參與鍋爐給水流量控制和鍋爐給水流量低保護(hù)的信號(hào)對(duì)整個(gè)鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的。從測(cè)點(diǎn)數(shù)量上來看，3個(gè)主給水流量信號(hào)滿足模擬量控制系統(tǒng)中的三取中，保護(hù)系統(tǒng)中三取二的信號(hào)配置原則。但因?yàn)橛袦貕貉a(bǔ)償信號(hào)的存在，就還需要從另一方面再次考量主信號(hào)的可靠性。
1)溫度或壓力信號(hào)三重冗余配置
增加溫度或壓力信號(hào)的數(shù)量，溫度或壓力信號(hào)本身和主信號(hào)一樣也采用三重冗余的方式進(jìn)行配置。這樣的話無論是一對(duì)一的對(duì)主信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償或補(bǔ)償信號(hào)三選后再分別對(duì)主信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)提高主信號(hào)的可靠性都是有利的。但受制于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際情況，如果在設(shè)計(jì)階段就沒有考慮三重冗余的設(shè)置，后期增加的話一般是比較困難的，尤其是在電廠中的四大管道上增加測(cè)點(diǎn)。所以，溫壓測(cè)點(diǎn)多重冗余的配置方式最好在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該進(jìn)行考慮。
圖2 一種典型的溫壓補(bǔ)償計(jì)算密度邏輯
2)溫度或壓力測(cè)點(diǎn)雙冗余配置
溫度或壓力測(cè)點(diǎn)雙冗余配置在一定程度上可以提高主測(cè)點(diǎn)的可靠性，但要特別注意雙冗余測(cè)點(diǎn)信號(hào)的處理方式，否則可能會(huì)比單測(cè)點(diǎn)信號(hào)更不可靠。
從圖2可以看出，在邏輯設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮了當(dāng)溫度或壓力信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)邏輯會(huì)自動(dòng)保持故障前的密度值，防止信號(hào)故障導(dǎo)致的密度值大幅失真。用于補(bǔ)償計(jì)算密度值的溫度或壓力信號(hào)如果為雙冗余配置的話，往往采用雙重冗余信號(hào)兩選之后的值。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)都正常時(shí)則兩選值輸出為兩個(gè)測(cè)量值的均值；當(dāng)兩個(gè)信號(hào)中的其中一個(gè)故障時(shí)則切除故障信號(hào)，選擇其中正常的信號(hào)作為輸出信號(hào)。
信號(hào)故障的判斷方式一般分為兩種：當(dāng)信號(hào)超量程或超過預(yù)設(shè)的變化速率時(shí)認(rèn)為該信號(hào)故障。不同的被測(cè)對(duì)象往往具有不同的變化速率，速率判斷一般需要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際情況由經(jīng)驗(yàn)值給出。信號(hào)超量程的判斷一般根據(jù)DCS系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的信號(hào)量程，當(dāng)實(shí)際檢測(cè)的信號(hào)超過量程的-5%～105%時(shí)認(rèn)為信號(hào)故障。壓力信號(hào)一般由壓力變送器進(jìn)行檢測(cè)，采用壓力變送器時(shí)要求DCS系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的信號(hào)量程要和就地變送器中設(shè)置的量程一致，所以DCS系統(tǒng)中壓力信號(hào)的量程設(shè)置一般都比較嚴(yán)謹(jǐn)。溫度信號(hào)一般采用熱電阻或熱電偶進(jìn)行檢測(cè)，熱電阻或熱電偶測(cè)量溫度時(shí)不依賴于DCS系統(tǒng)中設(shè)置的信號(hào)量程，而是根據(jù)檢測(cè)到的電阻值(熱電阻)或毫伏值(熱電偶)進(jìn)行測(cè)量，所以相對(duì)壓力信號(hào)來講溫度信號(hào)在DCS中設(shè)置的量程值較為隨意，這就為超量程判斷信號(hào)故障埋下了隱患。
舉例來講，如果在機(jī)組正常運(yùn)行中用于補(bǔ)償流量信號(hào)的溫度信號(hào)值約為300℃，溫度信號(hào)在DCS系統(tǒng)中設(shè)置的量程上下限為0℃～1000℃。當(dāng)其中一個(gè)溫度信號(hào)跳變至700℃時(shí)，這時(shí)的DCS系統(tǒng)不會(huì)判斷其為故障，則兩個(gè)溫度信號(hào)經(jīng)雙選塊后輸出為500℃。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以得出此時(shí)的流量值已經(jīng)大幅失真，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
雙冗余配置的溫壓補(bǔ)償測(cè)點(diǎn)，其中任一測(cè)點(diǎn)波動(dòng)均會(huì)影響輸出值，如果信號(hào)故障判斷功能設(shè)置不合理，在某種程度上講將會(huì)比單個(gè)測(cè)點(diǎn)可靠性更低。所以，雙冗余配置的測(cè)點(diǎn)在信號(hào)故障判斷時(shí)應(yīng)合理地設(shè)置信號(hào)量程，尤其要保證任一信號(hào)跳變時(shí)兩選輸出值不要超過被測(cè)介質(zhì)汽液兩相的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，否則將引起被測(cè)介質(zhì)流量的大幅波動(dòng)。
3)溫度或壓力信號(hào)單點(diǎn)配置
如果溫度或壓力信號(hào)單點(diǎn)配置時(shí)，要充分考慮單點(diǎn)信號(hào)故障后對(duì)被測(cè)介質(zhì)流量的影響，需要設(shè)置合理的信號(hào)故障判斷邏輯和參數(shù)，除此還可考慮對(duì)溫壓補(bǔ)償后的密度值進(jìn)行限幅，保證溫壓補(bǔ)償后的介質(zhì)密度值不因溫壓補(bǔ)償信號(hào)故障發(fā)生大幅跳變。除上述外，還需考慮如果單點(diǎn)信號(hào)故障且又無法及時(shí)進(jìn)行處理的情況下對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的影響。在增加實(shí)際測(cè)點(diǎn)困難的情況下，可考慮采用類似信號(hào)代替的方法，如采用同一管道或同一設(shè)備上與該測(cè)點(diǎn)特征具有高度相似的其它測(cè)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(hào)擬合的辦法，如根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)采用機(jī)組負(fù)荷信號(hào)折算出對(duì)應(yīng)的函數(shù)擬合出一條接近的曲線代替實(shí)際測(cè)點(diǎn)。采用測(cè)點(diǎn)代替的方法時(shí)需要考慮當(dāng)真實(shí)測(cè)點(diǎn)故障后切換至代替測(cè)點(diǎn)時(shí)的無擾切換問題。
5、結(jié)論
本文對(duì)差壓式流量計(jì)測(cè)量介質(zhì)流量時(shí)，溫壓補(bǔ)償信號(hào)對(duì)流量測(cè)量的影響進(jìn)行了分析。對(duì)溫壓補(bǔ)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(bǔ)償信號(hào)在差壓式流量計(jì)測(cè)介質(zhì)流量時(shí)能發(fā)揮其本來功能，而不使其成為影響介質(zhì)流量測(cè)量的問題，以期能夠?yàn)閺V大的生產(chǎn)技術(shù)人員提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。
作者：劉成柱(浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司)
