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的發展,充分利用先進技術,使孔板流量計發揮其標準化程度高、研究深入的技術優勢,實現天然氣流量的自動計量是孔板流量計發展的必然趨勢。根據目前孔板流量計實現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:數據的安全性原則;計量回路的獨立性原則;使用操作的簡單、可靠原則;兼顧發展的原則;計算方法和計算軟件的合法性原則;技術先進、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的計量儀表,利用現場總線技術,通過數字信號傳輸,實現多參數的實時補償,組成真正意義上的集散控制系統,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域中,孔板流量計仍占主導地位,這主要是由于其發展歷史悠久、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限制,在天然氣集輸企業中孔板流量計一直以機械式差壓計為主要記錄儀表,輔以人工錄取參數和手工計算,使得天然氣流量測量存在著環節多、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,以提高企業的經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,當它流經管道內的標準孔板時,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生了壓差。流體流量愈大,產生的壓差愈大,因此可依據壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續性方程(質量守恒定律)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,例如當節流裝置形式或管道內流體的物理性質(密度、黏度)不同時,在同樣的流量下產生的壓差也是不同的。
三、自動計量的實現模式
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,通過計算機中的流量計算軟件,實現整個流量測量環節中無人工參與的天然氣流量測量。隨著計量技術的發展和計算機運用的普及,實現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,并將各參數檢測到的電信號轉換成標準的4～ 20 mA模擬信號,送入流量計算機(或工控機)的數據采集板卡,通過A/D轉換,轉換成計算機能處理的數字量,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、累積流量及實現其他輔助功能。
此方式是傳統的自動計量模式,所采集、傳輸的都是模擬信號,抗干擾能力比較差,由于存在信號轉換等問題,計量精度難以提高,而且硬件連接較復雜、中間環節較多、可靠性較差。可擴展為:單變量變送器+流量計算機+工控機,從而實現流量計算與顯示分開,提高系統的可靠性和可視性。
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,采用現場總線制,通過數字信號傳輸,送入流量計算機(或工控機)的數據采集板卡,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、累積流量及實現其他輔助功能。此方式是隨變送器技術發展而來的,由原來的測量1個參數需要1臺變送器,改為測量多個參數只需要1臺變送器,并在數據傳輸中采用數字信號,使得在系統硬件連接上簡化了許多,提高了系統的可靠性和測量精度。但由于變送器只是檢測測量信號,不進行數據處理,因此在校準時必須和流量計算機一起實行聯校。
采用流量計算機或工控機,主要區別在于流量計算部分。流量計算機是專用的固化軟件實現計算和數據存儲,比較穩定可靠,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,便于軟件升級和系統維護,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,主要區別是變送器內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和計算瞬時流量,并通過數字信號傳輸,送入工控機上顯示和實現其他輔助功能。由于變送器顯示的只是瞬時流量,無累積功能,也不能存儲數據。因此,所測量的流量值必須在工控機上進行二次處理,以實現數據的累積和存儲功能。
采用這種方式,系統結構進一步簡化,變送器可實現單校也可以實現聯校,易于維護,但由于必須在工控機內實現流量的累積和存儲。因此,可靠性較差,一旦工控機出現故障或電力故障,將無法實現數據的保存和累積,易造成數據丟失。
4.一體化智能儀表+工控機
此方式與模式3的區別主要也是在變送器上,即一體化智能儀表實現了變送器與流量計算機的一體化,不僅自帶數據庫,可實現瞬時參數及流量的顯示,還可實現累積流量和歷史數據的再現;而且在儀表的運行方面,采取了多種電源保障方式:內電池、內電池組、太陽能和外接電源等,實現了在無電力供應的情況下,可以獨立自成計量系統,就地顯示天然氣的瞬時流量、累積流量和數據的存儲、再現等;正常情況下可通過現場總線和上位機連接,實行數字信號傳輸,送入工控機上顯示,也可以在工控機上實行二次數據處理,組成的計量系統更加靈活、可靠。
采用這種方式,實現了計量數據的無憂化,使得系統結構最簡單、操作更簡便、更可靠、更易維護;不僅可以單校也可以聯校;采用獨立的計量回路,減少了數據傳輸過程的干擾,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、多參數的、動態的、不可再現的測量。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關注的焦點。針對實現方案的多樣性,在選擇具體方案時,應著重考慮系統的可靠性、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.數據的安全性原則
所謂數據的安全性,就是在非儀表故障的情況下,計量系統能夠提供準確的計量數據,以實現對天然氣管網的有效監控,并保證數據的可靠性,以維護企業的安全生產和經濟利益;尤其是構筑在自動計量基礎之上的企業信息系統更是企業管理、經營、指揮、協調的重要依據。計量是信息系統重要的數據源,如果數據源一旦出現問題,將給企業帶來不可估量的損失。因此,對數據源的要求就是準確、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據的安全性。由于天然氣集輸企業一般都在偏遠的地方、站場比較分散,各種環境因素比較惡劣,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據丟失。
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出現問題時,盡量減少故障的影響面,降低故障的影響程度,從而維護企業的安全平穩運行和經濟效益。
3.使用操作的簡單、可靠原則
由于天然氣集輸企業的站、場一般都比較分散,專業人員相對較少。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,從而確保計量系統的長期、穩定運行。
4.兼顧發展的原則
由于天然氣貿易的發展和要求,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的可能,如在線色譜分析、實時補償、能量計量等。如果要在企業信息網絡的基礎上,建立以企業信息網絡為紐帶的站控系統,則應考慮實現計量系統數據的遠程組態。
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。在具體的計量系統中應采用用戶認可的特定計算方法或是以合同、協議的方式規定計算方法,這方面要和用戶充分溝通。
6.技術先進、成熟的原則
現代計量逐步發展成為一門綜合性很強的專業技術,它是集計算機技術、通訊技術、網絡技術、儀表制造技術、微功耗技術為一體的技術結晶。由于各個儀表廠家技術水平的不平衡,在選擇方案時一定要有預見性,選擇技術先進、成熟的廠家,以減少系統的維護量。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、氣質特點等。
五、應用實例
根據上述的6項原則,構建了現場利用Flo-Boss103實現一體化自動計量的結構圖(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通訊協議將計量參數(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(并內置電池)。這種一體化的結構設計使得該系統可以在無外部電源的情況下,依靠FloBoss103本身的內置電池就可正常工作,從而保證了計量系統運行的可靠性、安全性,特別適用于電力供應不正常的地區。
(2)FloBoss103流量管理器本身自帶數據庫,可保存240個事件、240個報警記錄和15個數據點35天的1 h記錄或4個數據點30天的10 min記錄。
(3)可實現自動數據補錄。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據庫,自動將數據下載到上位機進行管理,并通過信息網絡上傳到管理層,保證了數據的完整性。
(4)獨立的計量系統。通過MODBUS數字傳輸技術,采用總線制結構,簡化了系統組成,提高了整個系統的可靠性。
(5)真正實現在線設備診斷和維護。FloBoss103作為遠程測量儀器和現場控制中心可以與主機相連,實現現場的、全天候的監控、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,實現了對儀表進行在線技術診斷和維護。
(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。
(7)FloBoss103流量管理器除了可以現場就地安裝、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通訊協議用數字信號將數據遠傳至現場控制站,并通過TCP/IP與企業信息網絡聯接,使得企業各級管理人員均能通過信息網絡實時了解生產動態。
六、存在的問題
盡管孔板流量計自動計量系統的發展越來越完善,但由于測量方法本身的原因和自動計量技術上的局限性,在提高計量的正確率和數據處理上,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量程的自動調整(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.異常數據的處理問題
任何系統都有可能出現故障,都有可能出現一些異常的無理數據。因此為了維護貿易雙方的利益,對可能出現的異常數據問題在設計時要充分考慮數據的審慎可修改性,從而避免異常數據一旦出現,其就一直在計算機中參與累積計算,造成計量數據的混亂。目前大多數自動計量系統對此都考慮較少。
3.操作界面和過程數據的利用問題
由于天然氣輸送的連續性、動態性、瞬間的不確定性以及不可再現等特點,實時地進行數據分析,對數據形成的全過程進行有效的監控和保存,有利于數據異常的分析和控制,是數據管理中重要的一環。目前的自動計量系統在此方面有所考慮,但過程數據的應用、分析、界面功能尚不完全,還有待于完善。
七、結 論
數據的安全性是對天然氣流量自動計量的最低要求。只有在確保數據安全的前提下,自動計量系統才可能長期、可靠的運行。隨著控制技術、通訊技術、計算機技術以及儀表制造技術的不斷發展,利用多變量變送器,采用一體化自成系統的計量儀表,利用現場總線技術,通過數字信號傳輸,實現多參數的實時補償,組成真正意義上的集散控制系統,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數字化計量的一種先進的發展趨勢,是天然氣計算機自動計量的最佳解決方案。
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