МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ФЛЮИДА С ВЫЧИСЛЕНИЕМ ПОТОКА ЭНЕРГИИ
MULTI-PARAMETER DEVICE FOR REGULATING FLOW OF PROCESS FLUID WITH CALCULATION OF ENERGY FLOW

Предшествующий уровень техники
В промышленном применении системы управления используются для наблюдения и управления материально-производственных запасов производственных и химических процессов и т.п. Обычно система управления выполняет эти функции, используя полевые устройства, распределенные по основным точкам производственного процесса, которые связаны со схемой управления в диспетчерском пункте посредством контура управления процессом. Термин «полевое устройство» относится к любому устройству, которое выполняет некоторую функцию в распределенной системе управления или системе наблюдения процесса, используемой при измерении, управлении и наблюдении производственных процессов. Обычно полевые устройства характеризуются своей способностью работать на открытом воздухе в течение продолжительных периодов времени, например лет. Таким образом, полевое устройство способно работать в разнообразных крайне неблагоприятных климатических условиях, включая крайние значения температуры и крайние значения влажности. Кроме того, полевые устройства способны работать в присутствии значительных вибраций, например вибраций от расположенных поблизости механизмов. Более того, полевые устройства могут также работать при наличии электромагнитных помех.
Одним примером полевого устройства является многопараметрическое устройство измерения потока технологического флюида, такое как устройство, продаваемое под торговым обозначением «Многопараметрический преобразователь" модели 3051 SMV компании Emerson Process Management, расположенной в г.Чанхассен (шт.  Миннесота). Многопараметрические устройства измерения потока технологического флюида могут вычислять массовый расход посредством генераторов дифференциального давления для жидкостей и газов. Для некоторых сфер применения потока желательно знать поток энергии помимо массового расхода или вместо него. В частности, эти потребности возникают в областях использования потока природного газа и потока пара или воды. Для природного газа энергосодержание или теплотворная способность жидкости полностью задается составом газа и представляет собой величину располагаемой энергии в случае полного сгорания природного газа. Для таких сфер применения, как правило, желательно использовать следующие единицы: британская тепловая единица (БТЕ)/единица времени или мегаджоуль/единица времени. Для потока пара или воды (удобно при расчетах баланса энергии) энергосодержание, или энтальпия, жидкости представляет собой величину энергии, требуемой для доведения пара или воды до условий давления и температуры указанного потока. Энтальпия обычно привязана к конкретной совокупности условий давления и температуры, такой как точка таяния воды при атмосферных условиях. Для таких сфер применения, как правило, также желательно использовать единицы: БТЕ/единица времени или мегаджоуль/единица времени.
Раскрытие изобретения
Устройство измерения потока технологического флюида включает в себя модуль энергоснабжения, модуль связи с процессами, процессор и измерительную схему. Схема связи с процессами соединена с модулем энергоснабжения и процессором. Измерительная схема может оперативно соединяться с множеством датчиков технологических параметров для получения индикации дифференциального давления, статического давления и температуры технологического флюида. Процессор выполнен с возможностью вычисления массового расхода технологического флюида и на использование статического давления и температуры технологического флюида для определения значения энергии единичной массы, относящегося к температуре технологического флюида, и для выдачи индикации потока энергии.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематическое изображение устройства обработки потока технологического флюида, соединенного с компьютером для выполнения начальной настройки указанного устройства измерения потока;
Фиг.2 - блок-схема устройства измерения потока технологического флюида, с которым могут использоваться варианты осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 - схема последовательности операций способа функционирования устройства измерения потока технологического флюида в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
В вариантах осуществления настоящего изобретения, как правило, используется обобщенное соотношение для энергии на единицу массы, которое может быть объединено с массовым расходом для обеспечения обобщенной индикации потока энергии устройством измерения потока технологического флюида. Поток энергии может быть определен для множества различных жидкостей, для которых необходима информация о потоке.
Теплотворная способность в сферах применения природного газа является постоянной величиной, имеющей единицы БТЕ/стандартный кубический фут (альтернативный вариант - БТЕ/фунт массы) или мегаджоуль/нормальный кубический метр (альтернативный вариант -мегаджоуль/кг). Для вычисления интенсивности потока энергии в таких сферах применения необходимо умножить массовый расход на постоянную теплотворную способность. Такое простое умножение является обычным для устройства измерения потока технологического флюида и легко может быть осуществлено в современных многопараметрических устройствах измерения потока.
Для сфер применения пара или воды энергосодержание или энтальпия жидкости является функцией и давления, и температуры жидкости. Для вычисления потока энергии необходимо умножить массовый расход на переменную энтальпию. Уравнения вычисления энтальпии пара или воды являются сложными и, как правило, исчерпывают вычислительные ресурсы, имеющиеся у относительно маломощных полевых устройств. Поэтому для упрощения вычислений энтальпию желательно аппроксимировать. Это может быть осуществлено с использованием двумерной полиномиальной аппроксимации или, что более желательно, с помощью двумерной аппроксимации полиномом Чебышева. Следует отметить, что для вычисления потока энергии для пара или воды все же требуется массовый расход, поскольку для расчета коэффициента расхода измерительного преобразователя необходимо число Рейнольдса. Таким образом, процесс вычисления потока энергии для пара требует расчета массового расхода (единицы: фунт массы/единица времени), как это осуществляется в существующих многопараметрических преобразователях, а также независимого вычисления энтальпии (БТЕ/фунт массы). Умножение этих двух членов дает поток энергии в БТЕ/единица времени.
Для того чтобы процесс вычисления потока энергии оставался как можно более простым и типовым, вычисление потока энергии для природного газа осуществляется тем же способом, что и для пара. То есть во всех случаях используется типовой процесс, включающий энтальпию (энергию) как функцию давления и температуры. Далее для более простого случая потока энергии для сфер применения природного газа постоянная теплота сгорания (теплотворная способность) становится обычной реализацией более многогранного процесса. Для сфер применения пара энтальпия, как правило, нужна в единицах БТЕ/единица времени. Это означает, что наиболее эффективным способом вычисления энергии является энергия на единицу массы (т.е. БТЕ/фунт массы или мегаджоуль/кг). В таком случае поток энергии - это энергия на единицу времени, получаемая умножением энергии (БТЕ/фунт массы) на массовый расход (фунт массы/единица времени). Поскольку в газовой промышленности, как правило, предпочтение отдается теплотворной способности и единицам энергии/стандартный объем (т.е. БТЕ/стандартный кубический фут или мегаджоуль/нормальный кубический метр), внутренние вычисления осуществляются в единицах массового расхода, а для отображения теплотворная способность преобразуется полевым устройством в единицы БТЕ/стандартный объем. За счет этого сохраняется главная задача процесса.
Фиг.1 - схематическое изображение универсального компьютера 10, оперативно соединенного с устройством 12 измерения потока технологического флюида через линию 14 связи. Универсальный компьютер 10 может представлять собой любое подходящее вычислительное устройство, такое как настольный компьютер, ноутбук или мобильное устройство. Компьютер 10 содержит установленное на нем программное обеспечение, которое облегчает выполнение начальной настройки полевых устройств. Один из примеров такого программного обеспечения продается под торговым обозначением «Технический помощник» «компании Emerson Process Management (штат Миннесота). Программное обеспечение «Технический помощник» использует адаптер связи с процессами, такой как модем HART или плату связи FOUNDATION Fieldbus. Адаптер в компьютере 10 создает линию 14 технологической связи, через которую компьютер 10 позволяет пользователю или специалисту по обслуживанию осуществлять взаимодействие с устройством 12 измерения потока. Устройство 12 измерения потока представляет собой многопараметрическое полевое устройство, способное измерять множество параметров технологического флюида. В предпочтительном варианте осуществления давление измеряется с помощью манифольда 16, а температура технологического флюида измеряется с помощью термопреобразователя 18. При соединении с подходящим генератором дифференциального давления, таким как расходомерная диафрагма, давление, измеряемое с противоположных сторон расходомерной диафрагмы во время протекания через нее технологического флюида, может быть связано с массовым расходом технологического флюида известными способами.
Во время установки устройства измерения потока 12 специалист по обслуживанию обычно настраивает ряд характеристик полевого устройства. К таким характеристикам могут относиться все характеристики, настраиваемые ранее в существующем программном обеспечении «Технический помощник». Кроме того, предполагается, что определенные характеристики потока могут быть преобразованы в определенные результаты вычисления параметров процесса. Например, в качестве первого результата вычисления параметров процесса может выдаваться массовый расход; в качестве второго результата вычисления параметров процесса может выдаваться дифференциальное давление; в качестве третьего результата вычисления параметров процесса может выдаваться статическое давление; и, наконец, в качестве четвертого результата вычисления параметров процесса может выдаваться поток энергии. Кроме того, во время настройки устройства 12 измерения потока специалист по обслуживанию может выбирать различные единицы для массового расхода и/или объемного расхода. Более того, специалист по обслуживанию может выбирать требуемые единицы для потока энергии, такие как БТЕ/час, мегаджоуль/час, терм/сутки и т.д. Кроме того, цифровое отображение, если оно обеспечивается для устройства 12 измерения потока, может быть преобразовано в любую подходящую величину, такую как поток энергии, массовый расход, объемный расход, дифференциальное давление, манометрическое давление, абсолютное давление, температура процесса и т.д.
Фиг.2 - блок-схема устройства 12 измерения потока технологического флюида, с которым, в частности, могут использоваться варианты осуществления настоящего изобретения. Устройство 12 включает в себя схему 20 связи, которая может оперативно соединяться с линией 14 технологической связи. Схема 20 связи позволяет устройству 12 осуществлять передачу данных в соответствии с подходящим протоколом связи обрабатывающей промышленности, таким как описанный выше протокол HART, протокол FOUNDATION™ Fieldbus или какой-либо иной протокол связи обрабатывающей промышленности. Устройство 12 содержит также модуль 22 питания, который предпочтительно также может соединяться с линией 14 технологической связи. Благодаря соединению с линией 14 технологической связи устройство 12 может работать полностью на питании, принимаемом по линии технологической связи. Однако в некоторых вариантах осуществления модуль 22 питания может представлять собой устройство накопления энергии, такое как аккумуляторная батарея или конденсатор большой емкости, и в таких вариантах осуществления модуль 22 питания не обязательно соединяется с линией 14 технологической связи. Модуль 22 питания настроен на подачу соответствующего электрического питания во все компоненты устройства 12, как показано ссылочной позицией 24. Устройство 12 также содержит процессор 26, который предпочтительно является микропроцессором, оперативно соединенным с схемой 20 связи и модулем 22 питания. Микропроцессор 26 выполняет хранящиеся в памяти команды для получения результатов измерений по измерительной схеме 28 и вычисляет информацию на основе указанных результатов измерений. Например, процессор 26 в предпочтительном варианте осуществления определяет результаты измерений в отношении статического давления (SP) технологического флюида, дифференциального давления DP технологического флюида и температуры Т технологического флюида и способен определять или иным образом вычислять массовый расход в отношении технологического флюида, протекающего через генератор дифференциального давления. Как показано на фиг.2, процессор 26 предпочтительно содержит память 30, которая либо входит в состав процессора 26, либо является электрической деталью, соединенной с процессором 26. Память 30 предпочтительно хранит информацию, которая обеспечивает установление отношения измеренных давления и температуры к энергосодержанию технологического флюида. В соответствии с этим память 30 может содержать коэффициенты двумерной полиномиальной аппроксимации или попросту таблицу соответствия, которая может устанавливать отношение измеренных статического давления (SP) и температуры (Т) к энергосодержанию технологического флюида. Иными словами, память 30 содержит информацию, позволяющую вычислять энергию как функцию SP и Т. Осуществляя преобразование или иным образом аппроксимируя энергосодержание технологического флюида и вычисляя массовый расход, процессор 26 может передавать поток энергии в отношении технологического флюида по схеме 20 связи. В вариантах осуществления настоящего изобретения желательно использовать полином Чебышева, поскольку такая аппроксимация полиномом Чебышева может быть реализована в микросхеме цифровой обработки сигналов (DSP) с использованием целочисленной арифметики, что делает ее хорошим вариантом для сфер применения маломощных полевых устройств.
Фиг.3 - схема последовательности операций способа функционирования устройства измерения потока технологического флюида в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Способ 100 начинается в блоке 102, когда устройство измерения потока осуществляет измерение дифференциального и статического давлений DP, SP и температуры технологического флюида. Несмотря на то, что варианты осуществления настоящего изобретения описаны в отношении измерения DP и SP, могут применяться варианты осуществления настоящего изобретения с измерением двух абсолютных давлений и вычислением дифференциального давления. Способ 100 продолжается в блоке 104, в котором устройство измерения потока вычисляет массовый расход технологического флюида. Это вычисление может выполняться в соответствии с любыми известными методами или способами, включая существующие. Способ 100 продолжается в блоке 106, в котором определяется энергосодержание технологического флюида. Шаг 106 может включать в себя таблицу 108 соответствия, которая хранит энергосодержание для разных технологических флюидов при различных давлениях и температурах, либо шаг 106 может включать в себя использование приблизительного вычисления 110. Одним из примеров приблизительного вычисления является приведенный выше пример в отношении аппроксимации Чебышева. Использование полинома Чебышева для вычисления величины, связанной с потоком, известно (см. патент США 6643610, выданный Лоуэллу А. Клевену с соавт.). Следует отметить, что, несмотря на то, что варианты осуществления настоящего изобретения описаны здесь в общих чертах в отношении как природного газа, так и пара, варианты осуществления настоящего изобретения применимы к любому технологическому флюиду, для которого энергосодержание может быть выражено через статическое или линейное давление и температуру (включая жидкости, для которых при изменении давления и температуры энергосодержание на единицу массы постоянно) и может быть определена соответствующая начальная точка.
Способ 100 продолжается в блоке 112, в котором массовый расход, вычисляемый в блоке 104, объединяется с энергосодержанием, получаемым в блоке 106, для определения значения потока энергии. В блоке 114 указанное значение потока энергии выдается как выходное значение в единицах, выбранных специалистом по обслуживанию во время настройки устройства измерения потока. Это выходное значение может выдаваться локально дисплеем в устройстве, с помощью проводной линии технологической связи, беспроводным способом или с помощью любой совокупности этих способов.
Несмотря на то, что настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам ясно, что могут быть внесены изменения, касающиеся формы и отдельных деталей в пределах сущности и объема настоящего изобретения.