工控摘要：目前在天然氣流量計量領域中,氣體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。
一、氣體流量計自動計量概況
目前在天然氣流量計量領域中,氣體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限制,在天然氣集輸企業(yè)中氣體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。中原油氣高新股份有限公司天然氣產銷廠（以下簡稱該廠）是一個集氣田開發(fā)、伴生氣集輸和商品氣外銷的綜合性企業(yè),承擔著整個中原油田90%的外銷氣量。因此天然氣計量工作在該廠顯得非常重要。目前該廠共有天然氣流量計量點220多個,分布于大小30個站,其中192個計量點屬于氣體流量計,占整個流量計量點的87%,是一個典型的點多、線長、站場高度分散的企業(yè)。隨著企業(yè)管理的科學化和信息化的發(fā)展,對天然氣流量計量的要求越來越高。
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、氣體流量計的測量原理
充滿管道的流體,當它流經管道內的標準氣體時,如圖1所示,流速將在標準氣體處形成局部收縮,從而使流速增加,靜壓力降低,這樣在標準氣體前后便產生了壓差。流體流量愈大,產生的壓差愈大,因此可依據(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(jié)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、氣體流量計自動計量的實現(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。隨著計量技術的發(fā)展和計算機運用的普及,實現(xiàn)氣體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)檢測到的電信號轉換成標準的4~20mA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轉換,轉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*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(huán)節(jié)較多、可靠性較差?？蓴U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)結構進一步簡化,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:內電池、內電池組、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)結構zui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準確性是天然氣集輸企業(yè)關注的焦點。
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、準確性和*性。判定方案的可靠性和*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)的安全生產和經濟利益;尤其是構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、經營、指揮、協(xié)調的重要依據(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0。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*、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,它是集計算機技術、通訊技術、網(wǎng)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*、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、氣質特點等。