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煤直接液化气体流量计测量温压补偿的实现方法与研究

时间:2018/06/13来源:未知

摘    要:

由于氢气是煤直接液化中很重要的气体原料, 是反应程度的一个很重要的判定指标, 也是最后煤液化计算物料平衡的一个很重要的影响因素, 所以要对他进行准确测量。由于气体的密度受温度和压力的影响比较大, 如果测量时不进行温压补偿, 测量误差会非常大, 直接导致物料平衡无法计算。本文结合煤直接液化的实验过程通过AB-DCS控制系统, 应用Rslogix5000组态软件, 通过软件编程和组态的方式实现对气体流量测量的温压补偿功能, 同时还阐述了AB-DCS的架构特点, 硬件组成, 软件功能等。

1 引言

我国是一个煤炭资源丰富, 石油和天然气相对短缺的国家, 新能源和可再生能源的开发和利用, 还需要一段相当长的技术准备和过渡期, 因此在未来相当长的一段时期, 煤炭仍将是我国的主要能源[1]-[3]。但是最近几年随着煤炭的大量燃烧和使用, 对大气的污染越来越严重, 最有代表性的就是雾霾天气, 因此对煤炭的高效清洁利用就变的非常重要, 也是优化能源结构的一个很好的途径。煤直接液化就是对煤炭进行高效清洁利用的一种技术, 它是以煤粉、溶剂油 (回炼油) 、催化剂等为原料, 在高温高压和氢气浓度较高的反应环境下, 反应产物为柴油、汽油和航煤等化学品的一种工艺。在反应中氢气主要是提供氢原子, 减少缩聚反应, 抑制煤的自由基转化, 提高油的产量, 同时对脱硫脱氮等杂质也有很大的帮助。实验中氢气的用量直接反映了煤液化的深度, 是反应指标的重要体现, 所以对氢气流量的准确测量就显的非常重要。目前煤炭科学技术研究院有限公司的煤直接液化试验装置使用了AB-DCS Control Logix控制系统。Control Logix自动化系统是由美国罗克韦尔公司生产的模块化产品, 他的优点是模块可以自由组合, 提高控制系统的性能;它的背板可以为所有卡件供电, 由背板CPU实现控制。通过通信网络TCP/IP的形式实现卡件与数据处理CPU的信息交换, 最终实现自动化控制。本文主要以1756 Control Logix控制系统为依托, 现场通过温度变送器、压力变送器和流量变送器将三种测量变量传送到DCS控制系统, 通过Rslogix5000组态软件以编程和组态的方式实现对气体流量进行温压补偿功能, 同时结合实际应用中的具体情况, 还介绍了气体测量时异常情况下报警的组态及实现方法。

2 Control Logix系统介绍

2.1 Control Logix硬件系统

简单的Control Logix系统一般由一个卡槽、一个控制器和多个I/O模块构成, 卡槽有四卡、七卡、十卡、十三卡、十七卡等类型, 现在的主流控制器 (逻辑CPU和背板CPU) 类型有Logix5550、Logix5553、Logix5555、Logix556X等, I/O模块主要有AI卡、AO卡、DI卡、DO卡、通信卡和电池卡等类型。如果要实现功能更强大的系统, 一个机架的情况下则需要安装多个CPU控制卡;多个机架的情况下, 则需要用网线将多个CPU控制卡建立连接。如果系统对可靠性的要求比较高, 则需要建立系统冗余, Control Logix系统的硬件冗余需要两套完全相同的控制机架, 安装的卡件和位置都要完全相同, 控制器和网卡通过Ether Net/IP网络进行环形连接。典型的1715冗余I/O系统允许Control Logix控制器通过Ether Net/IP网络与远程冗余I/O机架进行通信。所有连接均通过以太网络建立, 并且使用1756-EN2TR桥接通信模块所支持的拓扑结构。

2.2 Control Logix软件系统

Control Logix软件系统主要采用Rslogix5000组态软件进行编程, Rslogix5000软件是针对SLC500和Micro Logix处理器, 32位Windows为基础的梯形图编程软件[4]-[6]。通过Rslogix5000编写的SLC500和Micro Logix程序与其它罗克韦尔软件程序兼容。该软件可以提供梯形图、功能块图、SFC、语句表等编程方式, 通过windows操作系统, 可以在电脑上画流程图、做趋势组、做报警、做报表、自动打印等。操作界面非常友好, 可以实现完全在电脑上操作, 自动化水平得到显著提高。

另外该软件还有工程校验功能, 通过创建错误清单来纠正错误;还有拖-放式编程功能, 阶梯可在工程和子程序之间移动, 元素可在数据文件之间移动, 还可以通过向导进行地址查询, 减少按键错误。

3 工艺介绍

3.1 煤直接液化的基本原理

图1 系统构成结构图 图2 煤直接液化工艺流程图

图1 系统构成结构图 图2 煤直接液化工艺流程图

 

在高温、高压、富含氢气和催化剂的环境中, 先将煤炭的大分子键打断, 然后对碳链进行加氢, 形成饱和链烃, 最后把煤炭中的氮、氧、硫和无机矿物质进行脱除。

3.2 煤直接液化反应机理

当温度超过350摄氏度, 压力达到10兆帕以上时, 煤的大分子就会发生热分解反应, 较弱的桥键, 如亚甲基键、醚键等就会迅速断裂, 形成反应活性很高的自由基碎片, 这些自由基从供氢溶剂、溶解氢气和煤的母体中获得氢原子发生加氢反应, 形成分子质量分布很宽的产物, 包括前沥青烯、沥青烯等中间产物和相对分子质量较低的油和气体分子, 桥键和芳环侧链上的部分S和O原子会和H原子接合形成H2S和H2O而被脱除。

3.3 煤直接液化工艺流程

反应过程:

煤直接液化工艺流程

式中:Ar和分别表示两个不同的缩合芳环

-CH2-CH2-即为连接桥键

通过流程图可以看出, 氢气是煤直接液化中很重要的一个气体原料, 它主要是提供氢原子, 减少缩聚反应, 抑制煤的自由基转化, 提高油的产量, 同时对脱硫脱氮等杂质也有很大的帮助, 所以对氢气流量的准确测量就显的非常重要。

4 温压补偿

4.1 温压补偿的意义

温压补偿的定义是在压力为一个标准大气压, 温度为25度下定义的, 而工艺条件在不断变化, 即被测气体的温度、压力在不断变化中, 造成被测气体的密度也就不断变化, 如果不进行温压补偿, 测量误差非常大, 所以测量时将被测气体的温度、压力引入流量测量系统, 使系统通过换算进行补偿, 这样就使得测量结果非常准确。

4.2 温压补偿的原理

在用孔板节流装置测量气体流量时, 实际的操作条件偏离设计条件时, 则就需要对变送单元显示的数据进行修正。由于气体是可以压缩的, 即同一质量的气体在不同压力、不同温度下的体积是不同的, 所以计量气体时都要在标准状态下, 即温度t=0摄氏度, 压力p=101.33kpa绝压状态下来计算[7]-[9]。但在计算孔板时, 却要在操作条件下才可进行。因此操作状态下所得的体积还需换到标准状态, 换算公式为:

计算公式

Q---工况下的体积流量, Q0---标况下的体积流量, T---工况下的温度

T0---设计温度, P---操作压力, P0---设计压力, Z---压缩系数、低压气体时等于1

当操作条件和设计条件不一样时, 用孔板流量计对气体进行流量测量时就需要用温压补偿对其进行修正。修正公式为:

计算公式

Q实就是温压补偿后的准确测量值。

5 Control Logix系统组态实现温压补偿

5.1 本文以测量氢气温压补偿为例子介绍组态的方法, 组态步骤如下:

(1) 温压补偿的关系示意图, 如图3所示。

图3 温度、压力和流量补偿示意图

图3 温度、压力和流量补偿示意图

 

图4 温度测量点组态

图4 温度测量点组态

 

图5 压力测量点组态

图5 压力测量点组态

 

图6 流量测量点组态

图6 流量测量点组态

 

(2) 先引进温度、压力和流量测量点, 分别如图4、图5、图6所示。

(3) 对温度、压力、流量参数进行修正组态, 如图7-10所示。

图7 流量信号开方组态  图8 温度和压力信号修正组态

图7 流量信号开方组态  图8 温度和压力信号修正组态

 

图9 温压修正信号开方组态  图1 0 流量系数开方组态

图9 温压修正信号开方组态  图1 0 流量系数开方组态

 

(4) 用CPT计算块实现温压补偿计算位号FIC_025A, 即为温压补偿后的氢气标准输出值。

5.2 氢气流量报警组态

在试验过程当中, 实现对氢气流量的准确测量是非常重要的, 但是当测量值超出工艺允许的范围时, 控制系统需要及时准确的给出报警提示, 甚至引发紧急停车。组态方法如下图12-15所示。

图1 2 氢气流量高高报警组态 图1 3 氢气流量高报警组态

图1 2 氢气流量高高报警组态 图1 3 氢气流量高报警组态

 

图1 4 氢气流量低报警组态  图1 5 氢气流量低低报警组态

图1 4 氢气流量低报警组态  图1 5 氢气流量低低报警组态

 

图1 1 温压补偿计算组态

图1 1 温压补偿计算组态

 

6 结束语

在煤直接液化试验中, 要求电脑显示的数据是在温度25度, 压力为一个标准大气压下的结果, 但是介质温度和压力往往达不到标准的要求, 而气体的密度受温度和压力的影响还比较大, 所以这就给气体的准确测量带来了很大的困难。AB-PLC系统, 通过现场真实测量温度和压力信号, 通过Rslogix5000组态软件进行编程很方便的实现了在气体流量测量中的温压补偿, 实现数据的准确测量。


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