摘 要 目前孔板流量計仍然在天然氣計量中占主導地位。隨著計算機、變送器和通訊等技術(shù)的發(fā)展,充分利用先進技術(shù),使孔板流量計發(fā)揮其標準化程度高、研究深入的技術(shù)優(yōu)勢,實現(xiàn)天然氣流量的自動計量是孔板流量計發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)目前孔板流量計實現(xiàn)天然氣自動計量的多種模式,通過分析、比較,提出了選擇最佳自動計量模式的6項原則:數(shù)據(jù)的安全性原則;計量回路的獨立性原則;使用操作的簡單、可靠原則;兼顧發(fā)展的原則;計算方法和計算軟件的合法性原則;技術(shù)先進、成熟的原則。并通過應用實例,說明了利用多變量變送器,采用一體化自成系統(tǒng)的計量儀表,利用現(xiàn)場總線技術(shù),通過數(shù)字信號傳輸,實現(xiàn)多參數(shù)的實時補償,組成真正意義上的集散控制系統(tǒng),是科學、準確計量天然氣流量的最佳方式。
一、孔板流量計自動計量概況
目前在天然氣流量計量領(lǐng)域中,孔板流量計仍占主導地位,這主要是由于其發(fā)展歷史悠久、研究深入、標準化程度高和簡單易于制造等特點決定的。由于歷史原因和技術(shù)限制,在天然氣集輸企業(yè)中孔板流量計一直以機械式差壓計為主要記錄儀表,輔以人工錄取參數(shù)和手工計算,使得天然氣流量測量存在著環(huán)節(jié)多、精度低和信息反饋滯后等缺點。為此,要對天然氣流量實行快速、準確、及時的信息反饋,以提高企業(yè)的經(jīng)營效率和集輸管理水平,就需要討論天然氣流量的自動計量問題。
二、孔板流量計的測量原理
充滿管道的流體,當它流經(jīng)管道內(nèi)的標準孔板時,如圖1所示,流速將在標準孔板處形成局部收縮,從而使流速增加,靜壓力降低,這樣在標準孔板前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大,產(chǎn)生的壓差愈大,因此可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關(guān),例如當節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、黏度)不同時,在同樣的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。
三、自動計量的實現(xiàn)模式
所謂自動計量,就是利用變送器實時檢測天然氣流量計量中所涉及到的溫度、壓力、差壓等參數(shù),通過計算機中的流量計算軟件,實現(xiàn)整個流量測量環(huán)節(jié)中無人工參與的天然氣流量測量。隨著計量技術(shù)的發(fā)展和計算機運用的普及,實現(xiàn)孔板流量計自動計量的方案已有多種,目前主要有以下4種模式。
1.單變量變送器+流量計算機(或工控機)
利用3臺單變量模擬變送器分別檢測溫度、壓力、差壓,并將各參數(shù)檢測到的電信號轉(zhuǎn)換成標準的4～ 20 mA模擬信號,送入流量計算機(或工控機)的數(shù)據(jù)采集板卡,通過A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成計算機能處理的數(shù)字量,在流量計算機(或工控機)上通過流量計算軟件按要求計算出天然氣的瞬時流量、累積流量及實現(xiàn)其他輔助功能。
此方式是傳統(tǒng)的自動計量模式,所采集、傳輸?shù)亩际悄M信號,抗干擾能力比較差,由于存在信號轉(zhuǎn)換等問題,計量精度難以提高,而且硬件連接較復雜、中間環(huán)節(jié)較多、可靠性較差。可擴展為:單變量變送器+流量計算機+工控機,從而實現(xiàn)流量計算與顯示分開,提高系統(tǒng)的可靠性和可視性。
2.多變量變送器+流量計算機(或工控機)
利用1臺多變量智能變送器同時檢測溫度、壓力、差壓等,采用現(xiàn)場總線制,通過數(shù)字信號傳輸,送入流量計算機(或工控機)的數(shù)據(jù)采集板卡,在流量計算機(或工控機)上通過流量計算軟件按要求計算出天然氣的瞬時流量、累積流量及實現(xiàn)其他輔助功能。此方式是隨變送器技術(shù)發(fā)展而來的,由原來的測量1個參數(shù)需要1臺變送器,改為測量多個參數(shù)只需要1臺變送器,并在數(shù)據(jù)傳輸中采用數(shù)字信號,使得在系統(tǒng)硬件連接上簡化了許多,提高了系統(tǒng)的可靠性和測量精度。但由于變送器只是檢測測量信號,不進行數(shù)據(jù)處理,因此在校準時必須和流量計算機一起實行聯(lián)校。
采用流量計算機或工控機,主要區(qū)別在于流量計算部分。流量計算機是專用的固化軟件實現(xiàn)計算和數(shù)據(jù)存儲,比較穩(wěn)定可靠,可信任度較高,用戶易接受;工控機上軟件計算一般主要是自主開發(fā),便于軟件升級和系統(tǒng)維護,由于計算量大,特別是多路計量時,可靠性稍差些。
為了增加系統(tǒng)的可靠性和操作界面的直觀化,這種方式也可擴展為:多變量變送器+流量計算機+工控機,即將流量計算和顯示部分分開實行在流量計算機中計算,在工控機上顯示。
3.多變量智能變送器+工控機
此方式與模式2比較,主要區(qū)別是變送器內(nèi)固化了流量處理軟件,使得變送器可以就地顯示瞬時測量參數(shù)和計算瞬時流量,并通過數(shù)字信號傳輸,送入工控機上顯示和實現(xiàn)其他輔助功能。由于變送器顯示的只是瞬時流量,無累積功能,也不能存儲數(shù)據(jù)。因此,所測量的流量值必須在工控機上進行二次處理,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的累積和存儲功能。
采用這種方式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進一步簡化,變送器可實現(xiàn)單校也可以實現(xiàn)聯(lián)校,易于維護,但由于必須在工控機內(nèi)實現(xiàn)流量的累積和存儲。因此,可靠性較差,一旦工控機出現(xiàn)故障或電力故障,將無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存和累積,易造成數(shù)據(jù)丟失。
4.一體化智能儀表+工控機
此方式與模式3的區(qū)別主要也是在變送器上,即一體化智能儀表實現(xiàn)了變送器與流量計算機的一體化,不僅自帶數(shù)據(jù)庫,可實現(xiàn)瞬時參數(shù)及流量的顯示,還可實現(xiàn)累積流量和歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn);而且在儀表的運行方面,采取了多種電源保障方式:內(nèi)電池、內(nèi)電池組、太陽能和外接電源等,實現(xiàn)了在無電力供應的情況下,可以獨立自成計量系統(tǒng),就地顯示天然氣的瞬時流量、累積流量和數(shù)據(jù)的存儲、再現(xiàn)等;正常情況下可通過現(xiàn)場總線和上位機連接,實行數(shù)字信號傳輸,送入工控機上顯示,也可以在工控機上實行二次數(shù)據(jù)處理,組成的計量系統(tǒng)更加靈活、可靠。
采用這種方式,實現(xiàn)了計量數(shù)據(jù)的無憂化,使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單、操作更簡便、更可靠、更易維護;不僅可以單校也可以聯(lián)校;采用獨立的計量回路,減少了數(shù)據(jù)傳輸過程的干擾,提高了計量的精度。
四、自動計量方案選擇的原則
天然氣的流量計量是流量測量中的難點之一,這主要是由于天然氣流量計量是一種間接的、多參數(shù)的、動態(tài)的、不可再現(xiàn)的測量。因此,如何充分考慮天然氣流量計量的特殊性,確保天然氣自動計量的可靠性和正確率是天然氣集輸企業(yè)關(guān)注的焦點。針對實現(xiàn)方案的多樣性,在選擇具體方案時,應著重考慮系統(tǒng)的可靠性、正確率和先進性。判定方案的可靠性和先進性,主要遵從以下原則。
1.數(shù)據(jù)的安全性原則
所謂數(shù)據(jù)的安全性,就是在非儀表故障的情況下,計量系統(tǒng)能夠提供準確的計量數(shù)據(jù),以實現(xiàn)對天然氣管網(wǎng)的有效監(jiān)控,并保證數(shù)據(jù)的可靠性,以維護企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟利益;尤其是構(gòu)筑在自動計量基礎之上的企業(yè)信息系統(tǒng)更是企業(yè)管理、經(jīng)營、指揮、協(xié)調(diào)的重要依據(jù)。計量是信息系統(tǒng)重要的數(shù)據(jù)源,如果數(shù)據(jù)源一旦出現(xiàn)問題,將給企業(yè)帶來不可估量的損失。因此,對數(shù)據(jù)源的要求就是準確、齊全、完整、可靠,為此在選擇方案時,首要的問題就是考慮計量數(shù)據(jù)的安全性。由于天然氣集輸企業(yè)一般都在偏遠的地方、站場比較分散,各種環(huán)境因素比較惡劣,因而要充分考慮計算機故障、電力供應不足等實際情況,做好預案,避免由此而引起的數(shù)據(jù)丟失。
2.計量回路的獨立性原則
獨立性原則,主要是為了保證在計量系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,盡量減少故障的影響面,降低故障的影響程度,從而維護企業(yè)的安全平穩(wěn)運行和經(jīng)濟效益。
3.使用操作的簡單、可靠原則
由于天然氣集輸企業(yè)的站、場一般都比較分散,專業(yè)人員相對較少。因此,在選擇、設計方案時要充分考慮操作、維護的簡便性,做到簡單易用、高可靠、低維護,從而確保計量系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定運行。
4.兼顧發(fā)展的原則
由于天然氣貿(mào)易的發(fā)展和要求,用戶對天然氣計量的精度和計量方式的要求也越來越高。在選擇時要考慮天然氣計量交接方式的可能改變和實時計量補償?shù)目赡?如在線色譜分析、實時補償、能量計量等。如果要在企業(yè)信息網(wǎng)絡的基礎上,建立以企業(yè)信息網(wǎng)絡為紐帶的站控系統(tǒng),則應考慮實現(xiàn)計量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠程組態(tài)。
5.計算方法和計算軟件的合法性原則
計量,就是計“錢”。由于利益的因素,在天然氣貿(mào)易計量中要充分考慮到計算方法和計算軟件的合法性問題,以避免因使用計算方法不合適、計算軟件缺乏權(quán)威性而引起不必要的計量糾紛。由于天然氣計量方法的多樣性,應考慮計算軟件的獨立化,這樣才便于流量計算軟件的升級。在具體的計量系統(tǒng)中應采用用戶認可的特定計算方法或是以合同、協(xié)議的方式規(guī)定計算方法,這方面要和用戶充分溝通。
6.技術(shù)先進、成熟的原則
現(xiàn)代計量逐步發(fā)展成為一門綜合性很強的專業(yè)技術(shù),它是集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、儀表制造技術(shù)、微功耗技術(shù)為一體的技術(shù)結(jié)晶。由于各個儀表廠家技術(shù)水平的不平衡,在選擇方案時一定要有預見性,選擇技術(shù)先進、成熟的廠家,以減少系統(tǒng)的維護量。當然,在具體方案的選擇時,還要綜合考慮到其他一些因素如資金、成本、氣質(zhì)特點等。
五、應用實例
根據(jù)上述的6項原則,構(gòu)建了現(xiàn)場利用Flo-Boss103實現(xiàn)一體化自動計量的結(jié)構(gòu)圖(圖2)。
該方案采用與孔板配套的FloBoss103流量管理器進行單回路計量。FloBoss103流量管理器是費希爾—羅斯蒙特專門為天然氣行業(yè)在測量和控制應用場合精心設計的。它配帶的雙變量變送器檢測流體的壓力和差壓,溫度由鉑熱電阻檢測,信號直接進FloBoss103,流量管理器根據(jù)采集的信號計算天然氣的流量,共5路,通過RS485總線,采用MODBUS通訊協(xié)議將計量參數(shù)(差壓、壓力、溫度、瞬時流量、累積流量等)傳到上位機進行管理。該方案有以下特點。
(1)該系統(tǒng)采用的FloBoss103流量管理器是集多變量變送器和流量管理器為一體的(并內(nèi)置電池)。這種一體化的結(jié)構(gòu)設計使得該系統(tǒng)可以在無外部電源的情況下,依靠FloBoss103本身的內(nèi)置電池就可正常工作,從而保證了計量系統(tǒng)運行的可靠性、安全性,特別適用于電力供應不正常的地區(qū)。
(2)FloBoss103流量管理器本身自帶數(shù)據(jù)庫,可保存240個事件、240個報警記錄和15個數(shù)據(jù)點35天的1 h記錄或4個數(shù)據(jù)點30天的10 min記錄。
(3)可實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)補錄。一旦長時間電力供應不正常,上位機不能正常工作,該系統(tǒng)可利用Flo-Boss103流量管理器本身自備的電池維持正常計量工作。當電力恢復正常上位機開始工作后,利用流量管理器本身自帶的數(shù)據(jù)庫,自動將數(shù)據(jù)下載到上位機進行管理,并通過信息網(wǎng)絡上傳到管理層,保證了數(shù)據(jù)的完整性。
(4)獨立的計量系統(tǒng)。通過MODBUS數(shù)字傳輸技術(shù),采用總線制結(jié)構(gòu),簡化了系統(tǒng)組成,提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
(5)真正實現(xiàn)在線設備診斷和維護。FloBoss103作為遠程測量儀器和現(xiàn)場控制中心可以與主機相連,實現(xiàn)現(xiàn)場的、全天候的監(jiān)控、測量、累積、報警、通訊和控制,可通過常用的通訊方式同主機進行通訊,實現(xiàn)了對儀表進行在線技術(shù)診斷和維護。
(6)由于FloBoss103流量管理器是一個獨立的計量單元,不受電力等條件的約束,在特殊情況下,可以將其作為特殊的檢測儀表供管理人員使用,如對比核查等,以診斷其他計量系統(tǒng)。
(7)FloBoss103流量管理器除了可以現(xiàn)場就地安裝、測量、通過液晶顯示器顯示瞬時流量和累積流量外,還可以通過MODBUS通訊協(xié)議用數(shù)字信號將數(shù)據(jù)遠傳至現(xiàn)場控制站,并通過TCP/IP與企業(yè)信息網(wǎng)絡聯(lián)接,使得企業(yè)各級管理人員均能通過信息網(wǎng)絡實時了解生產(chǎn)動態(tài)。
六、存在的問題
盡管孔板流量計自動計量系統(tǒng)的發(fā)展越來越完善,但由于測量方法本身的原因和自動計量技術(shù)上的局限性,在提高計量的正確率和數(shù)據(jù)處理上,仍存在一些問題。
1.量程比的問題
量程比小(3∶1),是孔板流量計最大的缺憾。盡管現(xiàn)在已有寬量程比的變送器,但在對于瞬間流量變化范圍很大,流量低于最大流量的30%時,計量的精度將大幅度降低。這主要是由于節(jié)流式測量方法造成的。因此,為了提高量程比,可以考慮利用變送器寬量程的特點,運用軟件的方式實現(xiàn)量程的自動調(diào)整(軟維護),從而擴大量程比,提高測量的有效范圍,保證計量的正確率。不過這在軟件設計上將增加難度。
2.異常數(shù)據(jù)的處理問題
任何系統(tǒng)都有可能出現(xiàn)故障,都有可能出現(xiàn)一些異常的無理數(shù)據(jù)。因此為了維護貿(mào)易雙方的利益,對可能出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)問題在設計時要充分考慮數(shù)據(jù)的審慎可修改性,從而避免異常數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn),其就一直在計算機中參與累積計算,造成計量數(shù)據(jù)的混亂。目前大多數(shù)自動計量系統(tǒng)對此都考慮較少。
3.操作界面和過程數(shù)據(jù)的利用問題
由于天然氣輸送的連續(xù)性、動態(tài)性、瞬間的不確定性以及不可再現(xiàn)等特點,實時地進行數(shù)據(jù)分析,對數(shù)據(jù)形成的全過程進行有效的監(jiān)控和保存,有利于數(shù)據(jù)異常的分析和控制,是數(shù)據(jù)管理中重要的一環(huán)。目前的自動計量系統(tǒng)在此方面有所考慮,但過程數(shù)據(jù)的應用、分析、界面功能尚不完全,還有待于完善。
七、結(jié) 論
數(shù)據(jù)的安全性是對天然氣流量自動計量的最低要求。只有在確保數(shù)據(jù)安全的前提下,自動計量系統(tǒng)才可能長期、可靠的運行。隨著控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機技術(shù)以及儀表制造技術(shù)的不斷發(fā)展,利用多變量變送器,采用一體化自成系統(tǒng)的計量儀表,利用現(xiàn)場總線技術(shù),通過數(shù)字信號傳輸,實現(xiàn)多參數(shù)的實時補償,組成真正意義上的集散控制系統(tǒng),是科學、準確計量天然氣流量的最佳方式,也代表了國際上天然氣流量計量系統(tǒng)數(shù)字化計量的一種先進的發(fā)展趨勢,是天然氣計算機自動計量的最佳解決方案。
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