ST98型质量流量计在煤焦化中的应用
2005/12/17 17:03:00
摘要：
本文以马钢煤焦化公司第二煤气净化车间出厂煤气流量检测为例，简述ST98型质量流量计在煤气流量测量中的应用、安装和调试技术。
关键词：
ST98 质量流量计 FC88通讯器 ESD警告
1 概述
煤气净化是将焦炉送来的荒煤气经过洗涤、脱酸蒸氨、脱苯等一系列工序变成相对纯净的精制煤气，再出厂送至煤气站或终端用户。
净化后的精制煤气中含有CO、O2、N2、H2等多种成分，每种成分的含量与工艺过程的控制有关，各工艺系统不尽相同。流量计计量单位通常采用体积流量和质量流量两种。马钢煤焦化公司对出厂煤气的计量选用了美国FLUID COMPONENTS INTL（FCI）公司的ST98型质量流量计，采用公制KG/HR作为计量单位，采集到的数据传送到DCS系统中央控制室集中管理。本文就ST98型质量流量计在高空大口径管道上的一些安装技巧以及调试过程中需要注意的一些问题进行总结，供大家参考。
2 设备结构及测量原理
ST98型质量流量计是一种用于各类气体测量的热扩散式质量流量计。它由一个流量元件、一个流量变送器和一个封装组成。对于小口径过程管线，一般使用在线式流量元件；对于大于40mm的大口径过程管线，一般使用插入式流量元件。流量元件的过程连接方式、流量变送器的输入电源、输出信号标定以及封装和安装方式均有多种方案供用户选择。根据现场环境（I区防爆）的要求，马钢选用了流量变送器与流量元件一体化就地封装、插入式螺纹连接安装方式的ST98型质量流量计。
测量原理为：一个低功率加热器通过加热一个电阻式温度探测器（RTD），在两个RTD间造成一个温度差。流体的流动将被加热的RTD上的热量带走，造成两个RTD间的温度差成比例变化。流量变送器将RTD间的温度差转换成一个刻度输出信号至DCS和一个可选的显示值至现场数显。图1为ST98流量元件示意图。
3 安装
1）确认流量元件的安装位置
出厂煤气管道架设在管廊架顶层，标高＋7500mm，管外径1220mm，管材质为Q235炭钢。ST98要求流量元件上游至少留出20倍管径（过程管线）的直管段；下游留出10倍管径的直管段。流量元件插入过程管线，过中心线0.5 inch(12.7mm)，且与管线横截面在同一平面上。FCI建议流量元件竖直或水平安装在过程管线中。
考虑到过程气体中可能含有水分甚至少量焦油等液体聚集到RTD上，再成珠状物滴下，带走部分热量影响两RTD上的温度差，从而影响到测量精度。我们采取将流量元件安装在过程管线与水平线夹角45°斜向上的位置（如图2所示）。当有液体滞留在RTD上时，会迅速沿着RTD向下散开，不至于聚集成珠状物滴下而带走热量。
2）过程连接头安装
过程连接头为304不锈钢，成环柱状（如图3）。必须保证过程连接头上底面S与工艺管线轴线和L1所在平面平行，才能确保流量元件自过程连接头插入过程管线后，过横截面圆心，且与横截面平行。
首先，根据安装位置的要求，在工艺过程管线上标出一点O，在O点两侧，用线锤确定竖直方向与过程管线的切点A及A’（如平视图4），连结AA’,过A及A’作AA’垂线，自A及A’沿其垂线向下标出1/4过程管线周长位置B和B’，过O点作OO’⊥BB’于点O’，则O’点就是流量元件的准确安装位置。
将OO’线延长，自O’点在OO’及其延长线上标出距离相等的两个点C和C’（如图4所示）。在O’点开孔，将过程连接头点焊于O’点。借助角尺，调整过程连接头使其上底面S在BB’方向上与过程管线轴线平行。在S面上作L2⊥BB’与环面外边沿交于D、D’两点（如图3）。调整过程连接头，使CD连线和C’D’连线长度相等，再将过程连接头焊接好。这样，就确保了流量元件插入过程连接头后于过程管线横截面平行，且过横截面所在圆圆心。
3）流量元件的安装
Ⅰ、计算出管道外径的1/2，加上0.5 inch，在流量元件探杆上标出这一长度（自RTD端部）。
Ⅱ、将流量元件紧固件插入过程接头，按ANSI B16.5力矩规格拧紧，并使用适当密剂。测量过程接头和拧紧的紧固件整体高出管道的尺寸，在第一个标记上标出这个长度。
Ⅲ、插入流量元件，调整其位置，使第二个标记位于紧固件上平面，这样就使流量元件超过管道中心线0.5 inch；同时使流量箭头的小平面于过程介质流动方向平行（±1°），并使箭头指向过程介质的流动方向。
Ⅳ、确认以上3步骤无误（因金属套环在拧紧后以锯齿状卡入流量元件探杆中，流量元件便不能作任何调整），用扳手卡住紧固件，件紧固件螺栓拧紧后再拧1.25圈，这样，流量元件就密封固定安装到位了。
4 接线
Ⅰ、ST98型质量流量计用户手册设备说明以及接线图均注明电源可用24V DC或220V AC，分别提供一种接线端子。可拆开变送器封装后发现：接线端子旁注明 AC ONLY，故输入电源只能使用220V AC。
Ⅱ、ESD警告
流量变送器包含静电释放（ESD）敏感装置，在打开封装或处理电子线路板装置时，需要使用标准ESD警告：使用带有接地的兆欧电阻器，或腕带，或膝带，使产生高静电的物品如非ESD允许的塑料、胶带和包装塑料等远离设备。
Ⅲ、接地与屏蔽
出于安全因素的考虑，ST98特别要求220V AC电源采用三线制，其中一根接地线必须连接到流量变送器接线端子排的接地终端。
因传统4～20mA的I/O产品对变频驱动设备等产生的高频噪声干扰较为敏感，且现场的电气高频噪声污染较为严重。避免仪表信号传输回路遭受干扰，对输出信号电缆采用屏蔽电缆，且屏蔽层在靠近变送器一端接地，DCS机柜一端包裹保护起来（另外，控制系统机柜组的交流电源接地、直流电源接地、电缆屏蔽层接地和机柜接地在柜内保持彼此分离，并且接地网与工厂防雷接地网等相对独立）。
5 调试
使用ST98流量变送器提供的一个RJ－12通讯串口，可与FCI的FC88通讯器和PC机DB－9或DB－25接口进行通讯，用于对流量变送器进行参数设定或修改，调试过程中需要注意如下几个容易出错的问题。
Ⅰ、流量计输出数据和DCS操作站显示的数据计量单位要统一，如SCFM或NCMH、LB/HR或KG/HR。
Ⅱ、流量计输出数据标定和DCS控制系统接受数据标定要一致，如4～20mA、0～20mA、1～5V DC、0～5V DC或0～10C DC。
Ⅲ、流量计的电子部分使用常数作为拟合曲线参数，用于显示流量值。此常数由4节组成，根据用户提供的过程介质中各种成分（如精制煤气中的CO、O2、N2、H2等）含量百分比等相关参数计算得出。流量计生产商在设备出厂前一般都将此常数固化在EEPROM中，用户不能修改。用户提供的这些参数都来自于设计单位的设计理论值，因此与现场实际参数有一定的偏差。因此，流量计在实际应用中会出现较大的误差，马钢煤焦化公司的此类流量计均因此出现了严重偏差。
6 结束语
通过五冶自动化分公司、设备生产商和业主监理等多方技术人员现场分析和调试，对我们在安装过程中对细节的把握和对技巧的使用给予了高度评价，尤其是对流量元件在插入过程管线时方位的选择得到FCI充分肯定。事实上，ST98热式插入安装式质量流量计应用于可能含有水分等可凝结成液体杂质的过程气体时，流量元件安装方位都已采用在过程管线中线下方45°向上的方式。FCI的用户手册在设备安装方位选择方面没有考虑介质含杂质问题，故一直沿用原有推荐安装方式未做修正，FCI技术人员口头上已经推荐并支持本文所采用的安装方式。
设备投产使用过程中，误差依然严重存在，详细分析后，认为：业主先前提供的过程介质中各种气体的含量百分比不准确，取样气化验后将这些参数发往SAN MARCOS FCI总部重新计算了常数，由生产商技术支持人员从新设定后，使马钢煤焦化公司第二煤气净化车间的两台ST98质量流量计测量精度控制在了±1%以内，从而避免了出厂煤气计量不准而造成的经济损失。
本文用较大篇幅阐述了ST98流量元件现场安装定位的一些小技巧，尤其提到了ESD警告与屏蔽接地等在施工中容易忽略的小细节以及在调试整定过程中容易产生问题的几个方面。希望在以后安装调试同类仪表时，能为各位同仁提供一些可以借鉴的经验和教训。
致谢
ST98流量计在马钢煤焦化公司的安装调试过程中，以及本文的构思和最终出稿，得到马钢煤焦化公司焦化项目部的相关领导和技术人员、马鞍山博力监理公司的技术监督和FCI南京办事处相关技术人员的大力支持，在此，向他们致以诚挚的谢意。
参考资料
1、Model ST98 Flowmeter Installation,Operation And Maintenance Manual FLUID COMPONENTS INTL A Limitde Liability Company 1999
2、中国冶金建设协会编 冶金工业自动化仪表与控制装置安装通用图册（第一版） 冶金工业出版社 1994年3月
本文以马钢煤焦化公司第二煤气净化车间出厂煤气流量检测为例，简述ST98型质量流量计在煤气流量测量中的应用、安装和调试技术。
关键词：
ST98 质量流量计 FC88通讯器 ESD警告
1 概述
煤气净化是将焦炉送来的荒煤气经过洗涤、脱酸蒸氨、脱苯等一系列工序变成相对纯净的精制煤气，再出厂送至煤气站或终端用户。
净化后的精制煤气中含有CO、O2、N2、H2等多种成分，每种成分的含量与工艺过程的控制有关，各工艺系统不尽相同。流量计计量单位通常采用体积流量和质量流量两种。马钢煤焦化公司对出厂煤气的计量选用了美国FLUID COMPONENTS INTL（FCI）公司的ST98型质量流量计，采用公制KG/HR作为计量单位，采集到的数据传送到DCS系统中央控制室集中管理。本文就ST98型质量流量计在高空大口径管道上的一些安装技巧以及调试过程中需要注意的一些问题进行总结，供大家参考。
2 设备结构及测量原理
ST98型质量流量计是一种用于各类气体测量的热扩散式质量流量计。它由一个流量元件、一个流量变送器和一个封装组成。对于小口径过程管线，一般使用在线式流量元件；对于大于40mm的大口径过程管线，一般使用插入式流量元件。流量元件的过程连接方式、流量变送器的输入电源、输出信号标定以及封装和安装方式均有多种方案供用户选择。根据现场环境（I区防爆）的要求，马钢选用了流量变送器与流量元件一体化就地封装、插入式螺纹连接安装方式的ST98型质量流量计。
测量原理为：一个低功率加热器通过加热一个电阻式温度探测器（RTD），在两个RTD间造成一个温度差。流体的流动将被加热的RTD上的热量带走，造成两个RTD间的温度差成比例变化。流量变送器将RTD间的温度差转换成一个刻度输出信号至DCS和一个可选的显示值至现场数显。图1为ST98流量元件示意图。
3 安装
1）确认流量元件的安装位置
出厂煤气管道架设在管廊架顶层，标高＋7500mm，管外径1220mm，管材质为Q235炭钢。ST98要求流量元件上游至少留出20倍管径（过程管线）的直管段；下游留出10倍管径的直管段。流量元件插入过程管线，过中心线0.5 inch(12.7mm)，且与管线横截面在同一平面上。FCI建议流量元件竖直或水平安装在过程管线中。
考虑到过程气体中可能含有水分甚至少量焦油等液体聚集到RTD上，再成珠状物滴下，带走部分热量影响两RTD上的温度差，从而影响到测量精度。我们采取将流量元件安装在过程管线与水平线夹角45°斜向上的位置（如图2所示）。当有液体滞留在RTD上时，会迅速沿着RTD向下散开，不至于聚集成珠状物滴下而带走热量。
2）过程连接头安装
过程连接头为304不锈钢，成环柱状（如图3）。必须保证过程连接头上底面S与工艺管线轴线和L1所在平面平行，才能确保流量元件自过程连接头插入过程管线后，过横截面圆心，且与横截面平行。
首先，根据安装位置的要求，在工艺过程管线上标出一点O，在O点两侧，用线锤确定竖直方向与过程管线的切点A及A’（如平视图4），连结AA’,过A及A’作AA’垂线，自A及A’沿其垂线向下标出1/4过程管线周长位置B和B’，过O点作OO’⊥BB’于点O’，则O’点就是流量元件的准确安装位置。
将OO’线延长，自O’点在OO’及其延长线上标出距离相等的两个点C和C’（如图4所示）。在O’点开孔，将过程连接头点焊于O’点。借助角尺，调整过程连接头使其上底面S在BB’方向上与过程管线轴线平行。在S面上作L2⊥BB’与环面外边沿交于D、D’两点（如图3）。调整过程连接头，使CD连线和C’D’连线长度相等，再将过程连接头焊接好。这样，就确保了流量元件插入过程连接头后于过程管线横截面平行，且过横截面所在圆圆心。
3）流量元件的安装
Ⅰ、计算出管道外径的1/2，加上0.5 inch，在流量元件探杆上标出这一长度（自RTD端部）。
Ⅱ、将流量元件紧固件插入过程接头，按ANSI B16.5力矩规格拧紧，并使用适当密剂。测量过程接头和拧紧的紧固件整体高出管道的尺寸，在第一个标记上标出这个长度。
Ⅲ、插入流量元件，调整其位置，使第二个标记位于紧固件上平面，这样就使流量元件超过管道中心线0.5 inch；同时使流量箭头的小平面于过程介质流动方向平行（±1°），并使箭头指向过程介质的流动方向。
Ⅳ、确认以上3步骤无误（因金属套环在拧紧后以锯齿状卡入流量元件探杆中，流量元件便不能作任何调整），用扳手卡住紧固件，件紧固件螺栓拧紧后再拧1.25圈，这样，流量元件就密封固定安装到位了。
4 接线
Ⅰ、ST98型质量流量计用户手册设备说明以及接线图均注明电源可用24V DC或220V AC，分别提供一种接线端子。可拆开变送器封装后发现：接线端子旁注明 AC ONLY，故输入电源只能使用220V AC。
Ⅱ、ESD警告
流量变送器包含静电释放（ESD）敏感装置，在打开封装或处理电子线路板装置时，需要使用标准ESD警告：使用带有接地的兆欧电阻器，或腕带，或膝带，使产生高静电的物品如非ESD允许的塑料、胶带和包装塑料等远离设备。
Ⅲ、接地与屏蔽
出于安全因素的考虑，ST98特别要求220V AC电源采用三线制，其中一根接地线必须连接到流量变送器接线端子排的接地终端。
因传统4～20mA的I/O产品对变频驱动设备等产生的高频噪声干扰较为敏感，且现场的电气高频噪声污染较为严重。避免仪表信号传输回路遭受干扰，对输出信号电缆采用屏蔽电缆，且屏蔽层在靠近变送器一端接地，DCS机柜一端包裹保护起来（另外，控制系统机柜组的交流电源接地、直流电源接地、电缆屏蔽层接地和机柜接地在柜内保持彼此分离，并且接地网与工厂防雷接地网等相对独立）。
5 调试
使用ST98流量变送器提供的一个RJ－12通讯串口，可与FCI的FC88通讯器和PC机DB－9或DB－25接口进行通讯，用于对流量变送器进行参数设定或修改，调试过程中需要注意如下几个容易出错的问题。
Ⅰ、流量计输出数据和DCS操作站显示的数据计量单位要统一，如SCFM或NCMH、LB/HR或KG/HR。
Ⅱ、流量计输出数据标定和DCS控制系统接受数据标定要一致，如4～20mA、0～20mA、1～5V DC、0～5V DC或0～10C DC。
Ⅲ、流量计的电子部分使用常数作为拟合曲线参数，用于显示流量值。此常数由4节组成，根据用户提供的过程介质中各种成分（如精制煤气中的CO、O2、N2、H2等）含量百分比等相关参数计算得出。流量计生产商在设备出厂前一般都将此常数固化在EEPROM中，用户不能修改。用户提供的这些参数都来自于设计单位的设计理论值，因此与现场实际参数有一定的偏差。因此，流量计在实际应用中会出现较大的误差，马钢煤焦化公司的此类流量计均因此出现了严重偏差。
6 结束语
通过五冶自动化分公司、设备生产商和业主监理等多方技术人员现场分析和调试，对我们在安装过程中对细节的把握和对技巧的使用给予了高度评价，尤其是对流量元件在插入过程管线时方位的选择得到FCI充分肯定。事实上，ST98热式插入安装式质量流量计应用于可能含有水分等可凝结成液体杂质的过程气体时，流量元件安装方位都已采用在过程管线中线下方45°向上的方式。FCI的用户手册在设备安装方位选择方面没有考虑介质含杂质问题，故一直沿用原有推荐安装方式未做修正，FCI技术人员口头上已经推荐并支持本文所采用的安装方式。
设备投产使用过程中，误差依然严重存在，详细分析后，认为：业主先前提供的过程介质中各种气体的含量百分比不准确，取样气化验后将这些参数发往SAN MARCOS FCI总部重新计算了常数，由生产商技术支持人员从新设定后，使马钢煤焦化公司第二煤气净化车间的两台ST98质量流量计测量精度控制在了±1%以内，从而避免了出厂煤气计量不准而造成的经济损失。
本文用较大篇幅阐述了ST98流量元件现场安装定位的一些小技巧，尤其提到了ESD警告与屏蔽接地等在施工中容易忽略的小细节以及在调试整定过程中容易产生问题的几个方面。希望在以后安装调试同类仪表时，能为各位同仁提供一些可以借鉴的经验和教训。
致谢
ST98流量计在马钢煤焦化公司的安装调试过程中，以及本文的构思和最终出稿，得到马钢煤焦化公司焦化项目部的相关领导和技术人员、马鞍山博力监理公司的技术监督和FCI南京办事处相关技术人员的大力支持，在此，向他们致以诚挚的谢意。
参考资料
1、Model ST98 Flowmeter Installation,Operation And Maintenance Manual FLUID COMPONENTS INTL A Limitde Liability Company 1999
2、中国冶金建设协会编 冶金工业自动化仪表与控制装置安装通用图册（第一版） 冶金工业出版社 1994年3月
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